Dissertations / Theses on the topic 'Frekvensreglering'

Energibranschen i Sverige är under förändring och andelen intermittenta kraftslag ökar. Dessa kraftslag är svåra att styra över tid och därför ökar behovet av reglerkraft för att vidhålla nätstabiliteten. Den nominella frekvensen, 50 Hz, på elnätet påverkas när stora mängder energi kopplas in eller faller ifrån under kort tid utan att pareras på nätet. Med andra ord ökar nätfrekvensen om produktionen överstiger konsumtionen och minskar om förhållandet är omvänt. I Sverige används främst vattenkraft för att reglera frekvensen vilket förändrar driftmönstret hos en turbin. Den kontinuerliga regleringen för att hålla frekvensen stabil runt börvärdet kallas primärreglering vilket också är den aktivitet som förväntas öka slitaget mest. Denna studie utreder kostnader som orsakas av frekvensreglering, inriktat på primärreglering för vattenkraftverket Selsfors och dess aggregat G1, då det förändrade driftmönstret i turbinen förväntas bidra till ökade kostnader. Målet är att finna vilka kostnader som uppstår vid primärreglering och skapa en kostnadsmodell som kan användas för de aggregat som tillhandahåller primärreglering. Modellen skapades genom att modifiera en modell för uppskattning av start- och stoppkostnader. Grundidén med en sådan modell är att skilja på drift med och utan primärreglering och jämföra dem mot varandra. När detta sedan diskonteras till nutid kan en utvärdering av kostnaden ske. För att göra detta möjligt uppskattades livslängder och kostnader av experter eftersom mängden data för ändamålet är ytterst litet. För att få totalkostnaden för primärreglering adderas också andra aktiviteter så som exempelvis system- och administrationskostnader. Slutsatsen blev att endast 18 % av totalkostnaden kommer ifrån livstidsförkortning av komponenter och intäktsbortfall vid renovering medan 61 % kommer ifrån spotförädlingsförluster då driften optimeras mot både spotpriset och primärreglering. Detta går att diskutera då olika metoder för att dela upp olika kostnader kan göras. Exempelvis kan spotförädlingsförlusterna delas upp mellan alla primärreglerande aggregat vilket skulle sänka andelen för spotförädlingsförlusten till 38 % av totalkostnaden. Det föreligger en viss osäkerhet i uppskattningarna då mycket av studien baseras på experters uppskattningar. Vidare konstateras att mindre primärreglering kommer leda till ökat antal start och stopp samt att antalet timmar som ytnivån i magasinet varierar med 10 cm eller mer ökar. Detta bör också räknas in i sammanhanget.

Svenska Kraftnät is (together with the other transmission system operators of the Nordic power system) responsible for keeping balance between the generated and demanded power in the Nordic power system. Spontaneous load variations and system disturbances, however, lead to power imbalance followed by frequency variations. The frequency deviations can be limited to an acceptable level by the spinning reserve, mainly by hydro power control. But there are also other system properties which have a great influence on the frequency and system stability. The frequency and voltage dependence of the loads have a direct influence on the power balance. The load naturally decreases because of the frequency and voltage drop that occurs in case of a sudden drop of a generating unit. Moreover, the emergency power control of the HVDC-transmission is activated at lower frequencies. This Master thesis is based on studies performed with the simulation program PSS/E. The work results in a comprehensive investigation regarding the Nordic model of frequency control. The system design is of great importance in PSS/E. Therefore the turbines including their control systems and models for the frequency and voltage dependence of the loads are examined in detail. Further deeper analysis regarding the modelling of the spinning reserve in PSS/E is performed. New models are developed as an alternative to the existing model of the spinning reserve in PSS/E. Their effect on the power balance is examined to determine if the modification of the spinning reserve has any significant impact on the frequency control or stability of the system, that has to be considered before the new model is implemented in PSS/E.

