Rapporten redogör för en solcellsanläggnings generering av reaktiv effekt samt för de växelriktarbaserade kontrollmetoderna P(U), Konstant Q, Konstant Cosφ, Cosφ(P), Q(P) samt Q(U) för reaktiv effektkontroll. Rapporten redogör även för möjligheterna till att utnyttja solcellsanläggningen till reaktiv effektkompensation för spänningsreglering för det lokala elnätet. Rapportens syfte är att specificera en eller flera kontrollmetoder som möter både solcellsanläggningens och det lokala elnätets reglerbehov.Rapporten behandlar relevanta elektriska storheter, ger en kort introduktion till Sveriges elnät, elområden samt metoder för frekvens- och spänningsreglering. Solinstrålningens variation samt vanligt förekommande komponenter i en solcellsanläggning kartläggs och rapporten diskuterar även vilka effekter en hög andel solel kan ha på ett elnät.Utgångspunkt för rapporten är HSBs solcellsanläggning i Strängnäs samt Strängnäs lokalnät. Efter samtal med Strängnäs lokalnät konstateras att elnätet inte är i behov av ökad reglerkapacitet för spänningsreglering, dock visar insamlat data att det finns ett reglerbehov för kapacitiv reaktiv effekt. Enligt insamlat data över HSBs solcellsanläggning konstateras att så även är fallet för solcellsanläggningen.Det är därmed fördelaktigt för både HSBs solcellsanläggning och Strängnäs lokalnät med reaktiv effektkompensation med induktiv reaktiv effekt. Eftersom solcellsanläggningen inte behöver ta hänsyn till lokalnätets spänning kan anläggningen välja att styra genereringen av reaktiv effekt med kontrollmetoderna Konstant Q, Konstant Cosφ, Cosφ(P) samt Q(P). Här har kontrollmetoderna Cosφ(P) samt Q(P) fördelen att genereringen av reaktiv effekt baseras på solcellsanläggningens produktion av aktiv effekt och kan därmed implementeras utan risk för att strypa produktionen av aktiv effekt.

Year 2040 the goal is to have a 100 % renewable Swedish energy system. Svenska kraftnät (Svk) predicts fully decommissioned nuclear power plants and an increased amount of connected wind power plants, especially offshore, year 2045. These kind of renewable power plants are non-synchronous and do not provide the grid with the same system stability services naturally as synchronous generators, such as nuclear power plants. With the increased number of renewables connected, one future challenge is to maintain the stability of the power grid. Grid stability can be divided into voltage-, frequency- and rotor angle stability.This thesis has investigated how large-scale offshore wind power plants (OWPPs) can contribute with reactive power compensation and in turn voltage stability to a nearby onshore power grid in Sweden. The evaluation has been done from the perspective of the TSO and the OWPP owner interests, with a focus on grid codes, economic incentives and technical capabilities.This project has been made in three parts. First, a comparison of voltage stability control requirements in different European grid codes was made. Secondly, static power flow simulations of a case study of a 1000 MW OWPP have been performed in PowerWorld Simulator, testing the OWPP’s reactive power outputs under different circumstances. Thirdly, a market opportunity analysis has been completed, analyzing reactive power market opportunities for OWPPs as well as for TSOs.The study shows that the reactive power capabilities of the simulated OWPP is considerable higher than the Swedish grid codes requires. Thus, an opportunity is to make the grid codes stricter, in combination with economic incentives. The case study showed that the distance offshore has an impact of the reactive power reaching the grid onshore. Though, the OWPP’s contribution to local voltage stability onshore is considered as good. Finally, with short- and long-term contracts, a reactive power market can be favorable for both the OWPP owner and the TSO.

