The use of electricity from Distributed Energy Resources like wind and solar powerwill impact the performance of the electricity network and this sets a limit to theamount of such renewables that can be connected. Investment in energy storage andcommunication technologies enables more renewables by operating the networkcloser to its limits. Electricity networks using such novel techniques are referred toas “Smart Grids”. Under favourable conditions the use of these techniques is analternative to traditional network planning like replacement of transformers orconstruction of new power line.The Hosting Capacity is an objective metric to determine the limit of an electricitynetwork to integrate new consumption or production. The goal is to create greatercomparability and transparency, thereby improving the factual base of discussionsbetween network operators and owners of Distributed Energy Resources on thequantity and type of generation that can be connected to a network. This thesisextends the Hosting Capacity method to the application of storage and curtailmentand develops additional metrics such as the Hosting Capacity Coefficient.The research shows how the different intermittency of renewables and consumptionaffect the Hosting Capacity. Several case studies using real production andconsumption measurements are presented. Focus is on how the permitted amountof renewables can be extended by means of storage, curtailment and advanceddistributed protection and control schemes. / Användningen av el från förnyelsebara energikällor som vind och sol kommer att påverka elnätet, som sätter en gräns för hur mycket distribuerad energiproduktion som kan anslutas. Investeringar i storskalig energilager och användning av modern kommunikationsteknologi gör det möjligt att öka andelen förnyelsebarenergi genom att nätet kan drivas närmare sina gränser. Elnät med sådana nya tekniker kallas ofta för ”Smarta Elnät". Implementering av sådana smarta elnät kan vara ett alternativ till traditionell nätplanering och åtgärder som utbyte av transformatorer eller konstruktion av nya kraftledningen.Nätets acceptansgräns är ett objektivt mått för att bestämma gränsen för nätets förmåga att integrera ny förbrukning eller produktion. Målet är att skapa större transparens och bidra till ett bättre faktaunderlag i diskussioner mellan nätoperatörer och ägare av distribuerade energiresurser. Denna avhandling utökar acceptansgränsmetoden för tillämpning med energilager och produktions nedstyrning och utvecklar ytterligare begrepp så som acceptansgränsen koefficienten.Forskningen visar hur varierbarheten hos olika förnyelsebara energikällor samverkar med förbrukningen och påverkar nätets acceptansgräns. Flera fallstudier från verkliga elnät och med uppmätt produktion och konsumtion presenteras. Fokus är på hur den tillåtna mängden förnyelsebara energikällor kan ökas med hjälp av energilagring, kontrollerad produktionsnedstyrning och med avancerad distribuerade skydd och kontroll applikationer. / Nicholas Etherden works at STRI AB (www.stri.se) in Gothenburg, Sweden. When he is not pursuing his half-time PhD studies he works as a specialist consultant in the field of Power Utility Automation, specialising on the IEC 61850 standard for power utility automation (today widely used in substations as well as some wind parks, hydro plants and DER and Smart Grid applications such as vehicle-to-grid integration). The author of this thesis received his Master of Science in Engineering Physics from Uppsala University 2000. Side tracks during his engineering studies included studies in theoretical philosophy, chemistry, ecology and environmental sciences as well as chairing the Swedish student committee of the Pugwash Conferences on Science and Worlds Affairs and later board member of the International Network of Engineers and of Scientists for Global Responsibility (INES) and chair of Swedish Scientists and Engineers Against Nuclear Arms. He has been a trainee at ABB in Västerås Sweden and spent six years as developer and team leader for the application development of a new relay protection family (ABB IED 670 series). In parallel to his professional work he studied power system engineering at Mälardalens University and travelled to all continents of the world. Since 2008 he is responsible for the STRI IEC 61850 Independent Interoperability Laboratory and a member of IEC Technical Committee 57 working group 10 "Power system communication and associated data models” and UCA/IEC 61850 User group testing subcommittee. He is co-author of IEC 61850-1 and main contributor to “Technical Report on Functional Test of IEC 61850 systems” and has held over 25 hands-on courses around the world on IEC 61850 “Communication networks and systems for power utility automation”. / SmartGrid Energilager

