A Robust coordinated voltage control in low voltage networks validated through an experimental study : Collaboration of an on-load tap changer and a battery energy storage

Currently and in the future, the structure and the control methods of the electricity distribution network are going through changes. The traditional network design principles that have guaranteed sufficient network operation in the past, are not optimal to face the challenges and the possibilities of new technologies. The core principle of electricity distribution has been that electricity is produced in centralized units and then distributed to a customer through a transmission and distribution network. However, with the increase of renewable energy technologies, this distributed generation (DG) has moved part of the generation to the distribution grid. While thermal constraints can only be coped with reinforcing the network, curtailment or an energy storage, more advanced and cost-efficient solutions are available for the overvoltage problem. To take advantage of these solutions, traditional passive voltage control needs to change towards an active one. When the DG exceeds the load at a consumer supply point, electricity is transmitted from the customer to the grid, creating a reverse power flow. The reverse power flow can cause the voltage at the customer supply point to rise over the tolerated limits. This thesis proposes a robust centralised voltage control (CVC) method for low voltage (LV) networks as a solution for the overvoltage problem. The CVC method coordinates operation of an on-load tap changer transformer (OLTC) at a secondary substation and a redox flow battery energy storage (BES) at a customer supply point in a LV network. This method can also be extended with additional components, such an inverters of DG. This thesis compares the CVC method developed in this thesis with other OLTC-based solutions. The compared solutions are a remote-control method and a fixed set point control method. The comparison is done based on results of the laboratory experiments. The experiments compared the CVC and the fixed set point control in six different test conditions. The comparison shows that both the CVC and the fixed set point control are able to increase the hosting capacity of a LV network. Both control methods are sufficient in order to neglect negative effect of MV variations, but the CVC is able to manage this with less tap changes. The CVC is able to detect and correct voltage violations that the fixed set point control is not able to. The comparison between the CVC solely with an OLTC as available component and the CVC with an OLTC and a BES cooperation show that the latter is available to solve wider range of voltage variations.Jakeluverkon rakenne ja toimintaperiaatteet ovat käymässä läpi murrosta. Perinteiset sähkön jakeluverkon suunnitteluperiaatteet eivät ota huomioon uusien teknologien tuomia haasteita ja mahdollisuuksia. Perinteisin sähkön jakeluverkon toimintaperiaatteen mukaan sähkö on tuotettu keskitetysti voimalaitoksissa. Sähkön jakeluverkko on toiminut vain sähkön välittäjän asiakkaalle. Uusiutuvien sähköenergian tuotantoteknologioiden käyttöönotto on kuitenkin siirtänyt osan tuotannosta sähkön jakeluverkkoon. Mahdolliset termiset rajoitteet voidaan vaativat ratkaistakseen verkon vahvistamista, tuotannon rajoittamista tai energiavarastoja. Jännitteen nousuongelman ratkaisemikseni on olemassa kehittyneempiä ja taloudellisempia ratkaisuja. Näiden käyttöönotto vaatii sähkön jakeluverkon suunnittelu ja toimintaperiaatteiden muuttamista perinteisestä passiivisesta lähtökohdasta aktiiviseen. Jos hajautettu tuotanto asiakkaan liityntäpisteessä ylittää asiakkaan kuormituksen, ylimääräinen tuotettu teho siirtyy asiakkaalta jakeluverkkoon päin. Tämä aiheuttaa jännitteen nousua asiakkaan liityntäpisteessä, joka voi aiheuttaa laitteiden toimimattomuutta tai hajoamista. Tässä diplomityössä ratkaisuksi jännitteennousu ongelmalle pienjänniteverkoissa esitettään keskitettyä jännitteensäätöä. Keskitetty jännitteensäätö ohjaa käämikytkimellä varustetun pienjänniteverkon syöttömuuntajan ja asiakkaan liittymispisteessä sijaitsevan energiavaraston toimintaa. Toimintaa voidaan laajentaa myös hajautetun tuotannon ohjaamiseen. Tässä diplomityössä vertaillaan keskitetyn jännitteensäätöä muihin jännitteensäätö ratkaisuihin, jotka perustuvat käämikytkimellä varustettuun pienjänniteverkon syöttömuuntajaan. Vertailtuja ratkaisuja ovat etä- ja paikallismittaukseen perustuvat ohjaustavat. Vertailu tehtiin laboratoriomittauksien perusteella. Mittaukset vertailivat jännitteensäätötapoja kuudessa eri olosuhteissa. Vertailu osoitti, että kaikki käämikytkimellä varustettuun pienjänniteverkon syöttömuuntajaan perustuvat jännitteensäätötavat lisäsivät pienjänniteverkon kapasiteettiä hajautetulle tuotannolle. Vertaillut jännitteensäätötavat pystyivät poistamaan keskijänniteverkon jännitteenvaihtelun vaikutukset pienjänniteverkon jännitteeseen. Keskitetty jännitteensäätötapa teki tämän muita vähemmillä käämikytkimen asennon muutoksilla. Keskitetty ja etämittauksiin perustuva jännitteensäätötapa pystyvät havaitsemaan jännitteen sallitun jänniterajan ylitykset, joita paikallismittauksiin perustuva jännitteensäätö tapa ei pystynyt. Keskitetty jännitteensäätötapa pystyy syöttömuuntajan ja energiavaraston koordinoinnilla ratkaisemaan etämittauksiin perustuvaa jännitteensäätöä laajemmat jännitevaihtelut