Voltage Regulation in Low Voltage Distribution Grids - A Study of Different Technologies and Implementation of a VSC Based Series Regulator

Abstract

Lading av elbiler, induksjonskokeplater og laster med kraftelektronikk blir mer og mer vanlig i det norske lavspentnettet og trekker høy effekt over kortere tid. Dette introduserer nye utfordringer knyttet til spenningsproblemer grunnet tilstanden som mye av dagens distribusjonskabler og luftledninger befinner seg i. Gammel kraftinfrastruktur i lavspentnettet med høy kortslutningsytelse er svært vanlig i grisegrendte strøk, og alternative løsninger til reinvestering i nettet har i økende grad vært forsket på med målsetning om å utnytte den eksisterende nettinfrastrukturen bedre.\\

I denne masteroppgaven har et IT-basert lavspentnett blitt modellert i programvaren Simulink basert på data fra nettselskapet Elvia. To seriekoblede spenningsregulatorer, en Magtech Voltage Booster (MVB) og en Dynamic Voltage Restorer (DVR), er modellert og implementert i lavspentnettet. Starten av en standard trefase 4kVA induksjonsmotor er gjort ved en last lokalisert på sekundærsiden av de implementerte spenningsregulatorene, hvor responsen og regulatorenes effekt på spenningsprofilen i nettet under- og etter maskinstarten er analysert. Målet med oppgaven er å gi noen generelle anbefalinger for hvilke spenningsreguleringsteknologier som kan være aktuelle for ulike nettopologier basert på den R/X faktoren og kortslutningsytelsen.\\

Simuleringene som har blitt gjennomført viser at begge de modellerte spenningsregulatorene klarer å gjenopprette spenningen ved motorterminalene på sekundærsiden til 1 pu under motorstarten. Regulatorenes påvirkning i nettet ellers er derimot svært forskjellig, hvor MVB trekker store mengder reaktiv effekt. Dette fører til større spenningsfall lenger oppe i nettet, en trend som blir mer tydelig når R/X faktoren synker. Dette er ikke tilfelle med en DVR da den produserer den nødvendige reaktive effekten selv gjennom den interne kraftelektronikkløsningen. I tillegg kan den kompensere for manglende aktiv effekt gjennom energilageret, som er et viktig punkt, da denne regulatoren potensielt kan beskytte laster gjennom kortslutningshendelser eller større spenningsfall mye mer effektivt enn eksempelvis en MVB.\\

Installasjon av en DVR i lavspentnett med ensartede spenningsproblemer grunnet lav kortslutningsytelse hvor R/X faktoren i all hovedsak er resistiv anbefales i utgangspunktet ikke, siden spenningsstøtte via aktiv kompensering krever tilgjengelig kapasitet på energilageret. En spenningsbooster lignende MVBen kan da være et bedre alternativ, hovedsakelig grunnet den store investeringskostnaden til kraftelektronikkbaserte spenningsregulatorer med energilager. Dette er viktig siden målsetningen med disse installasjonene er å være et billigere og mer gunstig alternativ til store reinvesteringer i nettet.

These days, more power demanding equipment such as charging of electric vehicles (EV), induction cooktops and power electronics based devices are installed in low voltage distribution grids in every part of the country. This introduces potential problems regarding voltage quality due to the state of the overhead lines and cables supplying consumers, especially in rural areas where the trend of old infrastructure with low short circuit capacity is high.\\

In this thesis, a real IT-based low voltage distribution grid is modelled in the Simulink environment where two series-connected voltage regulators, the Magtech Voltage Booster (MVB) and the Dynamic Voltage Restorer (DVR), are installed and simulated during the start of an induction motor. By analysing the response and impact of the voltage regulators, the goal is to establish a set of guidelines for choosing the correct voltage regulation method followed by the grid's topology based on the R/X factor and short circuit capacity.\\

Through the simulations done, it is clear that both the modelled voltage regulators manage to control the voltage at the secondary side to 1 pu, supporting the induction machine in a way that the startup sequence finishes without problems. However, the MVB is consuming significant amounts of reactive power which leads to voltage drops upstream in the grid. This is further empowered if the network has an R/X factor lower than 1. The DVR on the other hand is producing the necessary amounts of active and reactive power needed to inject the correct voltage, without consuming from the grid due to the VSC and energy storage. This is an important point as the DVRs impact in the grid compared to the MVB is minimal and enables the DVR to theoretically fully protect loads for the safety of supply during short circuit contingencies and other great voltage sag events. \\

Installing the DVR in grids with a resistive R/X factor, however, is not ideal since the DVR cannot supply unlimited amounts of active power, and is significantly more expensive than other installations such as the MVB - and the ultimate goal for these devices is to be a cheaper and more convenient alternative to a total reinvestment in the grid.