Beoordeling van Voltage Regulation Methods in Low Voltage Distribution Networks

Oorspronkelijk waren de energiesystemen ontworpen om het geproduceerde vermogen, afkomstig van grootschalige gecentraliseerde centrales, aan de eindgebruikers van de distributienetten te leveren. Aangezien de gecentraliseerde elektriciteitscentrales meestal fossiele brandstoffen gebruiken als primaire energiebronnen, is het nodig dat, door de groeiende vraag naar energie, koolstofarme energiebronnen gebruikt worden. Vandaar dat de meeste Europese nutsbedrijven reeds programma's implementeerden voor de exploitatie van hernieuwbare energiebronnen (RES).

Als gevolg van de groeiende vraag naar vermogen, en het toenemende gebruik van RES, veranderen de energiesystemen, en meerbepaald de distributienetwerken, snel. Het traditionele beleid van het installeren van gedistribueerde energiebronnen (DER's) is gebaseerd op de passieve “fit-and-forget” filosofie. Onder dit regime zal de hoge penetratie van DERs in distributienetwerken naar verwachting een aantal problematieken met zich meebrengen met betrekking tot de power quality, betrouwbaarheid, veiligheid, en stabiliteit. De hoge investeringskosten die nodig zijn om het huidige netwerk te upgraden heeft geleid tot de overgang van een passieve uitbating van het distributienetwerk naar een de actief beheer door distributienetbeheerders (DNO's). Betreffende de verantwoordelijkheden van DNO's is spanningsmanagement van primair belang, aangezien de spanningskwaliteit direct de kwaliteit van het vermogen geleverd aan de klanten van het elektriciteitsnet beïnvloedt. Het concept van het actieve netwerkmanagement (ANM) is vooral geïmplementeerd in de middenspanningsdistributienetwerken (MV), terwijl op het LV-niveau de regulatie van de spannings bereikt werd door passieve controle-apparaten, zoals off-load tap wisselaars, en condensatorbanken.

Dit proefschrift evalueert de prestaties van de bestaande actieve technologieën voor spanningsmanagement die in LV distributienetwerken worden toegepast. Met name worden de volgende technologieën beoordeeld in deze studie: (i) MV/LV-transformatoren voorzien van een OLTC-inrichting, (ii) gedistribueerde statische synchrone compensatoren (D-STATCOM's), (iii) actieve in-lijn spanningsregelaars (IVR) voorzien van een OLTC apparaat, (iv) DER's, en (v) batterij energieopslagsystemen (BESS's).

In het algemeen bestaan de LV netwerken uit eenfasige elementen, die ofwel lasten of generatoren kunnen zijn. Derhalve kan de toenemende trend in vraag en generatie leiden tot een toename van verschillende belangrijke problemen, zoals overspanningen, onderspanningen, hoogspanningsonevenwichtigheden en netverliezen. Het belangrijkste doel van dit proefschrift is te onderzoeken in welke mate de bestudeerde technologieën voor spanningscontrole de bovengenoemde problemen kunnen verbeteren.

Eerst worden verschillende gecentraliseerde spanningsregelingsstrategieën individueel voorgesteld. Daarnaast is de focus te beoordelen in welke mate de toegepaste technieken het spanningsmanagement kunnen realiseren vanop afstand, bij hoge niveaus van DER-integratie, en bij een hoge vraag. In het bijzonder is de integratie van OLTCs in MV/LV-transformatoren onderzocht terwijl er beperkingen op de spanningsniveaus worden gelegd, evenals dat er met de thermische grenzen van de transformatoren en de kabels moet rekening gehouden worden. In het geval van radiale feeders, met zowel een groot aantal takken en lange distributielijnen, zou de spanningscontrole via MV/LV-transformatoren onhaalbaar zijn. In dergelijke gevallen kan de IVR-bijdrage cruciaal zijn voor de spanningsregeling. In deze studie word de prestaties geëvalueerd met betrekking tot diverse power quality problemen, terwijl de optimale plaatsing en dimensionering worden onderzocht met betrekking tot de operationele marges van de spanning en de totale netverliezen.

Vervolgens worden verschillende technologieën voor energiebeheer (D-STATCOM, DER's en BESS's) gebruikt om de spanning vanop afstand te regelen. Bij de D-STATCOM worden twee controleschema's onderzocht: de eerste dient voor de regulering van de positieve sequentie spanningscomponent, en de tweede voor de regeling van de spanningsonbalansen. Daarenboven wordt de coördinatie van de D-STATCOM met de OLTC ook onderzocht. Met betrekking tot de DER's worden drie gelokaliseerde spanningsregelingen voor éénfasige eenheden voorgesteld, die gebaseerd zijn op het management van reactief en actief vermogen. Cruciale parameters voor de uitvoering van deze werkwijzen zijn de gevoeligheden van de spanningsgrootte tegenover de vermogeninjecties. Aangezien het reactief vermogen onvoldoende is om de over- en onderspanningsproblemen volledig op te lossen, worden er twee methoden voor actief vermogen inperking geëvalueerd: ze hebben te maken met een ``hiërarchische'' en met een ``eerlijke'' bijdrage, respectievelijk.

Tot slot beoordeelt het proefschrift de prestaties van de hybride spanningscontrolesystemen. Verschillende gecoördineerde regelingen worden onderzocht, gebruik makende van gecentraliseerde controle met een MV/LV-transformator met een OLTC-mechanisme en van gelokaliseerde power management methoden met eenfasige DERs. De belangrijkste focus op het gebruik van de gecoördineerde regelingen is de inperking van actief vermogen te elimineren, evenals de slijtage aan de OLTC en de provisie van het reactieve vermogen. Bovendien is een nieuw optimalisatieschema, om zowel de grootte van de spanning te regelen alsook de spanningsonbalansen, onderzocht met behulp van de MV/LV-transformator met een OLTC apparaat, eenfasige DER's en eenfasige BESS's. Het belangrijkste doel van deze aanpak is om een optimale interactie tussen de bovengenoemde netwerkcomponenten te ontwikkelen, en tegelijkertijd een aantal doelstellingen te minimaliseren met betrekking tot de netverliezen, slijtage aan de OLTC, veroudering van de batterij en voorziening van reactief vermogen.