Vid Karlsborgsverken finns en vilja att byta ut en del av en större mängd äldre reläskydd inom bruket för att kunna integrera mot ett nätövervakningssystem. Detta med syftet att inhämta mer information om det egna mellanspänningsnätet. Sedan tidigare har man övervakning på endast ett av brukets flertalet mellanspänningsställverk. Arbetets målsättning var att se hur nätövervakning på mellanspänningsnätet inom industrin kan leda till ökad kännedom om det egna nätet, vilket då kan användas för förbättrad leveranssäkerhet och drift av anläggningen. För examensarbetet har studier av brukets elanläggning tillsammans med mätdata från elnätsföretaget samt de tillgängliga mätvärdena från nätövervakningssystemet använts. I rapporten presenteras ett förslag till strategi för utbyte av reläskydden för att uppnå olika nivåer av funktionalitet för brukets mellanspänningsnät. Från resultatet rekommenderas att införa mätnivåerna 1A tillsammans med 1B för att kunna övervaka de viktigaste effektflödena inom mellanspänningsnätet. På längre sikt bör man även byta ut de reläskydd som krävs för att uppnå mätnivå 2 och 3 som ger realtidsövervakning av förbrukningen på samtliga skenor. Utifrån mätdata från nuvarande nätövervakningssystem presenteras hur den inhämtade informationen kan användas för uppskattningar samt möjliga reservmatningar. Mätvärden tillhandahållna av elnätsföretaget användes för att visa hur en minskning av brukets kondensatorbatteri skulle vara effektiviserande genom en minskad överskridning av reaktiv effekt. Tillsammans med integrering av mätning och styrning via nätövervakningssystemet skulle den reaktiva effektexporten kunna minskas ytterligare. Mätningen ger även möjlighet att förbättra styrningen av turbingeneratorn för övergång till ödrift vilket även skulle höja leveranssäkerheten. / At Karlsborg's production unit there is a will to exchange a part of the plant’s older protection relays to be able to integrate with a grid supervision system. Were the purpose of the exchange being to collect and store more information about the plant’s medium voltage grid. Currently only one of the many substations in the medium voltage grid have a supervision system installed. The goal of the study was to see how supervision of the medium voltage grid of an industry could lead to more knowledge about the operation of the grid, which could be used for increased efficiency and reliability of the plant. To perform the study the plant’s electrical installation and measurement data from DSO and own grid supervision system was used. A strategy suggestion for the exchange of protection relays is presented in the essay with multiple stages for different levels of functionality for supervision of the medium voltage grid. From the results the implementation of measurement stages 1A and 1B is recommended for the ability to supervise the main power flows in the medium voltage grid. In the future it should be aimed to fulfill stages 2 and 3, as they give monitoring of all busbars. Measurements from the current supervision system is used to present possible ways for load estimates. Measurements from the DSO is used to predict that a decrease of the capacitor bank size would be an efficient way to minimize the exceed of reactive power. Implementation of measurements thru the supervision system together with switching of the bank, the export of reactive power can be decreased further. Which together with integration of measurements to a supervision system increases control and also gives the ability to improve the islanding function of the turbine generator which increases reliability.

On-load tap changers and static synchronous compensators (STATCOM) are the main components for voltage regulation and power quality optimization in the power system. STATCOMs are used in both industrial applications and utility to stabilize the grid and reduce downtime. STATCOM is based on power electronics that is put together as a voltage source converter. However, as STATCOMs are connected in shunt, they provide voltage regulation indirect, by the injection of reactive power. Which might be insufficient for emerging grid codes and power systems with less inertia. This thesis’s purpose is to investigate a series voltage source converter (SVSC), which is connected in series with the grid. Series connected devices may provide better voltage regulating capabilities than shunt devices with the same amount of reactive power compensation, as it can regulate the voltage directly. The SVSC can also be used for power system compensation and power flow control. The SVSC consists of a Chain-Link Modular Multilevel Converter that is connected directly in series with the power system without a coupling transformer. The SVSC injects a voltage in quadrature with the