Optimal PV Inverter Active and Reactive Power Control in Distribution Grids With High Amounts of Solar PV

Abstract

Solceller installeres i det lavspente distribusjonsnettet i stadig økende grad. Dette fører til nye utfordringer for kraftnettoperatørene. Spesielt gir store mengder distribuert energiproduksjon opphav til overbelastning av kraftledningene, overspenninger, og dermed lavere leveringskvalitet. I timer med høy energiproduksjon kan overspenningsproblemer unngås ved kutting av aktiv effekt eller ved absorbsjon av reaktiv effekt i vekselretterene mellom solcellene og nettet. Smart utnyttelse av vekselrettere kan derfor øke distribusjonsnettets evne til å tolerere aktiv effektproduksjon.

I denne oppgaven vurderes kontroll av vekselrettere for å begrense overspenningsproblemer i et lavspent distribusjonsnett i Steinkjer, med store mengder energiproduksjon fra solceller. En optimeringsmodell for optimal kraftflyt er utviklet og simulert i GAMS (The General Algebraic Modeling System). Optimale settpunkter for aktiv og reaktiv effektproduksjon for solcellesystemene er funnet ved å minimere fire ulike nyttefunksjoner: (i) nettverkstap, (ii) spenningsavvik, (iii) aktiv effektkutting, og (iii) totale effekttap (nettverkstap og aktiv effektkutting).

Hovedresultatene viser at kontroll av vekselrettere tilkoblet solkraftsystemer er effektivt for å unngå overspenningsproblemer og til å øke distribusjonsnettets kapasitet for distribuert energiproduksjon. Kutting av effekttopper for å unngå overspenning gir lavest nettverkstap. Reaktiv effektkontroll fører til at kutting av effekttopper ikke er nødvendig. Nettverkstapene er høyere sammenlignet med aktiv effektkontroll på grunn av den reaktive effekten som absorberes i vekselretterene og høyere aktiv effektproduksjon. Distribusjonsnettet kan tolerere større mengder aktiv effektproduksjon med hensyn til overspenninger i forhold til overbelastning av kraftledningene. Overbelastningen økes ved reaktiv effektkontroll i vekselretterne. Dette skyldes økt reaktiv effektflyt i kraftledningene.

Sensitivitetsanalyse på øvre spenningsgrenser viser at reduksjon i totale aktive effekttap (nettverkstap og aktiv effektkutting) kan oppnås ved å akseptere høyere spenningsvariasjoner. Dette skyldes at ved å tillatte høyere spenninger kan mengden absorbert reaktiv effekt og kuttet aktiv effektproduksjon reduseres. Derfor bør man vurdere konsekvensene nøye før man setter absolutte spenningsgrenser.

Photovoltaic solar panels are being installed in low voltage distribution networks at an increasing rate. This brings new challenges to the power system operators. In particular, large amounts of distributed generation give rise to technical issues such as overloading of the power network cables, overvoltages and thus lower power quality. In hours of high generation, overvoltage problems can be avoided by curtailment of active power generation or by reactive power absorption in the photovoltaic inverters. In turn, smart utilization of photovoltaic inverters can increase the distribution network's hosting capacity for distributed active power generation.

In this thesis, control of photovoltaic inverters for overvoltage mitigation in a low voltage distribution grid in Steinkjer, with high amounts of photovoltaic power generation is studied. An optimal power flow optimization model is built and simulated using GAMS (The General Algebraic Modeling System). Optimal set-points for photovoltaic inverter active and reactive power outputs are found by minimization of four different objectives: (i) network active power losses, (ii) voltage deviations, (iii) photovoltaic active power curtailment, and (iv) overall active power losses (network and curtailment).

The main results reveal that control of photovoltaic inverters is effective for overvoltage mitigation and for increasing the distribution grid's hosting capacity for distributed generation. Active power curtailment for overvoltage mitigation results in the lowest network active power losses. Reactive power control eliminate the need for active power curtailment. The network losses are increased compared to active power curtailment due to the reactive power absorption and higher active power generation. The distribution grid can tolerate higher amounts of active power generation with regards to overvoltages compared to overloading of the power cables. The overloading is increased by adding reactive power control to the inverters. This is due to increased reactive power line flows.

Sensitivity analysis on upper voltage limits show that reductions in overall active power losses (network and curtailment) can be obtained by accepting higher voltage variations. This is because by allowing higher voltages, the reactive power line flows and the required amount of curtailed active power generation can be reduced. Thus, one should carefully consider the consequences when setting absolute voltage boundaries.