Transformers can be described as ’slumbering giants’ in the electric power system. This marks transformers to be big and expensive parts of equipment. Calling them slumbering refers to the unused capacity in many of them. Dynamic Transformer Rating (DTR) is a concept to utilize this potential and wind power connected transformers have been identified as a well-fitting application due to the naturally limited capacity factor and the correlation of low ambient temperature and high wind speeds. Previous scientific work and a small number of applied projects show the feasibility and benefits of combining DTR and wind power. Wind power forecasting is a standard procedure for dispatch planning and electricity trading. This thesis project aims at combining both subjects and focuses on providing and analyzing a forecasting tool. At various forecasting steps Machine-Learning (ML) approaches are tested and evaluated. The developed tool is designed for and tested on a case study comprising an existing wind farm and transformer. It is shown that in many, but not all cases an overheating (exceeding of the Hot Spot Temperature (HST) limit) can be predicted. Applying DTR adds a level of uncertainty to wind power forecasts since not only the wind power but also the transformer capacity must be predicted. In this project however the wind power forecast is identified as the main source of uncertainty. / Transformatorer kan beskrivas som ‚sovande jättar‘ i det elektriska systemet eftersom transformatorer karakteriseras som stor och kostsam utrustning. Att kalla dem sovande hänvisar till den oanvända kapaciteten som finns i många. Dynamic Transformer Rating (DTR) är ett koncept för att använda denna potential och transformatorer kopplade till vindkraftsanläggningar blev utnämnd som en passande tillämpning på grund av deras begränsade kapacitetsfaktor och korrelationen mellan låga temperaturer och höga vindhastigheter. Tidigare vetenskapligt arbete och ett fåtal realiserade projekt visar genomförbarhet och fördelarna med kombinationen av DTR och vindkraft. Vindkraftsprognoser är något man vanligen använder inom driftplanering av vindkraftverk och elhandel. Detta examensarbete har som mål att kombinera båda metoderna och fokuserar på att framställa och analysera ett prognosverktyg. Olika tillvägagångssätt testas och evalueras vid de olika stegen som tas. Verktyget är skapat och testat på en fallstudie som i sig är baserad på data från existerande vindkraftverk och transformatorer. Det visar sig att man kan förutsäga överskridandet av Hot spot temperature (HST) vid många tillfällen men inte alla. Tillämpning av DTR lägger till osäkerheter till vinkraftsprognoser för att både kapaciteten på vindkraftverk och på transformatorn måste förutsägas. I detta projekt visade sig vinkraftsprognosen vara den största källan till osäkerhet.

Distribution system operators face the challenge to connect users rapidly to the grid and the opportunity to reduce costs for new connections. A method to enhance network operation and planning is dynamic transformer rating (DTR), which considers load and temperature variations to increase the rating of the transformer while maintaining in safe operation. This project investigates DTR application to an existing population of transformers connected to a wind park and proposes a method for adding new turbines to the grid using installed transformers. Five transformer locations and nine units belonging to E.ON AB are used to find the potential of DTR for network expansion. A weather analysis reveals that simultaneous high wind speeds and high temperatures seldom occur. An aging estimation based on the IEC 60076-7 standard shows that the transformers for wind power applications are underused. Considering the transformer thermal model, a sensitivity analysis shows that the parameters that mostly affect the aging rate are the moisture content, the hot spot factor, and the top-oil temperature rise. The maximum load to assure aging below 50 years is calculated for each transformer for different maximum hot-spot temperature levels showing that increasing the maximum allowed temperature reduces curtailment and increases aging. A single node analysis depicts the optimal expansion of wind power from a generator perspective, and a network analysis introduces further restrictions to the network. As a result, the optimal increase factor is around 30 to 50 % and is larger for higher hot-spot temperature limits. Accurate weather measurements and transformer parameters are necessary to make a proper estimation of transformer aging to unlock transformer potential. To use fiber optic temperature sensors in new transformers and on-site temperature measurements can increase the rating of the transformer. A maximum allowed temperature of 110◦C is conservative and limits the potential of the transformer for wind power applications. Finally, society benefits from DTR in wind power applications because there is a more efficient use of resources and additional renewable energy can be introduced to the network. / Eldistributionsnätet står inför en utmaning att snabbt ansluta användare till nätet och en möjlighet att miska kostnaderna i nya ansultnigar. En metod för att förbättra nätverksdrift och planering är dynamisk lastbarhet hos transformatorer, eller dynamic transformer rating (DTR). Metoden beaktar belastings- och temperaturvariationer för att öka transformatorns lastbarhet samtidigt som den upprätthåller säker drift. Detta projekt undersöker tillämpningen av dynamisk lastbarhet till en befintling population av transformatorer kopplade till en vindkraftpark och föreslår en metod för att ansluta ytterligare turbiner till nätet med hjälp av befintliga transformatorer. Fem transformatorplatser och nio enheter som tillhör E.ON AB används för att undersöka potentialen för DTR inom