current through the SVSC, this gives the SVSC the ability to emulate a reactance, along with increasing the voltage. The maximum injected voltage from the SVSC is 30% of the system voltage. As the voltage is injected in quadrature with the current, the SVSC can change to voltage more if the power factor is low. The SVSC is able to keep the voltage on the load side constant in several different load and grid scenarios. Furthermore, the SVSC was able to emulate both a capacitance and an inductance, and control the active power flow. However, the SVSC was not able to regulate the voltage as desired when the power factor is close to 1. / Lindningsomkopplare och static synchronous compensators (STATCOM) är de huvudsakliga komponenterna för spänningsreglering och elkvalité optimering i elnätet. STATCOMs används i både industrin och av elnätsägare för att stabilisera elnätet och minska driftstopp. STATCOM är baserat på kraftelektronik som är byggt till en voltage source converter. I alla fall, eftersom STATCOMs är anslutna i shunt med elnätet, kan de endast spänningsreglera indirekt, genom att tillföra reaktiv effekt. Vilket kan vara otillräckligt med nya elnätsregler och elnät med lägre tröghet. Den här avhandlingens syfte är att undersöka en series voltage source converter (SVSC), som är ansluten i serie med elnätet. Enheter som är anslutna i serie med elnätet kan leverera bättre spänningsreglering än enheter som är anslutna i shunt med samma mängd reaktiv effekt kompensering. SVSC:n kan också användas för lednings kompensering och effektflödes kontroll. SVSC:n består av en Chain-Link Modular Multilevel Converter som är ansluten i serie med elnätet utan en kopplingstransformator. SVSC genererar en spännings som är i kvadratur med strömmen genom SVSC:n, det gör att SVSC kan emulera en reaktans, men även öka spänningen. Den maximala spänningen från SVSC:n är 30% av systemspänningen. Eftersom spänningen är i kvadratur med strömmen, så kan SVSC ändra spänningen mer om effektfaktorn är låg. SVSC:n kan hålla spänningen konstant på last sidan under flera olika last- och elnäts scenarier. Dessutom kunde SVSC:n emulera både en induktans och kapacitans, och kontrollera det aktive effektflödet. Men, SVSC:n kunde inte reglera spänningen som önskat när effektfaktorn var nära 1.

Bakgrunden till detta projekt är att Vattenfall Eldistribution AB (nedan kallat Vattenfall) kommer att införa ett avgiftssystem för inmatning av reaktiv effekt till sitt elnät. Avgiften införs till följd av problem på elnätet som orsakas av reaktiv effekt. Umeå Energi Elnät AB (nedan kallat Umeå Energi) har historiskt matat in reaktiv effekt vilket motiverade detta arbete som utreder den reaktiva effekten på Umeå Energis elnät samt bidrar med information om två alternativa tillvägagångssätt att bemöta avgiften. Alternativ 0 är att kompensationsutrustning inte installeras, utan att ett abonnemang på inmatning av reaktiv effekt upprättas. Alternativ 1 är att kompensationsutrustning installeras. För att utreda den reaktiva effekten erhölls och behandlades data på reaktiv effekt i Umeå Energis nät. Historisk kondensatordrift togs fram för år 2016 ur händelsehistoriken hos Umeå Energis driftcentral. Kondensatordriften år 2015 kunde enbart erhållas från ett tidigare arbete på Umeå Energi eftersom ett begränsat antal händelser lagras i händelsehistoriken. Genom att subtrahera kondensatorernas produktion från den reaktiva effekten i Umeå Energis anslutningspunkter som uppmätts av Vattenfall erhölls data som mer representerade underliggande fenomen på nätet. Utan kondensatordrift beräknades inmatningen enligt Vattenfalls definition uppgå till cirka 34 MVAr utifrån data från 2015 och 2016. För åren 2018 till och med 2023 beräknades ändringar i reaktiv effekt till följd av förändringar på Umeå Energis nät. Vid beräkningarna försummades ledningarnas induktiva karaktär, vilket gav ett tomgångsscenario med maximal produktion av reaktiv effekt. År 2023 beräknades inmatningen ska ha ökat till 59 MVAr till följd av förändringar på Umeå Energis nät. Med antagandet att Umeå Energi inte kommer att drifta kondensatorbatterierna så att inmatningen höjs föreslogs för alternativ 0 val av abonnemang på inmatning av reaktiv effekt för åren 2018 till och med 2023 utifrån de 34 MVAr som nämnts ovan och inverkan från förändringarna på nätet. År 2019 föreslogs ett abonnemang på 41 MVAr, och 2023 föreslogs ett på 59 MVAr. Kostnaderna för dessa beräknades enligt Vattenfalls tariff till 820 000 kr respektive 1 187 000 kr. Kostnaden för eventuell överinmatning av reaktiv effekt beräknades med tariffen för överinmatning årligen uppgå till maximalt 76 000 kr med 95 % sannolikhet enligt den korrigerade standardavvikelsen hos inmatningen utan kondensatordrift åren 2015 och 2016. Optimal kondensatordrift