Det svenska elkraftsystemet har länge varit ett stabilt system med god elkvalitet och räknats som ett av de bästa kraftsystemen i världen. En mycket viktig faktor för stabiliteten är de systemtjänster som kärnkraftverk ger tack vare sina stora och synkront kopplade generatorer. Med ökad installation av icke-synkrona väderberoende kraftverk och samtidig avveckling av kärnkraftverk minskar dessa systemtjänster till kraftsystemet. Syftet med detta arbete är att undersöka vilka bidragande egenskaper kärnkraftverk ger till kraftsystemet avseende stabiliteten i det nordiska kraftsystemet då andelen icke-synkron elproduktion ökar. Att veta vad som gör kraftsystemet stabilt är viktigt för att rätt beslut ska tas angående framtida elproduktion. Resultatet från arbetet visar att kärnkraften har en stor betydelse för det nordiska kraftsystemets stabilitet. Kärnkraftverk bidrar med svängmassa, produktion och konsumtion av reaktiv effekt och effektdämpningar med sina dämpfunktioner. Det gör att kärnkraften bidrar till kraftsystemets frekvens-, spännings- och rotorvinkelstabilitet. Vid nedläggning av kärnkraftverk ändras kraftsystemets förutsättningar och de systemtjänster som kärnkraften bidrar med till kraftsystemet försvinner. Detta måste beaktas vid beslut om framtida elproduktion. / The Swedish electric power system has for a long time been one of the best power systems in the world regarding stability and power quality. An important factor for the stability is the property of the large synchronous generators used in domestic nuclear power plants. With an increasing amount of non-synchronous electric production and decommissioning of nuclear power, the stabilizing properties are reduced. The purpose of this thesis is to examine what contributing properties nuclear power plants have for the Nordic power system regarding stability in a situation with increasing amount of non-synchronous electric production. For future decisions it is of importance to know what causes stability in the power system. The study shows that nuclear power plants have a large significance for stability in the Nordic power system. With their synchronous generators nuclear power plants contribute with rotational inertia, production and consumption of reactive power and dampening of power fluctuations. With these properties, nuclear power plants contribute to frequency, voltage and rotor angle stability in the power system. As nuclear power plants are being shut down the conditions and properties of the power system is changed. For a continued stable and reliable power system, these changes must be recognized.

This research argues that a diesel-based isolated electrical system can be optimized byintegrating a high share of solar photovoltaic (PV) generation and that the frequencystability of such system can be improved by including the PV participation in frequencyregulation. A case study is developed in order to explore an island’s expansion of theinstalled generating capacity and its optimization. This study uses the tool HOMER tosolve the optimization problem and PowerFactory to verify the frequency stability of theproposed system. The PV integration allows for a reduction of diesel fuel consumption,emissions and generation costs. Additionally, in high PV penetration scenarios, the reducedinertia in such systems can lead to high frequency deviations that may trip the systemprotection. The study demonstrates that the instantaneous frequency deviation after a loadand generation imbalance can be reduced by designing the PVs to operate with an allocatedreserve and a decentralized time-based secondary frequency control. The frequency stabilitywas achieved after different disturbance scenarios under high PV penetration and reducedavailable inertia, indicating that high PV integration is economically and technically feasiblein small island grids. / I detta examensarbete studeras hur ett dieselbaserat och isolerat elsystem kan optimeras genom att integrera en hög andel solceller (PV) i elproduktionen och att frekvensstabilitet kan förbättras när PV användas i regleringen. En fallstudie har utvecklats under denna forskning för att analysera en ökning av den installerade generationskapacitet vid en ö samt hur detta kan optimeras. I denna studie användas verktyget HOMER för modeloptimering och PowerFactory för att testa den optimerade systemfrekvens stabilitet. Med PV generation kan diesel konsumption, utsläpp och kostnader minskas för hela systemet. En hög andel PV i generationen reducerar elsystemet totala svängmassa vilket kan ledda till avvikelser i systemfrekvensen som kan ursaka att skyddsystem aktiveras. Studien demonstrerar att den momentana systemavvikelsen efter en obalans kan reduceras genom att designa PV i systemet med en allokerad reserv och en decentraliserad och tidsbaserad sekundär frekvensreglering. Frekvensstabiliteten nåddes i olika obalans scenarier med hög andel solcellgeneration och misnkat svängsmassa. Detta tyder på att en hög andel PV integration är både ekonomisk- och tekniskt möjligt i mindre elsystem.