tillämpningar för nätverksexpansion. En vänderanalysis avslöhar att både höga vindhastigheter och temperaturer sällan uppstår samtidigt. En uppskattning av åldrandet baserad på IEC 60076-7-standarden visar att transformatorer för vindkraftstillämpningar är underanvända. Med avseende på den termisk transformatormodellen visar en känslighetsanalys att parametrarna som påverkar minskning av livslängden mest är fuktinnehållet, hot spot-faktorn och ökning av top-olja-temperaturen. Den maximala belastningen för att säkerställa en åldring under 50 år beräknas för varje transformator, för olika värden på den maximala hotspottemperaturen. Detta visar att med ökning av den maximala tillåtna temperaturen minskar produktionsbortfall och ökar åldrandet. En-nods-analys visar den optimala expansionen av vindkraft från en producents perspektiv, och en nätverksanalys introducerar ytterligare begränsningar för nätverket. Detta resulterar i en optimal ökningsfaktor på cirka 30-50% och är större för högre värden på den maximala hotspottemperaturen. Noggranna vädermätningar och transformatorparametrar är nödvändiga för att göra en korrekt uppskattning av transformatorns åldrande. Att använda fiberoptiska temperatursensorer i nya transformatorer och platsspecifika temperaturmätningar kan öka transformatorns lastbarhet. En maximal tillåten temperatur på 110 ◦C är för konservativ och begränsar transformatorns potential för vindkraftstillämpningar. Samhället drar fördel av DTR i vindkraftstillämpningar eftersom det leder till en effektivare resursanvändning och att ytterligare förnybar energi kan introduceras i nätverket.

In this project an experimental setup is designed to investigate the effect of intermittent load patterns in combination with moisture content on cellulose ageing. It is done by exposing groups of samples to different intermittent load patterns with varying frequency. A literature review is done on transformer insulation system and cellulose degradation. Various technical solutions to different aspects of the experimental design are reviewed. The final experimental setup is explained with the primary focus being on the hardware and programming of the controlling system. The controlling system consists of a Data Acquisition (DAQ) system from National Instruments and is programmed in LabVIEW. The controlling system is examined in two investigative tests where it performed satisfactorily. Three load patterns are developed. This project suggests how to prepare the samples and what direct- and indirect tests to apply to the insulation system for future analysis.Over the years, a considerable amount of scientific work has been devoted to understanding paper ageing in order to improve transformer diagnostics and investments for utility owners. However, transformer loading guidelines of today do not take intermittent load in combination with moisture content into account [1] [2]. Previous work suggests that the thermal models may be improved by looking into the effects of moisture content [3].The primary aim of the proposed experimental setup is to investigate whether an intermittent load pattern in combination with moisture content have a considerable detrimental effect on cellulose ageing. The intent is to contribute with new knowledge about transformer diagnostics and long-term possibly improve the current thermal models used for Dynamic Transformer Rating (DTR) which do not take this phenomenon into account. This would in particular benefit transformers with typically intermittent load patterns, e.g. a transformer connected to a wind farm or photovoltaic panels. Increasing renewable energy installations increase the need for developing the thermal models in the transformer loading guidelines to take unconventional load profiles into account. / I det här projektet utformas ett experiment för att undersöka inverkan av intermittenta lastmönster i kombination med fukthalt på åldrande av cellulosa. Detta görs genom att utsätta provgrupper för olika lastmönster med varierande frekvens. En litteraturgenomgång görs på transformatorisoleringssystem och nedbrytning av cellulosa. Olika tekniska lösningar för olika aspekter av experimentets design ses över. Den slutliga utformningen av experimentet förklaras med fokus på hårdvara och programmering av kontrollsystemet. Kontrollsystemet består av ett system för datainsamling från National Instruments och programmeras i LabVIEW. Kontrollsystemet utvärderas i två undersökande test där det förfor på ett tillfredsställande sätt. Tre lastmönster till experimentet har tagits fram. Det här projektet föreslår hur man förbereder proverna och vilka direkta och indirekta test som kan göras för framtida analyser.Under åren har en betydande mängd vetenskapligt arbete ägnats åt att förstå pappersåldring för att förbättra transformatordiagnostik och investeringsunderlaget för nätägare. De industriella standarderna tar dock inte hänsyn till intermittent belastning i kombination med fukthalt [1] [2]. Tidigare arbete föreslår att de termiska modellerna möjligen kan förbättras genom att undersöka effekterna av fukthalt [3].Det huvudsakliga målet med den föreslagna experimentella uppställningen är att undersöka huruvida ett intermittent belastningsmönster i kombination med fukthalt har en betydande inverkan på pappersåldrandet. Föresatsen är att bidra med ny kunskap om transformatordiagnostik och för att om möjligt långsiktigt förbättra de nuvarande termiska modellerna som används till dynamiska lastbarhetsmodeller för transformatorer. Detta skulle särskilt gynna transformatorer med typiskt intermittenta belastningsmönster, t ex en transformator ansluten till en vindkraftpark eller solcellspaneler. Ökande antal av anläggningar för förnybar energi ökar behovet av att utveckla de termiska modellerna för att ta hänsyn till okonventionella lastprofiler.