beräknades för åren 2015 och 2016 genom att addera den produktion av reaktiv effekt från befintliga kondensatorbatterier som gav minst absolutvärde i reaktiv effekt. Beroende på hur ofta kondensatordriften justerades erhölls olika resultat. En undersökning av störningar till följd av kondensatorkopplingar rekommenderas för att få en förståelse för förutsättningarna för optimal kondensatordrift. Det bedömdes inte ekonomiskt motiverbart med mer avancerad kompensationsteknik såsom statiska VAr-kompensatorer då variabla reaktorer kan kompensera dygns- och säsongsvariationer i reaktiv effekt. Den reaktiva effektproduktionen i ledningar är störst på 145 kV-nivån och kommer öka i framtiden på denna nivå. Det är därför sannolikt här kompensationsutrustning såsom reaktorer först bör installeras. För att kunna ta så bra beslut som möjligt angående den reaktiva effekten rekommenderas att snarast möjligt ingå ett arbetssätt som om avgiftssystemet redan tagits i bruk och utöka ett representativt dataunderlag. / The background of this project is that Vattenfall Eldistribution AB (hereinafter referred to as Vattenfall) will establish a system of fees for input of reactive power. This will be done due to problems in the grid caused by reactive power. Umeå Energi Elnät AB (hereinafter referred to as Umeå Energi) has historically input reactive power, motivating this work which investigates the reactive power in the grid of Umeå Energi and provides information on two alternative approaches to responding to the fee. Alternative 0 entails no installation of compensation technology, and that a subscription for reactive power input is established instead. Alternative 1 entails that compensation technology is installed. To investigate the reactive power, data on reactive power in the grid of Umeå Energi were obtained and processed. Historical operations of capacitor banks for the year 2016 were obtained from the history of events of the control center at Umeå Energi. The operations of the capacitor banks during 2015 could only be obtained from an earlier work at Umeå Energi since the number of events stored in the history is limited. By subtracting the capacitor banks’ production from the reactive power measured by Vattenfall in the connections of Umeå Energi, data more representative of underlying phenomena were obtained. Without capacitor production of reactive power, the input was calculated according to the definition of Vattenfall to about 34 MVAr, by using data from 2015 and 2016. For the years 2018 through 2023, changes in reactive power due to changes in the grid of Umeå Energi were calculated. These calculations did not consider inductances, and thus yielded zero-load scenarios with maximum reactive power production. By the year of 2023, the input was calculated to have increased to 59 MVAr due to changes in the grid of Umeå Energi. Assuming that Umeå Energi will not operate the capacitors so that the input is increased, for alternative 0 subscriptions for input of reactive power were suggested for the years 2018 through 2023 by considering the abovementioned 34 MVAr and the changes in the grid. Subscriptions of 41 MVAr and 59 MVAr were suggested for the years 2019 and 2023 respectively. The costs of these were calculated with the fee specified by Vattenfall to SEK 820,000 and SEK 1,187,000 respectively. Calculations with the applicable fee yielded that the yearly cost of possible over-input could amount to a maximum of SEK 76,000 with a 95 % probability, using the corrected standard deviation of the input without capacitor production of reactive power for the years 2015 and 2016. Optimal capacitor bank operations were calculated for the years 2015 and 2016 by adding the production of reactive power from existing capacitor banks which yielded the minimum absolute reactive power. Depending on how often the capacitors were operated different results were obtained. An investigation of power quality disturbances due to capacitor bank operations is recommended to achieve an understanding of the conditions for optimal capacitor bank operations. It was not deemed economically justifiable to install more advanced compensation technologies such as static VAr compensators since variable reactors are able to compensate daily and seasonal variations in reactive power. The production of reactive power in cables is the largest on the 145 kV level and will increase in the future on this level. It is therefore likely here compensation technologies such as reactors should be installed first. To be able to make as good decisions as possible concerning the reactive power, it is recommended to as soon as possible commence a working method as if the fee system had already come into effect; thus increasing the amount of representative data.

