Hajautetun sähkön pientuotannon ja varastoinnin vaikutukset pienjänniteverkkojen kuormittumiseen ja jännitteisiin

Abstract

Energiamurros ja yhteiskunnan sähköistyminen johtavat muutoksiin energian tuotannossa ja kuluttajien kulutuskäyttäytymisessä. Ilmasto- ja energiakriisit luovat painetta uusiutuvamman ja hajautetumman energiantuotannon lisääntymiseen. Sähköntuotannon hajautuminen muuttaa sähköjärjestelmän toimintaa perustavanlaatuisesti. Kuluttaja-asiakkaiden muuttuessa tuotantoasiakkaiksi kasvavien kiinteistökohtaisten aurinkosähköinvestointien myötä, osa tuotetusta energiasta syötetään väistämättä verkkoon. Tämä nostaa pienjänniteverkon jännitteen tasoa, joka puolestaan vaatii sähköverkolta yhä enemmän joustavuutta ja kykyä jännitteen hallintaan.

Tässä diplomityössä tutkitaan hajautetun aurinkosähkön pientuotannon ja varastoinnin vaikutuksia pienjänniteverkon jännitteenlaatuun. Tutkimus toteutetaan kirjallisuuskatsauksena ja aikasarjasimulaationa hyödyntäen OpenDSS-ohjelmistoa. Simulaatiossa käytetään Monte Carlo -menetelmää kuormitus- ja tuotantoprofiilien satunnaistamiseen todellisen AMR-mittausdatan ja säteilytietojen perusteella. Hajautetun tuotannon ja varastoinnin penetraatioastetta kasvatetaan tasaisesti simulaatioiden välillä.

Simulaatiot toistetaan kahdessa pienjänniteverkossa, jotka edustavat topologioiltaan heikkoa haja-asutusverkkoa ja jäykkää taajamaverkkoa. Simulaatioiden perusteella verkon oikosulkuvirta ja jännitejäykkyys ovat kriittisimpiä tekijöitä uusiutuvan energian integraation kannalta. Heikossa verkossa huippujännite saavutti 8,3 % nousun ja jäykässä verkossa 6,1 % nousun nimellisjännitteeseen verrattuna, kun muuntajan jännitettä oli korotettu 2,5 %. Akustojen ohjaus pyrki puhtaasti omakäyttöasteen maksimointiin. Tämän havaittiin leikkaavan korkeita jännitteitä huomattavasti, mutta huippujännitteiden osalta akustot eivät toimineet luotettavasti. Tulokset osoittavat, että älykkäämpi ohjauslogiikka ja loistehon säätö ovat tärkeitä tekijöitä hajautetun tuotannon jännitteen hallinnassa.

Energy transition and societal electrification are leading to changes in energy production and consumption behaviour. Climate and energy crises create pressure to increase the share of renewable, decentralized energy production. The decentralization of electricity production fundamentally changes the operation of the power system. As consumers become prosumers through increasing investments in residential solar PV systems, a portion of the produced energy is inevitably fed into the grid. This raises the voltage level of the low voltage network, which in return requires increasing flexibility and voltage management capabilities from the power grid.

This thesis investigates the impacts of distributed solar PV generation and storage on the voltage quality of the low voltage network. The research is conducted as a literature review and time-series simulation using OpenDSS software. The simulation uses the Monte Carlo method to randomize the load and production profiles based on actual AMR measurement data and solar radiation records. The penetration rate of distributed generation and storage is increased incrementally between simulations. The simulations are repeated in two low voltage networks representing a weak rural grid and a stiff urban grid.

Based on the simulations, the grid’s short circuit current and voltage stiffness are the most critical factors for the integration of renewable energy. In the weak grid, the peak voltage reached a rise of 8,3 % and in the stiff grid a rise of 6,1 % compared to the nominal voltage when the transformers voltage was increased by 2,5 %. The battery control was purely aimed at maximizing the self-consumption rate. This was observed to significantly cut the high voltages but proved unreliable for cutting the peak. The results indicate that smarter control logic and reactive power compensation are essential for voltage regulation as the amount of distributed generation increases.