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.

The EU has concluded that it needs a fully functioning and integrated internal electricity market to face the challenges of integrating renewable energy sources into the electricity grid. The European Commission has created guidelines for what the legislation is supposed to contain to create such a market. The so called grid codes are today around ten codes which successively are being implemented in national legislation for all member states. They regard connection-, marketand operation of the electricity grid and consists of several legal requirements for all member states. This study is divided in three parts. In the first part challenges with more renewable energy sources are described and the technical strategies that are suitable to solve those challenges. The second part describes an analysis of the connection- and operational codes on behalf of Ellevio, a distribution system operator in Sweden. They are interested in how the new legislation will affect their work and which new costs that will appear. The third part contains an overall study about the German electricity system since they have a lot of renewable energy sources in their production. The purpose was to see how they have handled challenges within their grid and their view on the new legislation. The overall result in this study was that the grid codes will change the role for Ellevio, which in the following years will have to handle higher information flow between grid users and Svenska kraftnät, which is the transmission system operator in Sweden. An another result was that the technical strategies are included in the legal requirements of the codes and that the legal requirements have been influenced to a great extent by the current German legislation.

Variable renewable energy sources are today increasingly integrated in the power system as a step towards the renewable society. The large-scale introduction of converter-based energy sources brings challenges in terms of reduced damping to the power system due to the reduced number of synchronous generators. This can be manifested as high rate-of-change-of-frequency and decreased grid stability. To forestall this reduced performance, it is suggested that the grid-following control of today’s converters are restructured to a grid-forming control, enabling the converter to behave closer to a synchronous machine.   This thesis compares grid-following and grid-forming control and seeks to further describe this grid-forming behavior by applying a grid-forming control method on an energy storage enhanced STATCOM-system. A continuous time model and a linearized model based on state space representations are constructed in order to investigate the grid-forming behavior but also how the converter stability is affected by a restructure from grid-following to grid-forming control.   The results indicate that the investigated grid-forming control method displays a behavior similar to synchronous machines and incorporates the ability to provide frequency response services and so called “synthetic inertia” to the grid.  The results also show that the stability of the converter (the ability to provide a bounded output when the system is perturbed) is ensured when the control method is restructured from grid-following to grid-forming and that the investigated grid-forming method is stable also in weak grid situations.

En studie om frekvensderivataskyddens funktion, tillämpning och nödvändighet i det svenskakraftsystemet har genomförts. Frekvensderivataskydd används som ett skydd mot ödrift.Ödrift innebär att produktionsanläggningar upprätthåller driften av en mindre del av nätetäven då anslutningen till det större kraftsystemet försvinner. Studien initierades pågrund av att det rapporterats att frekvensderivataskydden löst ut obefogat. Undersökningenhar innefattat en litteraturstudie om ödrift, frekvensderivataskydd samt problematikenmed obefogade bortkopplingar. Vidare har en empirisk mätdataanalys genomförts för attestimera frekvensderivatans variationer i kraftnätet. Baserat på utförda laborationstestergjordes en korrelationsanalys för att tydligare fastställa skillnader i hur olika enheter mäterspänning och beräknar frekvensderivata. Från resultaten förs slutligen en diskussion omlämpliga inställningsområden och frekvensderivataskyddens nödvändighet. Resultat från den empiriska mätdataanalysen visar att den estimerade frekvensderivatani systemet som mest uppgår till 0,14 Hz/s. Utförda laborationstester visar att vid en konstantspänning detekterar frekvensderivataskydden inom angivna felmarginaler. I övriga fallpåverkas dock skydden av snabba spänningsförändringar som resulterar i att frekvensderivatanberäknas felaktigt. På grund av detta och stora skillnader i frekvensderivataberäkningmellan PMU-enheter och skydd är det svårt att definiera ett lämpligt inställningsområdeför att uppnå tillräcklig känslighet och stabilitet. Utförda analyser visar att om skyddenska erhålla en tillräckligt hög stabilitet måste en lång tidsfördröjning användas, uppskattningsvis0,5 s. Detta kommer dock försämra skyddens känslighet. I ett analyserat ödriftfallförändras frekvensen under en mycket kortare tidsperiod, ungefär 20 ms. Det innebär att ettfrekvensderivataskydd med denna tidsfördröjning missar att detektera ödriften. Däremotskulle ett frekvensskydd, förutsatt att frekvensen uppnår gränsvärdet och att en kortare tidsfördröjningän 0,5 s används, i detta fall lösa ut snabbare. Liknande ödriftfall med kortvarigfrekvensderivata är, i och med den stora utbyggnaden av produktion med låg svängmassa,ett troligt scenario. Med detta sagt kan frekvensderivataskydd med dagens tillämpade inställningaranses vara ett otillräckligt skydd mot vissa typer av ödrift. Dock kan frekvensochspänningsskydd kompletteras med frekvensderivataskydd som ett skydd mot ödrift. Ide fall där ödriften innehar med något högre svängmassa kan frekvensderivataskyddet dådetektera ödriften snabbare. En tidsfördröjning inställd på minst 0,5 s bör då användas föratt undvika obefogade utlösningar.