I projektet utreds möjligheterna kring att kunna kontrollera en generators reaktiva effektproduktion genom att styra magnetiseringsströmmen från en PLC. Som metod för styrning från PLC beslutades att en signal på 0-5V skulle användas. För att reglera magnetiseringen, och därmed i förlängningen den reaktiva effekten, beslutades att den befintliga manuella potentiometern skulle ersättas med två parallellkopplade digitala potentiometrar av typen MCP4261 som kontrollerades av en mikrokontroller. Att de digitala potentiometrarna skulle parallellkopplas beslutades efter en förstudie som visade på att det skulle resultera i en noggrannare reglering utan någon inskränkning på användbart reglerspann. Praktisk provning av mikrokontroller och digitala potentiometrar gav ett tillfredsställande och bra resultat med god upplösning. / This project investigates the possibilities of being able to control a generators reactive power production by controlling the excitation current from a PLC. As a method for controlling from PLC, it was decided that a signal of 0-5V should be used. In order to regulate the magnetization, and hence in the long term the reactive power, it was decided that the existing manual potentiometer would be replaced by two parallel-connected digital potentiometers of the type MCP4261 controlled by a microcontroller. The fact that the digital potentiometers would be connected in parallel was decided after a feasibility study which showed that in this way it would result in a more accurate regulation without any restriction on the usable control span. Practical testing of microcontrollers and digital potentiometers provided a satisfactory result with a good resolution.

Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Terco. Tercos PST 2220Transmission Line and Distribution Module fungerar som en fysisk modellav ett verkligt transmissions- eller distributionsnät där fem olika typer av nätmed avseende på längd, spänningsnivå och skenbar effekt är möjliga. Idagfinns ett behov av en modell där användaren kan ställa in dessa parametrarså att modellen mer precist kan spegla vilka egenskaper det specifika nätethar. Här undersöks hur längden och dess inverkan på en ledning kan varierasi en modell.En presentation av hur transmissions- och distributionsnät fungerar ochbeskrivs teoretiskt lägger grunden till den modell och de två approximationersom kan beskriva ett helt näts egenskaper.Då R, L och C komponenterna behöver kunna varieras för att fysisktkunna realisera denna teoretiska modell undersöks vilka metoder som dettakan genomföras på. För detta undersöks två tillvägagångssätt, kaskadkopp-lad pi-modell och variabel aktiv-passiv reaktans.Flera aspekter som utrymme, kostnad och variabilitet gör att varia-bel aktiv-passiv reaktans är att föredra. Dess funktion som en varierbarspänningskälla, uppbyggd av switchar styrda med reglerteknik och puls-breddsmodulering gör att komponenterna R, L och C och dess egenskaperoch inverkan på en transmissionslinje kan åstadkommas. Resultatet är attde nödvändiga R,L,C komponenterna går att variera i storlek för att kunnaingå i en varierbar transmissionsledningsmodell.Resultatet och målen säkerställs med simuleringar där variabel aktiv-passiv reaktans visas kunna vidareutvecklas och praktiskt testas för att mo-dellera transmissions- och distributionsnät med olika längd. Nyckelord. Variabilitet, Inverterare, Impedans, DC-AC, Pulsbreddsmodu-lering, Övertoner, Transmissionsledning, Spänningsfall, Reaktiv effekt. / This diploma work has been carried out on behalf of Terco. TercosPST 2220 Transmission Line and Distribution Module works as a physicalmodel of a real transmission and distribution grid where five different typesof networks based on length, voltage and apparent effect are available. Thereis today a need of a model where the user self can adjust these parameters sothat the model more precisely can reflect the characteristics that the specificgrid has. Here it’s investigated how the length and its impact on a line canbe varied in a model.A presentation of how the transmission and distribution grid works andare described theoretically provides the basics for the different models thatcan describe a whole network and its properties.Since the R, L and C components needs to be able to be varied to be ableto physically realize this theoretical model, the different methods that thiscan be realized through are investigated. Two approaches are investigated,the cascaded pi-model and variable active-passive reactance (VAPAR).A number of aspects like space, cost and variability makes the variableactive-passive reactance the most suited solution. Its function as a variablevoltage source, made out of an four switches, operated with control techno-logy and pulse width modulation, makes it possible to imitate R, L and Csproperties and effect on a transmission line. The result is that the necessaryR,L,C components are made adjustable in order to be incorporated in aadjustable transmission lin model.The result and the goal are verified with simulations where variableactive-passive reactance is proved able for further development and practicaltests to model transmission and distribution lines with different length. Keywords. Variability, Inverter, Impedance, DC-AC, Pulse width modula-tion, Harmonics, H-bridge, Transmission line, Voltage drop, Reactive effect.