The Nordic power system is in a changing phase, with more power electronic interfaced connections, and HVDC connections to other synchronous areas, which impacts the frequency quality. This is a challenge for the transmission system operator of Sweden, Svenska Kraftnät, who, with the other Nordic transmission system operators, is responsible for the physical balancing of the Nordic power system. To ensure that the grid can maintain stable operation when power imbalances or a disturbance occur, the frequency quality is important to evaluate. According to the current measurement of frequency quality, minutes outside of the standard frequency band, the frequency quality in the Nordic power system has been deteriorating. The current measurement does not capture what impact the frequency quality and needs to be redefined, with more precise measurements, for Svenska Kraftnät to be able to take necessary actions to ensure stability of the power system. Therefore, the purpose of this project is to determine which key performance indices, KPIs, can be used to develop the definition of frequency quality, and which system parameters are captured by the different KPIs. This project is executed with simulations in Matlab/Simulink to determine the impact five system parameters have on 15 different KPIs, and the results from the simulations are validated with historical data. The results indicate that all system parameters can be captured with KPIs, but after validation with historical data only two system parameters, which correlated with four KPIs, were deemed to be valid. The amount of FCR-N energy activated can be captured with the standard deviation of frequency, frequency area, and number of FCR-D activations. The kinetic energy can be captured by the standard deviation of RoCoF. The KPIs are recommended to be used to identify, and measure, the impact of new technical requirements for frequency control, and how the frequency stability is impacted by changes in the system. The conclusion is that four key performance indices are recommended to improve the definition of frequency quality, and further research is recommended to further define the concept of frequency quality. / För tillfället sker stora förändringar i det nordiska elsystemet. Fler produktionsanläggningar och industrier ansluts med kraftelektronik och fler HVDC-anslutningar byggs till andra synkronområden, vilket har stor inverkan på frekvenskvalitén. Detta leder till nya utmaningar för det svenska transmissionsnätets systemansvariga myndighet, Svenska Kraftnät, som gemensamt med sina nordiska motsvarigheter är ansvariga för den fysiska balanseringen i det nordiska synkronområdet. Det är viktigt att kontinuerligt följa upp frekvenskvalitén i transmissionsnätet så att stabil drift kan garanteras både vid mindre obalanser eller i händelse av större störningar. Det nuvarande nyckeltalet för uppföljning av frekvenskvalité, minuter utanför normalbandet, indikerar att frekvenskvalitén i det nordiska synkronområdet har blir sämre de senaste åren. Det nuvarande nyckeltalet indikerar inte vad som påverkar frekvenskvalitén och behöver omdefinieras med mer precisa nyckeltal för att Svenska Kraftnät ska kunna vidta nödvändiga åtgärder för att garantera en stabil drift av transmissionnätet. Syftet med examensarbetet är att definiera nya nyckeltal för att beskriva frekvenskvalité samt undersöka vilka systemparametrar som fångas av de olika nyckeltalen. I detta projekt har simuleringar utförts i Matlab/Simulink för att bestämma den inverkan fem olika systemparametrar har på 15 olika nyckeltal. Resultaten från simuleringar valideras med historisk data. Resultaten från simuleringen indikerar att de fem systemparametrarna kan fångas av olika kombinationer av de föreslagna nyckeltalen, men efter validering med historisk data bedöms enbart två systemparametrar fångas av totalt fyra nyckeltal. Systemparametern aktiverad FCR-N energi fångas av tre nyckeltal: frekvensens standardavvikelse, frekvensarea och antal FCR-D-aktiveringar. Systemparametern kinetisk energi fångas av ett nyckeltal: frekvensderivatans standardavvikelse. De fyra identifierade nyckeltalen kan användas för att identifiera och mäta hur frekvenskvalitén påverkas av nya tekniska krav, samt hur frekvensstabilitet påverkas av förändringar i systemet. Slutsatsen för detta projekt är att fyra nya nyckeltal rekommenderas för att utveckla definitionen av frekvenskvalité. Vidare arbete rekommenderas för att kunna utveckla begreppet vidare.

