Energy Storage for Voltage Control in LV Grids

Abstract

This thesis addresses overvoltage issues in weak low voltage grids caused by
large solar power production. The suggested method is using PI controllers to
control voltage. This is done by using battery energy storage systems (BESS),
designed to absorb active power during these times and thereby limiting the
voltage rise. This could enable faster integration of solar power and a reduced
demand for network reinforcement. A case study was conducted on a rural part
of a grid owned by Kraftringen in southern Sweden. The network was modeled
in Simulink with hourly load data from 2017-2020. Furthermore, solar power
installations based on solar data from the same time period were added. Power
and energy storage capacity of the BESS needed to keep voltage within acceptable
limits were determined, as well as the impact of PV penetration, battery
placement and line types on these dimensions. Furthermore, it was investigated
during which times the BESS had to be reserved for voltage control, and
whether the BESS could be used to provide other services during the remaining
time. Results showed that with 30 kW installed solar power at each one of the
four customers, a BESS placed at the customer most sensitive to voltage rise
required 13 kW/62 kWh battery capacity. The BESS was used about 50 % of
the days between mid-April and mid-August and unused the rest of the year.
During the days needed, it was used for a maximum of 9 hours per day. This
enabled the opportunity to use the BESS for other services such as frequency
control during night time and winter, as well as for load and production peak
shaving. These additional services could play an important role in making the
solution economically viable.

Popular Abstract (Swedish)

Batterier möjliggör mer solel än elnätet
tidigare klarat av

En ökad andel solenergi i elnätet ställer nya tuffa krav på det befintliga
nätet. I det här examensarbetet har möjligheten att undvika
nätförstärkning genom att istället installera batterier på väl valda
platser i nätet undersökts. Med hjälp av lösningen kan mer solel än
nätet tidigare klarat av installeras.

Historiskt sett har el producerats i stora anläggningar för att sedan transporteras genom elnätet ner till den enskilda kunden. Förnybar el från exempelvis vind- och solkraft produceras ofta längre ut i nätet, kanske till och med på kundens eget tak. Om kunden har solpaneler kan den använda el som den själv har producerat och köpa el från nätet när den inte räcker till. Om kunden istället producerar för mycket el kan den välja att sälja sin el och således mata ut den på elnätet. Trots att det är fantastiskt att en enskild kund kan producera så mycket el att det räcker och blir över så ställer det nya tuffa krav på elnätet. De omvända flödena som bildas när kunden producerar mer el än den konsumerar kan leda till att spänningen blir för hög hos kunden, särskilt i svaga nät så som landsbygdsnät med få kunder och långa ledningar. Alltför höga spänningar kan leda till skada på utrustning och därför finns nätföreskrifter som säger att spänningen ska hållas inom ±10 % av sitt normala värde.

Överspänningar tenderar framför allt att ske mitt på dagen när solanläggningen producerar som mest el. I examensarbetet Energy Storage for Voltage Control in LV Grids har jag undersökt ifall man istället för att riskera överspänning genom att mata ut elen på nätet skulle kunna ladda upp ett batteri med en del av överskottselen, för att sedan ladda ur det mot nätet när risken för överspänning är förbi. Inmatning och utmatning av el från batteriet styrdes av en regulator, med syfte att hålla spänningen inom tillåtna gränser.

Simuleringar gjordes på en del av Kraftringens nät bestående av fyra kunder, som var och en tilldelades 30 kW installerad solel, vilket är ganska mycket (86 % av alla solelanläggningar i Sverige är på 20 kW eller mindre). Om ett batteri placerades hos kunden där överspänning uppstod var det tvunget att ha en toppeffekt på 13 kW och en lagringskapacitet på 62 kWh för att klara av att styra ner spänningen till tillåtna nivåer. Om batteriet istället placerades i exempelvis ett närliggande kabelskåp behövdes ett betydligt större batteri för att fylla samma
syfte.

För att investeringen ska vara lönsam vill man gärna använda batteriet i andra syften när batteriet inte behövs för spänningsreglering. Det visade sig att de dagar som batteriet behövdes för spänningsreglering var koncentrerade till dagtid och mellan april och augusti varje år. Under övrig tid kan batteriet kan exempelvis bidra till en stabil frekvens i nätet eller till att undvika stora effekttoppar.

Tekniken i lösningen är enkel men det som står i vägen för att implementera den i dagsläget är framför allt frågan hur man kan göra det ekonomiskt lönsamt för samtliga parter. I framtiden skulle dock denna lösning kunna bidra till snabbare och mer omfattande integration av solel i nätet utan behov
av nätförstärkning.

• author: Samnegård, Ida
• supervisor: Olof Samuelsson; Martin Lundberg
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEM01 20202
• year: 2021
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• report number: CODEN:LUTEDX/(TEIE-5454)/1-51/(2021)
• language: English
• id: 9040088
• date added to LUP: 2021-02-10 14:44:47
• date last changed: 2021-02-10 14:44:47