Due to the increase in electrical demand and renewable penetration, electrical utilities need to improve and optimize the grid infrastructure. Fundamental components in this grid infrastructure are transformers, which are designed conservatively on the base of a static rated power. However, load and weather change continuously and hence, transformers are not used in the most efficient way. For this reason a new technology has been developed: Dynamic transformer rating (DTR). By applying DTR, it is possible to load transformers above the nameplate rating without affecting their life time expectancy. This project goes one step further and uses DTR for the short term and long term wind farm planning. The optimal wind farm is designed by applying DTR to the power transformer of the farm. The optimization is carried out using a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model. In respect of the transformer thermal analysis, the linearized top oil model of IEEE Clause 7 is selected. The model is executed for 4 different types of power transformers: 63 MVA, 100 MVA, 200 MVA and 400 MVA. As result, it is obtained that the net present value for the investment and the capacity of the wind farm increase linearly with respect to the size of the transformer. Then, a sensitivity analysis is carried out by modifying the wind speed, the electricity price, the lifetime of the transformer and the selected weather data. From this sensitivity analysis, it is possible to conclude that wind resources and electricity price are key parameters for the feasibility of the wind farm. / På grund av ökningen av efterfrågan av elektricitet och förnybara energin, elförsörgingsföretag måste förbättras och elnätets infrastruktur måste optimeras. Grundläggande komponenter i elnätet är transformatorer, som är designade konservativt efter en statisk märkeffekt. Laster och vädret ändras dock kontinuerligt, detta betyder att transformatorer inte används på de mest effektiva sätten. Av denna anledning har en ny teknik utvecklats: Dynamisk lastbarhet hos transformatorer (DTR). Genom att applicera DTR, gör det möjligt att belasta en transformator högre än märkdata utan att påverka den förväntade livslängden. Detta projekt går ett steg längre och använder DTR för kort och lång sikts vindkraftparkplaneringar. Den optimala vindkraftparken är designad genom att använda DLT på krafttransformatorn för vindkraftsparken. Optimeringen utförst med hjälp av Mixed-Integer Linear programming (MILP) modell. Gällande transformatorns termiska analys, så valdes den linjäriserade toppoljemodellen av IEEE Clause 7. Modellen var utförd för fyra olika krafttransformatorer: 63 MVA, 100 MVA, 200 MVA och 400 MVA. Resultatet blev att nettonuvärdet för investeringen och kapaciteten av vindkraftsparken ökade linjärt med avseende på storleken på transformatorn. En känslighetsanalys var utförd genom att ändra vindhastigheten, elpriset, livstiden av transformatorn och de valda väderdata. Från känslighetsanalysen så var det möjligt att dra slutsatsen att vindresurser och elpriset är nyckelparametrar för vindkraftsparkens genomförbarhet.