Mauritius is an isolated island with ambitious targets for renewable energy generation and plans to invest in more solar power. The aim of this study is to assess how the implementation of photovoltaic technologies might affect the frequency stability in Mauritius and thus assess whether solar power can help the country obtain their targets for green energy generation. The research question is answered by conducting a literature study and simulating relevant scenarios in Matlab and Simulink. By simulating the frequency response for a production disturbance with different values for system inertia and PV capacity, the inertia requirements for frequency stability is assessed. Mauritius appears to have a high potential for increasing solar power generation. Based on the simulations, their electrical grid seems to be able to maintain frequency stability with PV capacity corresponding to the generation targets for 2020, 2025 and 2030, even for low amounts of system inertia. However, the significance of these results are called into question because of the varying quality of input data. With more accurate, specific data, the applicability of the results can be improved. Nevertheless, the study can be used as a guideline on how to use the given model to evaluate frequency stability in isolated power systems in island states. Ways to further this study is to evaluate other stability challenges related to PV production such as the reactive power in the system, voltage stability and rotor angle stability. / Mauritius är en isolerad ö som har sett en stor ekonomisk växt de sista åren. För att möta en ökande efterfrågan på el på ett hållbart sätt har Mauritius satt ambitiösa mål för förnybar energiproduktion som bland annat innebär betydande investeringar i solkraft. Målet med denna studie är att utvärdera hur implementeringen av utökad solcellskapacitet skulle kunna påverka frekvensstabiliteten i nätet på Mauritius och således fastställa ifall solenergin kan bidra till deras mål om ökad grön energiproduktion, utan att öka risken för strömavbrott. Frågeställningen besvaras genom att först utföra en litteraturstudie och sedan använda en matematisk modell, utvecklad av Danilo Obradovic från KTH, för att simulera relevanta scenarier i Matlab och Simulink. Simuleringarna visar frekvenssvaret vid produktionsbortfall som relateras till den mängd svängmassa som behövs för att säkerställa frekvensstabilitet vid olika mängder solceller. Litteraturstudien visar att Mauritius har god tillgång på solinstrålning och solceller verkar vara en lämplig teknologi för att utnyttja denna energin. Enligt de simuleringar som genomförts verkar Mauritius kunna bibehålla frekvensensstabilitet om den installerade solcellskapaciteten ökas till de planerade nivåerna i 2020, 2025 och 2030, även för låga värden på systemets svängmassa. Slutsatserna bör dock analyseras kritiskt då indatan som används för simuleringarna är av varierande kvalitet. Med bättre och mer specifik indata kan den föreslagna metodiken och modellen användas för att dra mer relevanta slutsatser för Mauritius. Metodiken som använts i denna studie kan därav ses på som en riktlinje för hur frekvensstabiliteten i isolerade elnät kan undersökas. Vidare kan studien utökas genom att utvärdera sociala och ekonomiska aspekter och även andra stabilitetsfrågor relaterade till en ökad mängd solceller, så som den reaktiva effekten i systemet, spänningsstabilitet och rotorvinkelstabilitet.

In the past decades, the renewable penetration in power systems has steadily increased, and is also expected to grow exponentially in the following years. Encountering this fast growing trend, the underfrequency load-shedding schemes, as the last resort of power systems in terms of frequency stability, have been implemented in a decentralized way where the settings are predefined and fixed. The purpose of the underfrequency load-shedding scheme is to disconnect a certain amount of loads to reduce load-generation imbalance following generator outages, while the renewable energy sources, implemented as distributed generation units can result in the situations where substantial amount of distributed generation can be disconnected together with loads at the same time. This can to some extent cancel out the effect of shedding loads, and in some extreme cases, aggravate frequency response. Apart from the impact of distributed generation, in some power systems there can be several areas where large amount of power is always exchanged in between. Inappropriate load-shedding amount and location can increase the risks of tie-line overloading, further resulting in tripping of tie-lines. In order to tackle these problems, an adaptive underfrequency load-shedding scheme was proposed which utilizes distributed feeder power measurements, measurements from distributed generation, as well as the SCADA system that serves as the main role of monitoring and control. The implementation of the proposed architecture is also explained in the thesis. The results exhibit that the proposed scheme is able to alleviate the stress of tie-line power flow to some extent following power outages, while also be affected by generation loss size and location. Besides, the proposed scheme also provides contribution to frequency stabilization by shedding less distributed generation. / Under de senaste decennierna har andelen förnybar produktion i elkraftsystem globalt ökat markant ökat och förväntas också fortsätta växa avsevärt under de kommande åren. Samtidigt med denna utveckling är det viktigt att beakta de systemvärn som består av belastningsfrånkoppling för frekvensåterställning som implementerats med fördefinierade inställningar på ett decentraliserat vis. Avsikten med ett sådant system värn är att koppla bort en viss mängd last för att undvika att frekvensen sjunker under tillåtna gränsvärden i samband med ett större fel, t.ex. att en större generator kopplas bort. Eftersom den förnybara produktionen ofta är distribuerad i nätet, kan en sådan från koppling av last dock medföra att stora mängder förnybar produktion kopplas bort samtidigt. Detta kan i vissa fall tänkas innebära att lastfrånkopplingen innebär en försämrings av frekvensen. Utöver effekterna på distribuerad produktion som ett systemvärn för lastbortkoppling kan ha, så kan det även innebära försämringar i kraftsystem bestående av flera områden, s.k. multiarea kraftsystem där enstaka förbindelser utgör flaskhalsar för överföringen. En olämpligt vald bortkoppling av last kan leda till överbelastning av de ledningar som går mellan områdena i kraftsystemet. I syfte att hantera bägge dessa problem föreslås i detta arbete en adaptiv lastfrånkopplingsmekanism som använder mätningar i distributionsnätet via SCADA systemet, vilket utgör basen i lösningen. Föreliggande rapport presenterar lösningen i detalj, resultaten visar att lösningen kan minska belastningen på förbindelserna mellan områden i ett kraftsystem för vissa fall. Dessutom bidrar den föreslagna lösningen till ett bättre bidrag till frekvensstabiliteten genom att en lägre mängd distribuerad förnybar kraft kopplas bort.