Spelplanen för energiproducenter kommer inom de kommande årtionden förändras och företagen kommer ställas inför stora utmaningar. Kärnkraften kommer att fasas bort till 2040 enligt ett Regeringsbeslut, något som kommer kräva en utbyggnad av de förnyelsebara energikällorna som vind- och solkraft. Det är energikällor som har betydligt större variation där väder påverkar produktionen samtidigt som det är svårt att planera och prognostisera. Det kan således tillkomma och falla bort elproduktion på nätet under kort tid om det som exempel skulle sluta blåsa under en timme. Ett fungerande elsystem bygger på att det alltid ska finnas en balans mellan elproduktion och elanvändning. Denna balans mäts i frekvens på elnätet och Norden har en nominell frekvens på 50,0Hz, något som påverkas av ett underskott eller överskott av antingen produktion eller konsumtion. En utbyggnad i vind- och solkraft kan således ställa högre krav på vattenkraften som med sin goda planeringsförmåga fungerar utmärkt som frekvensreglerande kraftkälla. Inom vattenkraftsproduktion finns det två produktkategorier som energiproducenter kan sälja sin producerade el som normal drift och frekvensreglering, där den förstnämna är den som majoriteten av intäkterna står för. Eftersom det finns stora kostnader relaterade till slitage som uppstår i en turbin vid drift är det i Skellefteå Krafts intresse att studera de kostnader som är orsakade av frekvensreglering. För detta har olika utjämningsfunktioner utnyttjats för att klassificera data som antingen normal drift eller frekvensreglering, för att sedan beräkna vad frekvensregleringen motsvarar i slitage på ett aggregat. Skellefteå Kraft har i Augusti 2019 implementerat ett system som lagrar driftdata. Då en förväntad livslängd av en kaplanturbin är mellan 40 och 50 år krävdes det då mer data för att kunna dra rimliga slutsatser. Eftersom en begränsning finns gällande mängden av data, används omsamplinstekniken Block bootstrap för simulering av driftdata, vilket är nödvändigt för att kunna utföra en livslängdsanalys. Slutsatsen var att trots att frekvensreglering stod för drygt 95% av slitaget stod det endast för 8-9% av intäkterna, men att det ändå hade en vinstmarginal på 2-3 gånger kostnaden. En livslängdssimulering på 40 år medförde ett slitage på drygt 420 mikrometer för det Yttre löpskoveltappslagret (det lager som slits mest), vilket ligger inom rimligt slitage med hänsyn till designvärdet.

Dagens behov för energieffektivisering ställer höga krav på industrisektorn som anses vara den största energikonsumenten. Holmen AB är verksam inom massa- och pappersindustrin som är en energiintensiv bransch där sådana stora energianvändare som pumpapplikationer spelar en nyckelroll i produktionen. Denna studie genomfördes för att hjälpa företaget att undersöka vilka energi- och kostnadsbesparingar som kan förväntas om det befintliga pumpreglersättet ändras. Syftet med arbetet var att ta fram en metod för uppskattning av pumpenergiförbrukning, som skulle producera ett underlag för en jämförelseanalys av energiförbrukningen vid olika reglersätt. Studien fokuseras mest på centrifugalpumpar, som dominerar i industriell miljö på grund av sin robusta konstruktion, höga effektivitet och relativt låga behov för underhåll. Men det tillvägagångssätt som har använts i studien kan användas för bedömning av olika typer av pumpar och reglersätt eftersom det byggs på de grundläggande fluidmekanikslagarna. Tidigt i arbetet identifierades de viktiga parametrar som mest påverkar energiförbrukning i centrifugalpumpar och som krävs i beräkningar. Olika reglersätt diskuterades utifrån den befintliga litteraturen och forskningen. Uppskattning av energiförbrukning och energikostnader utfördes för två olika reglersätt, strypreglering och frekvensreglering. I arbetets sista skede jämfördes resultaten för de två reglersätten för att avgöra om det finns en potential för energi- och kostnadsbesparingar vid byte från strypreglering till frekvensreglering. Studiens resultat visar att övergång till frekvensreglering kommer att medföra energibesparingar och som följd besparingar i årliga driftkostnader samt LCC-kostnader. Storleken på besparingarna beror på minskning i varvtalet. Frekvensregleringen är mest lönsam då det önskade flödet skiljer sig mycket från det nominella flödet i systemet, men eventuell försämring av motor- och pumpverkningsgrad måste tas i beaktande. En mer utförlig analys av energiförbrukning vid olika flöden och olika typer av medier rekommenderas att utföras med användning av praktiskt uppmätta effektförbrukningsvärden.
Today's need for energy efficiency places high demands on the industrial sector, which is considered to be the largest energy consumer. Holmen AB is a pulp and paper producer. Pulp and paper production is an energy-intensive branch where pump applications consume large amounts of energy while playing a crucial role in the production process. This study was conducted to help the company investigate what energy and cost savings can be expected if the existing pump control method is changed. The purpose of the study was to develop an approach for estimating pump energy consumption, which would produce a basis for comparative analysis of energy consumption for different control methods. The study focuses mainly on centrifugal pumps, which dominate the industrial environment due to their robust construction, high efficiency, and relatively low maintenance needs. However, this study's approach can be used to assess different types of pumps and control modes as it is based on the fundamental fluid mechanics laws. At the beginning of the study, the key parameters that affect energy consumption in centrifugal pumps were identified to be later used in calculations. Pump control methods were discussed based on the existing literature and research. Estimation of energy consumption and costs was performed for two different control methods, throttle control, and frequency control. In the last stage of the study, two control methods were compared based on the energy consumption calculation to determine whether there is a potential for energy and cost savings when switching from throttle control to frequency control. The results show that usage of frequency control would lead to energy savings and, therefore, to savings in annual operating costs and LCC costs. The amount of the savings depends on the reduction in the rotational speed of the motor. The frequency control is most advantageous when there is a significant difference between the desired flow and the nominal flow in the system. But the potential reduction of motor and pump efficiency must be taken into consideration. A more detailed analysis of energy consumption for different flows and different types of pulp is recommended, with practically measured energy consumption values.

