System impact of micro-production

Abstract

The focus in this thesis has been active power from small scale solar production and what possible impacts an increased proportion of small scale production can have, in a larger context, during short circuit (SC) faults in the grid. The main research question prompting this work was whether active power from small scale solar pro- duction can help support voltages during SC faults, and meet LVRT-requirements in the RfG.

The simulation work was performed in the tool DIgSILENT PowerFactory. The work was initially to be carried out using data for an actual network. Instead, part of the thesis work was to construct a power network model, for general validity based on an European benchmark model by CIGRE ́. The model is ranging over all voltage levels from 0.4-380 kV, which is unusual for network models and offer new insights. Static simulations of 3 phase bolted (0 Ω) SC faults were carried out for different study cases, each with varying amounts of PV-production filling up the grid. In addition, analyzes were made of actual disturbance recordings in E.ONs grid, alongside unique PMU-registrations of the same faults made at a residential PV-unit.

The simulation results in this thesis showed that accumulated active power from small scale PV-units can, theoretically, meet the LVRT-requirements in the RfG for generating modules of category B. The most striking result were a low voltage-node registered a voltage increase of 35.5% with PV-production compared to without active power input. Other nodes in the same simulated study case, rep- resenting a current PV-production scenario, had an increase of about 20% of the voltage. The case with the largest accumulated active power, representing a future scenario, had a notable impact on voltages across the HV(220 kV)-grid.

Information and analysis of fault registration showed that small scale units seem to have a rather slow up-ramping of power after disconnection due to faults in the grid. This, in the context of increasing amounts of DER in the grid brings up the inquiry if this will cause disturbances in the power balance.

Additionally, registration of a remote 3 phase SC were found to affect a large geographic area and gave such a severe voltage dip that micro-production nearly disconnected. Fault clearing times throughout the grid might need to be further shortened if normal fault clearing could lead to disconnection of micro-production in large areas. Thus, in conclusion, routines of distribution network companies need to start considering impact of extensive micro-production.

Popular Abstract (Swedish)

Ökande andel småskalig solproduktion introduceras i elnäten, detta medför möjligheter och utmaningar för nätägare. I detta arbete har möjligheten undersökts om småskalig solproduktion kan bidra till att upprätthålla spänningen i nätet vid trefasiga kortslutningar.

I dagsläget är det många privatägare som installerar solceller. Denna utveckling har pågått länge, men de senaste åren har intresset skjutit i höjden. Att många väljer att installera och koppla in solceller till elnätet innebär möjligheter men även vissa svårigheter för nätägare (exempelvis E.ON, Vattenfall och Ellevio). Nätägare är generellt sett tvungna att acceptera och koppla in solceller, där det finns en nätanslutning för el- konsumtion sen tidigare. Samtidigt är nätägare ansvariga för den spänning och el som finns i nätet, oavsett om den är producerad av traditionella producenter, eller om bidrag från småskaliga producenter utgör en stor andel.

Om allvarliga fel, så kallade kortslutningar, uppstår i elnätet kan det ha vidsträckt inverkan. Det kan innebära att spänningen, som behöver vara på en viss nivå för att kunna leverera el, kan bli betydligt nedsatt i stora delar av det berörda elnätet. För att motverka detta och i övrigt säkerställa ett fungerande elnät och en stadig elleverans finns det vissa bestämmelser som elproduktion behöver hålla sig till, dessa kallas nätkoder. I nätkoderna finns det regler som innebär att produktionsanläggningar över en viss effektstorlek måste vara fortsatt anslutna till elnätet även när spänningen sjunker, som den gör om allvarliga fel uppstår i nätet. Detta kallas störningstålighet och gäller i Sverige för all produktion som är över 1.5 MW. När nu småskalig el-produktion ökar i andel och blir mer betydande i elnätet, vill den här studien undersöka om fel i elnätet kan stödjas på samma sätt av dessa mindre anläggningar, och ifall många samlade småskaliga solcellsanläggningar kan hjälpa att hålla uppe spänningen under olika fel i nätet.

Undersökningen som är utförd i detta arbete består av datorsimuleringar i en egenbyggd elnäts-modell. I simuleringarna undersöks flera olika scenarion med varierande andel solproduktion i elnätet. De olika scenarierna täcker in hur stor andel solproduktion som finns i nätet idag samt förmodade framtida situationer. Simuleringarna kompletteras av analyser av fel-händelser i det verkliga elnätet och av inspelningar på hur dessa störningar upplevts vid och påverkat en privat småskalig solanläggning, strax utanför Malmö.

Undersökningen visade att effekt från småskaliga solceller kan hjälpa till att upprätthålla spänningen i nätet. I ett par fall visade simuleringar att samlad effekt från småskaliga solceller teoretiskt sett kan möta de regler kring störningstålighet som ställs på större anläggningar.

Arbetet upptäckte också att om en stor andel samlad effekt från småskaliga solceller kopplas bort under fel (vilket är praxis) så skulle svårigheter kunna uppstå med att möta de kvarstående el-behov som finns. Detta skulle innebära att allvarligare störningar uppstår, och för att motverka denna risk bör nätägare fokusera mer på småskalig produktion och vara medvetna om dess inverkan i sina egna nät, samt eventuellt se över arbetssätt i nätplanering och felanalys.

• author: Haraldsson, Annie
• supervisor: Olof Samuelsson; Jörgen Svensson; Morten Hemmingsson; Joel Clementsson
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEM01 20221
• year: 2023
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Fault ride through, LVRT, micro-production, solar production, photovoltaics, fault simulation, network modeling, power system disturbances, PMU-registrations, fault analysis
• publication/series: CODEN:LUTEDX/TEIE
• report number: 5490
• language: English
• id: 9123569
• date added to LUP: 2023-08-29 13:30:25
• date last changed: 2023-08-29 13:30:25