The electricity market is facing major changes in the coming years, with major production facilities that must be replaced and climate targets that are required to be met. The approach to the targets in the electricity market has been to invest in renewable energy, mostly in the form of wind power. However, it is an intermittent production type where production depends on weather conditions and planning cannot be predetermined. As a result, the price of electricity has varied a lot in recent years and has also become very low, which causes profitability challenges for the electricity producers. One consequence is the closure of four nuclear reactors due to lack of profitability. This creates a more uncertain environment for the Swedish industry, which is dependent on both low electricity prices and reliable power supply. A way to counter this has been the “Energy Agreement”, that partly aims to promote the use of nuclear power for their total technical service life. The electrical system will change until 2030 in many ways, but how this will go is difficult to predict. By creating three different scenarios that reflect likely future changes, it has been possible to draw conclusions about what is necessary to change for the electricity system to be robust and competitive in the future. These scenarios consider wind power, active nuclear reactors, export opportunities and future electricity prices. These three scenarios have included identification of the most important parameters that need to be changed or considered by 2030. These parameters have been divided into price issues, delivery security and taxes with subsequent proposals. The most important items under these are to maintain the marginal cost based pricing model, create incentives for flexibility of electricity users and for manufacturers to provide the power grid with inertia. These require special focus to create a robust and flexible system, but remaining points are required as well to handle these issues. These points resulted in a framework that should form the basis for decision making. The framework should also be used in its entirety to analyze situations that may arise during the transition from today's market to the future's renewable electricity system. / Elmarknaden står inför stora förändringar de kommande åren, med stora produktionsanläggningar som måste ersättas och klimatmål som förväntas uppfyllas. Tillvägagångssättet har på den svenska elektricitetsmarknaden varit att satsa på förnybar energi, mestadels i form av vindkraft. Det är dock ett intermittent produktionsslag där produktionen är väderberoende och inte går att planera. Elpriset har till följd av detta varierat mycket under de senaste åren och blivit väldigt lågt, något som orsakar lönsamhetsproblem för producenterna. Ett resultat av detta är stängningen av fyra kärnreaktorer till följd av bristande lönsamhet, vilket skapar en oroligare situation för den svenska industrin som är beroende av både låga elpris och en tillförlitlig eltillförsel. Ett sätt att möta konflikten mellan producenternas olönsamhet och industrins krav är Energiöverenskommelsen, som delvis syftar till att göra kärnkraften med konkurrenskraftig. Elsystemet kommer att förändras till 2030 på många vis, men hur detta kommer gå till är svårt att förutsäga. Genom att skapa tre olika scenarion som speglar troliga framtida förändringar, har det gått att dra slutsatser om vad som är nödvändigt att förändra för att elsystemet ska vara robust och konkurrenskraftigt även i framtiden. Dessa scenarion tar hänsyn till vindkraftsutbyggnad, aktiva kärnreaktorer, exportmöjligheter och framtida elpris. Dessa tre scenarion har inburit identifiering av de viktigaste parametrar som måste förändras eller tas i beaktande till 2030. Dessa har delats upp i prisfrågor, leveranssäkerhet samt skatter med efterföljande förslag. De viktigaste punkterna under dessa är att behålla marginalprissättningen, skapa incitament för flexibilitet hos elanvändare och för producenter att tillhandahålla svängmassa. Dessa kräver särskilt fokus för att skapa ett robust och flexibelt system, men resterande punkter behövs för att hantera dessa frågor. Dessa punkter resulterade i ett ramverk som bör ligga till grund för beslutsprocesser. Ramverket bör också användas i sin helhet för att analysera situationer som kan uppstå under omställningen från dagens marknad till framtidens förnybara elsystem.

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.