Harmonic Emissions in Microgrids

Abstract

“Affordable and clean energy” is EUs 7th Sustainable Development Goal and includes an increase of renewable energy generation in the global energy mix. A lot of the responsibility falls on the energy sector to transform and obtain solutions for a more sustainable future. The development is going towards decreased decentralized generation and an increased share of renewable energy sources like wind- and solar power. This requires new network systems and technologies with added flexibility and capacity, such as micrograms.

This work aimed to analyse current and voltage harmonics in a microgrid where the purpose was to examine if harmonics behave differently in grid-connected mode and island mode and if there is a correlation between weather and harmonics. The purpose was also to see if electrical harmonics can be reproduced in a model of the microgrid in a simulation program and what the limitations of such a simulation are.

The microgrid studied was developed by E.ON and contains a wind turbine, photovoltaic panels, a backup generator, battery energy system and loads. The microgrid was disconnected from the distribution grid at limited times during the project. This thesis work was limited to only having the wind turbine and PV panels as harmonic sources. In order to develop this work, the method chosen was to analyse collected microgrid data for various measurement points and weather conditions and then construct a model based on this live system data.

The data analysis showed constant current harmonic emission levels independent of the wind speed and irradiation, except for the fifth harmonic at the PV installation. It also showed that the harmonic levels were higher for grid-connected mode than for island mode. The simulated harmonics were smaller than the measured harmonics and therefore, they could not be reproduced in the simulation model.

There is no general correlation between weather and harmonic emission levels. The harmonics were higher in grid-connected mode as the harmonics from the distribution grid are added to the microgrid. The simulation was based on only harmonics from the wind turbine and photovoltaic panels. However, the real microgrid has several sources of harmonic emission, which make the measured harmonic values higher than the simulated values.

Popular Abstract (Swedish)

”Hållbar energi för alla” är EU:s sjunde mål för hållbar utveckling och inkluderar en ökning av förnybar energiproduktion i den globala energimixen. Mycket av ansvaret ligger på energisektorn att transformera och få fram lösningar för en mer hållbar framtid. Utvecklingen går mot minskad decentraliserad produktion och en ökad andel förnybara energikällor som vind- och solenergi. Detta kräver nya nätverkssystem och tekniker med ökad flexibilitet och kapacitet, som mikronät.

I denna studie har ström- och spännings övertoner i ett mikronät analyserats där syftet var att undersöka om övertoner beter sig annorlunda i nätanslutet läge och ö-läge och om det finns en korrelation mellan väder och övertoner. Syftet var även att se om elektriska övertoner kan återges i en modell av mikronätet i ett simuleringsprogram och vilka begränsningar en sådan simulering har.

Mikronätet som undersöktes i studien är utvecklat av E.ON och innehåller ett vindkraftverk, solcellspaneler, en reservgenerator, batterier och laster. Vid begränsade tider under projektets gång kopplades mikronätet bort från det överliggande nätet och var då i ö-drift. Detta arbete begränsades till att endast ha vindkraftverk och solpaneler som övertons källor. Den valda metoden är att analysera insamlade mikronätsdata för olika mätpunkter och väderförhållanden och sedan konstruera en modell baserad på denna information.

Dataanalysen visade konstanta utsläppsnivåer av övertoner, oberoende av vindhastighet och solstrålning, förutom den femte övertonen vid solcellsanläggningen. Den visade även att övertonsnivåerna var högre för nätanslutet läge än för ö-läget. De simulerade övertonerna var mindre än de uppmätta övertonerna och därför kunde de inte återges i simuleringsmodellen.

Det finns ingen allmän korrelation mellan väder och utsläppsnivåer av övertoner. Övertonerna var högre i nätanslutet läge, när övertonerna från det överliggande nätet adderas till i mikronätet. Simuleringen baserades endast på övertoner från vindkraftverk och solcellspaneler, dock har det verkliga mikronätverket fler övertonskällor, vilket gör de uppmätta övertonerna högre än de simulerade.

• author: Alibegovic, Lejla and Freiland Paulsson, Emelie
• supervisor: Olof Samuelsson; Neil Hancock
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEM01 20211
• year: 2021
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Harmonics, microgrid, local energy system, NEPLAN
• publication/series: CODEN:LUTEDX/TEIE
• report number: 5461
• language: English
• id: 9050314
• date added to LUP: 2021-06-09 13:38:56
• date last changed: 2021-06-09 13:38:56