Enhancing the energy efficiency of low voltage distribution grids through active voltage regulation

Abstract

Etterspørselen etter elektrisk energi øker kontinuerlig. Etter hvert som forsyningen i kraftnettet øker, øker også nettapene. Dette utgjør en betydelig økonomisk konsekvens for nettselskaper. Samtidig blir bærekraft stadig mer sentralt, med storskala implementering av distribuerte energikilder. Videre understreker dette behovet for å redusere energiforbruket og forbedre energieffektiviteten. Med utviklingen av nye og smartere laster endres også oppførselen til apparatene. Til tross for omfattende forskning på energieffektivitet, er det fortsatt rom for videre forskning på hvordan aktiv regulering av spenningsnivået i distribusjonsnettet kan redusere nettap og problemer med forbruktsmønsteret, og dermed forbedre energieffektiviteten. For å adressere dette gapet, er problemstillingen i denne studien formulert som: "Hvordan kan aktiv spenningsregulering i et distribusjonsnett preget av distribuerte energikilder og smarte laster redusere strømforbruk og tap, og dermed forbedre energieffektiviteten?".

For å undersøke denne problemstillingen er det gjennomført både simuleringer og laboratoriemålinger. Simuleringene var basert på et reelt lavspent distribusjonsnett i Midt-Norge. Laboratorieoppsettet inkluderte et faktisk smarthus tilkoblet det nasjonale smartgrid-laboratoriet i Trondheim, som ble forsynt gjennom en lavspent distribusjonstransformator og kraftledninger. Målet med både analysen av det virkelige nettet gjennom simuleringer og laboratorieoppsettet var å undersøke de faktiske utfordringene nettselskapene står overfor ved håndtering av et økende antall smarte laster og distribuert produksjon i distribusjonsnettet. Simuleringene viser at lastforbruket øker med høyere spenningsnivåer. Dette ble imidlertid ikke konsekvent observert i laboratoriemålingene, da flere apparater avvek fra forventet oppførsel, muligens grunnet interne kontrollsystem og forskjeller mellom omkringliggende forhold. På motsatt side viser laboratoriemålingene at tapene i distribusjonsnettet øker med høyere spenningsnivåer, hovedsakelig grunnet transformatoren. Simuleringene viser noen avvik angående tap, spesielt ved storskala integrering av elbiler og under perioder med lav etterspørsel. Dette skyldes tilfeldigheten i simuleringene. Generelt indikerer resultatene at et lavere spenningsnivå stort sett vil redusere strømforbruket og tapene, og dermed forbedre energieffektiviteten.

The demand for electrical energy is continuously increasing. As the supply within the power grid expands, so do the losses. This poses a significant economic consequence for distribution system operators (DSOs). Concurrently, sustainability is becoming increasingly central, with large-scale implementation of distributed energy resources (DER). Moreover, emphasizes is on the need to reduce energy consumption and enhance energy efficiency. With the development of new and smarter loads, controllers are changing the behavior of the apparatus. Despite extensive research on energy efficiency, there remains a lack of studies on how active voltage regulation in the distribution grid can mitigate network losses and issues with load consumption patterns, thereby improving energy efficiency. To address this gap, the research question posed in this study is: "How can active voltage regulation in a distribution grid characterized by DER and smart loads reduce power consumption and losses, thereby enhancing energy efficiency?".

To investigate this research question, the study involved analysis of a real distribution grid in the central region of Norway, as well as verification of the concept in an advanced laboratory setup. The laboratory setup included a model smart home connected to the National Smart Grid Laboratory in Trondheim, which was supplied through a low-voltage distribution transformer and power lines. The simulations demonstrate that load consumption increases with higher voltage levels. However, this was not consistently observed in the laboratory measurements, as multiple devices deviated from their expected behavior, possibly due to internal controllers and differences in surrounding conditions. In contrast, the laboratory measurements indicate that distribution grid losses increase with higher voltage levels mainly due to the transformer. The simulations show some deviations regarding the losses, particularly with large-scale integration of EVs and during periods of low demand due to randomness in the simulations. Overall, the results indicate that a lower voltage level generally reduces power consumption and losses, thereby enhancing energy efficiency.