Voltage-dependency of loads and its role in voltage control strategies

Abstract

En spenningsreguleringsstrategi kan sees på som et bevisst valg tatt av nettselskapet om å holde spenningene i nettet i den nedre eller øvre delen av det tillatte spenningsbåndet gitt i Forskrift om leveringskvalitet (FoL). Målet med en slik strategi kan være reduksjon av nettap, makseffekt eller energiforbruket til lastene som er knyttet til nettet. Hvordan nettet responderer på en gitt spenningsreguleringstrategi avhenger av nettopologien og komponenter i nettet i tillegg til spenningsavhengigheten til tilknyttedede laster. Kunnskap om lastens spenningsavhengighet er derfor avgjørende for å vurdere spenningsreguleringsstrategier.

Denne masteroppgaven undersøker spenningsavhengigheten til utvalgte elektriske husholdningsapparater. Målingene fra labratorieforsøkene brukes til å uttrykke apparatenes spenningsavhengighet ved hjelp av to mye brukte lastmodeller, nemlig ZIP-modellen og eksponentialmodellen. Begge modellene uttrykker aktivt og reaktivt effektforbruk som funksjon av påtrykt spenning. I oppgaven estimeres koeffisientene i lastmodellene med utgangspunkt i måledata fra labforsøkene ved hjelp av kurvetilpasning (minste kvadraters metode).

Apparatene som testes er: • Induksjonsovn • Panelovn • Varmepumpe • Vaskemaskin • Tørketrommel

Labforsøkene undersøker spenningsfølsomheten til apparatene og hvordan lastens karakteristikk endrer seg gjennom apparatenes driftssyklus og varierer mellom ulike innstillinger valgt av brukeren. Resultatene viser at lastkarakteristikken til apparatene avhenger av hvilken innstilling brukeren velger. Vaskemaskinen har svært ulik spenningsfølsomhet i ulike deler av vaskeprogrammet, mens induksjonsovnen har svært ulik spenningsfølsomhet for de ulike innstillinger brukeren av ovnen kan velge mellom. Teknologien brukt i varmepumpen og tørketrommelen som er testet i forbindelse med oppgaven er annerledes enn teknologien som er mest vanlig i slike apparater. Lastkarakterisitkkene deres viser seg å skille seg vesentlig fra lastkarakterisitkkene til varmepumper og tørketromler som er basert på konvensjonell teknologi.

Nettselskap forsyner ulike typer kunder med ulike typer elektriske apparater. For nettselskapet er det vanligvis den aggregerte lasten som er av interesse. Dette gjelder også for vurdering av spenningsreguleringsstrategier. Derfor er problemstillinger knyttet til aggregering av last tatt med i denne oppgaven. Aggregering av last er særlig interessant og utfordrende når spenningsreguleringsstrategier skal implementeres i nett med betydelig andel termostatstyrt last eller andre laster med innebygde reguleringssløyfer.

For termostatstyrte laster er det ikke tilstrekkelig å undersøke hvordan effektforbruket til lasten påvirkes av en spenningsendring umiddelbart etter at spenningsendringen finner sted. Siden spenningen også påvirker driftssyklusen til termostaten - altså hvor lenge lasten står på om gangen før termostaten slår den av - må man ta hensyn til hvordan virkningen av spenningsendring er over tid. Denne masteroppgaven presenterer et eksempel på hvordan man kan simulere virkningen av spenningsregulering på en aggregert last bestående av termostatstyrte varmtvannsberedere. Resultatene fra simuleringene indikerere at den aggregerte lastens maksimaleffekt reduseres ved høyere spenningsnivå. Dette er interessant siden spenningsreguleringsstrategier implementert av nettselskap i andre land antar en positiv spenningsavhengighet (altså at effektforbruket reduseres ved lavere spenningsnivå).

Lasters spenningsavhengighet er avgjørende for utfallet av en spenningsreguleringsstrategi. Denne oppgaven kan gi innsikt i spenningsavhengingheten til et utvalg husholdingsapparater og hvordan denne kunnskapen kan brukes for å lage aggregerte lastmodeller og til å vurdere spenningsreguleringsstrategier. Videre gir oppgaven oversikt over konseptet spenningsreguleringsstrategi og gjennomgår strategier som er implementert i distribusjonsnett.

A voltage control strategy can be defined as a deliberate choice made by the distribution system operator to keep voltages in the network in the lower or higher part of the allowed voltage band defined in voltage quality standards. The goal of implementation of a strategy can be reduction of network losses, peak power or the energy demanded by the loads in the network. The response of a given network to a voltage control strategy depends on the network topology and network components as well as the voltage-dependency of the connected loads. Knowledge about loads’ dependency on voltage is therefore crucial for assessment of voltage control strategies.

Different load types respond differently to voltage changes.This thesis investigates the voltage-dependency of selected household appliances by laboratory experiments. The measurements obtained from the laboratory are used to express the voltage-dependency of the tested loads by two commonly used load models, namely the ZIP model and the exponential model. Both models capture the voltage-dependency of the modelled load. The load model coefficients are estimated from the laboratory test data by utilising curve fitting techniques.

The tested devices are: • induction cooktop • electrical space heater (resistance heater) • heat pump • washing machine • tumble dryer

The laboratory tests examine the voltage dependency of the tested devices and investigate how the load behaviour changes through the operation cycles of the loads and varies with user-defined settings. It is found that the load behaviour changes between different user-defined settings. The washing machine exhibits fundamentally different load-to-voltage behaviour in different part of the operation cycle, while the induction cooktop shows fundamentally different voltage-dependency depending on the user-defined setting selected for the cooking application. Moreover, the heat pump and tumble dryer tested feature technology which is not common in conventional heat pump and tumble dryers. Their load behaviour differs significantly from load behaviour of the conventional-technology heat pumps and tumble dryers found in literature.

For the DSO, generally the aggregate effect of several individual customers and appliances is of interest. Also for assessing the response of a potential voltage control strategy, the aggregate response of all appliances connected and used at a given period in time is the main concern. Therefore, this thesis also addresses how the knowledge about behaviour of individual loads can be used to make aggregate load models. This is especially interesting and challenging when voltage control strategies shall be implemented in a network with considerable shares of closed-loop loads connected to it.

Closed-loop loads are loads containing one or more control loops, typically thermostat controls for controlling the duty-cycle of heating and cooling loads. For such loads, it is not enough to examine the loads’ instantaneous response to voltage change. By the fact that the applied volt-age influences the duty-cycle of the load, one need to take into account how the voltage scheme influences the aggregate effect of the change in the duty-cycles of the appliances. In the thesis one example of a simulation of the aggregate effect of thermostatically controlled water heaters for different applied voltages is included. The result of the simulation indicates that peak power demand can be reduced by applying higher voltages. This is interesting since voltage control strategies implemented by DSOs in other countries exploits the positive load-to-voltage depend-ency of the load by reducing voltage to achieve reduction in power and/or energy demand.

Voltage-dependency of loads plays a key role in determining the outcome of a given voltage control strategy. This thesis can provide insight in voltage-dependency and load behaviour of selected household appliances and in how this knowledge can be used for load model aggregation and assessment of voltage control strategies. Further, it provides an overview of the concept of voltage control strategies and reviews strategies implemented by DSOs.