Dynamic Rating (DR) is usually associated with unlocking the capacity of power lines and transformers using available information on weather conditions. Our studies show that Dynamic Rating is a broad concept that requires further study and development. The capacity of the majority of power devices is highly dependent on the heat transfer properties of the materials which the devices are made of. To ensure correct power limits of the equipment, one must take into consideration not only the power load, but also ambient conditions, such as: temperature, wind speed, wind direction, solar irradiation, humidity, pressure, radiation into the atmosphere and magnetic losses. Dynamic rating is created as an alternative to standard constant rating that is designed with reference to extreme weather and load conditions. Some areas are more likely than others to experience extreme weather conditions, which have a chance of occurring only a few days per year for short periods of time. Such a distribution of weather parameters gives an opportunity to embed existing material properties of the power equipment and achieve a better utilization of the grid. The following thesis is divided into two simultaneous topics: Dynamic line rating and Dynamic transformer rating. The division is motivated by the importance of analysing the operation of the above-mentioned parts of the power network in greater detail. Power lines and transformers play a significant part in grid planning and have a potential to result in economic benefits when used with DR. The main focus of the doctoral project "Dynamic rating of power lines and transformers for wind energy integration" is on exploring potential ways to connect power generated from wind to the grid with the help of dynamic rating technologies. Therefore, great focus of the work lies on the analysis of DR connection of variable energy sources such as wind farms. The thesis presents the comparison of different line rating methods and proposes a new way of their classification. Evaluation of dynamic line rating application has shown the possibility to expand the power grid with additional capacity from wind power generation. Literature analysis and detailed evaluation of the conductor heat balance models have led to experimental evaluation of the convective cooling effect. The dynamic transformer rating application has shown a possibility to decrease the size of the power transformer without shortcoming in component availability. / <p>QC 20180423</p> / Dynamic Rating for Wind Power

In the present thesis an investigation is performed for the effect of moisture contenton the aging of the solid insulation for transformers that are dynamically loaded. Theinvestigation is based on a theoretical analysis and a model.First, a literature review is conducted on the basics of transformer operation, transformerinsulation and moisture in oil-paper systems. Furthermore, a model is developedbased on moisture equilibrium curves created by Oommen and MIT, moisture diffusionprocesses in oil-paper insulation systems and calculations for the aging of cellulose insulationfrom IEC 60076-7. The model represents an experimental system which is loadedon different load patterns that simulate dynamic loading. The aim of the model is toconclude whether the load patterns will cause the paper to age differently dependingon the frequency that the moisture migration phenomenon between paper and oil occurs.The result of the modeling part is that the aging process is affected by the load pattern,and that the higher the frequency the moisture migration phenomenon occurs within aloading cycle, the larger the impact on insulation degradation. This difference, though,is too small to be measured experimentally in terms of DP and it is suggested thatdifferent load patterns are used in the experiment than those used in the model, whichwill amplify the effect of moisture migration even further.Finally, experimental work is conducted in the thesis, which focuses on implementingthe LabVIEW design from previous work into hardware, debugging the system andpreparing the experimental set-up on practical matters that occurred in the lab. Somefinal work is required before the experiment is able to run, such as preparation of theexperimental units. / I detta examensarbete undersöks effekten av fuktinnehåll på åldring av fast isolationsmateriali transformatorer med dynamisk last. Arbetet är baserat på en teoretisk analysoch en modell.Först genomförs en litteraturstudie på grundläggande transformatorfunktion, transformatorisolationoch fukt i oljeimpregnerade papperssystem. Vidare utvecklas en modellbaserad på jämviktskurvor for fukt skapade av Oommen och MIT, fuktdifussionsprocesseri isolationssystem baserade på oljeimpregnerat papper och beräkning av åldringav cellulosaisolation från IEC 60076-7. Modellen representerar ett experimentellt systemsom lastas för att simulera dynamisk last. Målet med modellen är att avgörahuruvida lastprofilen påverkar åldrandet av pappret beroende på frekvensen av fuktmigrationenmellan papper och olja.Resultatet av modelleringen är att åldrandet påverkas av lastprofilen och desto oftarefuktmigrationen sker inom en lastcykel, desto större är effekten på isolationsdegraderingen.Skillnaden är dock för liten att mäta experimentellt med avseende på DP och andralastprofiler föreslås i framtida experiment, för att förstärka effekten av fuktmigration.Slutligen utförs experimentellt arbete som fokuserar på implementation av LabVIEWdesignenfrån tidigare arbete i hårdvara, felsökning av systemet samt förberedelse av denexperimentella installationen för praktiska bekymmer som uppstått i laboratoriemiljön.En liten mängd arbete återstår före experimentet kan utföras, såsom förberedelse av deexperimentella enheterna.