This thesis develops methods to increase the amount of renewable energy sources that can be integrated into a power grid. The assessed methods include i) dynamic real-time assessment to enable the grid to be operated closer to its design limits; ii) energy storage and iii) coordinated control of distributed production units. Power grids using such novel techniques are referred to as “Smart Grids”. Under favourable conditions the use of these techniques is an alternative to traditional grid planning like replacement of transformers or construction of a new power line. Distributed Energy Resources like wind and solar power will impact the performance of the grid and this sets a limit to the amount of such renewables that can be integrated. The work develops the hosting capacity concept as an objective metric to quantify the ability of a power grid to integrate new production. Several case studies are presented using actual hourly production and consumption data. It is shown how the different variability of renewables and consumption affect the hosting capacity. The hosting capacity method is extended to the application of storage and curtailment. The goal is to create greater comparability and transparency, thereby improving the factual base of discussions between grid operators, electricity producers and other stakeholders on the amount and type of production that can be connected to a grid.Energy storage allows the consumption and production of electricity to be decoupled. This in turn allows electricity to be produced as the wind blows and the sun shines while consumed when required. Yet storage is expensive and the research defines when storage offers unique benefits not possible to achieve by other means. Focus is on comparison of storage to conventional and novel methods.As the number of distributed energy resources increase, their electronic converters need to provide services that help to keep the grid operating within its design criteria. The use of functionality from IEC Smart Grid standards, mainly IEC 61850, to coordinate the control and operation of these resources is demonstrated in a Research, Development and Demonstration site. The site contains wind, solar power, and battery storage together with the communication and control equipment expected in the future grids.Together storage, new communication schemes and grid control strategies allow for increased amounts of renewables into existing power grids, without unacceptable effects on users and grid performance. / Avhandlingen studerar hur existerande elnät kan ta emot mer produktion från förnyelsebara energikällor som vindkraft och solenergi. En metodik utvecklas för att objektivt kvantifiera mängden ny produktion som kan tas emot av ett nät. I flera fallstudier på verkliga nät utvärderas potentiella vinster med energilager, realtids gränser för nätets överföringsförmåga, och koordinerad kontroll av småskaliga energiresurser. De föreslagna lösningarna för lagring och kommunikation har verifierats experimentellt i en forskning, utveckling och demonstrationsanläggning i Ludvika. / Godkänd; 2014; Bibliografisk uppgift: Nicholas Etherden är industridoktorand på STRI AB i Göteborg. Vid sidan av doktoreringen har Nicholas varit aktiv som konsult inom kraftsystemsautomation och Smarta Elnät. Hans specialitet är IEC 61850 standarden för kommunikation inom elnät, vindkraftparker och distribuerad generering. Författaren har en civilingenjörsexamen i Teknisk fysik från Uppsala Universitet år 2000. Under studietiden läste han även kurser i kemi, miljökunskap och teoretisk filosofi. Han var under studietiden ordförande för Student Pugwash Sweden och ledamot International Network of Engineers and of Scientists for Global Responsibility (INES). Efter studietiden var han ordförande i Svenska Forskare och Ingenjörer mot Kärnvapen (FIMK). Han började sin professionella bana som trainee på ABB i Västerås där han spenderade sex år som utvecklare och grupp ledare för applikationsutvecklingen i ABB reläskydd. I parallell till arbete har han läst elkraft vid Mälardalenshögskola. År 2008 började han på STRI AB som ansvarig för dess IEC 61850 interoperabilitetslab. Han är på uppdrag av Svenska Kraftnät aktiv i ENTSO-E IEC 61850 specificeringsarbete och svensk representant i IEC tekniska kommitté 57, arbetsgrupp 10 som förvaltar IEC 61850 standarden. Han har hållit över 30 kurser i IEC 61850 standarden i fler än 10 länder.; 20140218 (niceth); Nedanstående person kommer att disputera för avläggande av teknologie doktorsexamen. Namn: Nicholas Etherden Ämne: Elkraftteknik/Electric Power Engineering Avhandling: Increasing the Hosting Capacity of Distributed Energy Resources Using Storage and Communication Opponent: Professor Joao A Peças Lopes, Faculty of Engineering of the University of Porto, Portugal Ordförande: Professor Math Bollen, Avd för energivetenskap, Institutionen för teknikvetenskap och matematik, Luleå tekniska universitet Tid: Måndag den 24 mars 2014, kl 09.00 Plats: Hörsal A, Campus Skellefteå, Luleå tekniska universitet / SmartGrid Energilager