Elnätet är ett komplext och viktigt system som konstruerats som en av de mest imponerande bedrifterna under ingenjörskonstens moderna tid. Det överför elektrisk energi till otaliga byggnader, industrier, skolor och hem. Och alltsammans sker konstant, varje minut av varje dag, året runt.  Grundbulten i systemet är den att en ständig balans måste råda mellan produktion och förbrukning av elektricitet. Vid obalans riskerar nämligen strömavbrott och andra oönskade företeelser att inträffa. Huruvida produktion och förbrukning av elektricitet är i nivå kan beskrivas av elnätets frekvens. Genom att övervaka elnätsfrekvensens beteende fås en överskådlig bild av elnätets status i realtid samtidigt som stödtjänster kan implementeras proaktivt för att motverka eventuella störningar. Tidigare har dessa stödtjänster främst representerats av stora aktörer såsom vattenkraftsanläggningar med enorma förutsättningar för att agera som reglerkraft. I takt med en omställning till en alltmer förnybar energipalett ökar dock behovet av ny reglerkraft. Samtidigt syns ett accelererande av installering av batterilager i bostadsrättsföreningar som energieffektiviserar. Eventuellt finns här en outforskad potential. Möjligen kan batterilager i flerbostadshus utnyttjas för frekvensreglering som en ytterligare balanskraft för elnätet. Projektarbetet syftade till att utreda potentialen kring batteristyrd mFRR-reglering från flerbostadshus. För att utvärdera den eventuella lönsamheten modellerades batteristyrningen i MATLAB. Modellen baserades främst på historiska data för upp- och nedregleringsbud från Nord Pool. I och med kravet på 1 MWh som minsta budstorlek på marknaden gjordes antagandet att vid varje regleringstillfälle reglerar batterilagret i aggregation med andra batterilager som tillsammans täcker den totala kapaciteten på 1 MWh. Modellen fungerar på så sätt att varje uppreglering föranleds av en uppladdning av batterilagret via antingen nedreglering eller spotpriser. Beroende på vilket alternativ som är mest lönsamt. Vidare gjordes antagandet att inga uppregleringsbud sker i två påföljande timmar.  Studiens mest lönsamma resultat genererades då batterilagret modellerades för att anta ett uppregleringsbud per dygn med det extra villkoret att samtliga bud som understiger 300 SEK/MWh förkastas. Vid dessa kriterium erhölls ett positivt årligt resultat om 149 100 kr från 306 battericykler.  Med endast frekvensreglering som användningsområde för batterilagret konkluderade dock studien att, det positiva resultatet till trots, ingen lönsamhet kunde uppnås. Investeringskostnaden är nämligen ännu för hög. Å andra sidan tyder teknologiska framsteg inom batterisektorn på en avtagande kostnadsutveckling. Vid år 2030 väntas nämligen priset för batterilager vara 225 USD/kWh, vilket skulle förbättra resultaten från denna rapport.
The electricity grid is a exceptionally sophisticated and crucial system which was created as one of the most impressive accomplishments in modern engineering. It transmits electrical energy to innumerable buildings, factories, schools and homes. And it can never stop. The system relies on the constant balance between generated and consumed electricity. Should an imbalance occur, it might give rise to power outages or failures in appliances on the grid. Whether or not generated and consumed electricity is at balance is determined by the grid frequency. By surveilling how the grid frequency behaves, an overview of the complete system can be obtained in real time. This is useful when it comes to deciding on whether or not to implement supporting mechanisms to counteract disturbances. The supporting mechanisms were historically represented by large facilities such as water power plants who possess great abilities of regulating the power balance on the grid. With the ongoing switch to renewables the need for more regulating power increases. At the same time installments of battery storage in energy efficient housing can be seen as accelerating. Here might be an untapped potential. What if battery storage in residential properties were utilized for frequency regulation as an additional balancing tool for the grid? The intent with this report was to outline the potential regarding power regulating via battery storages in multifamily residentials. In order to evaluate whether or not any profit could be redeemed, a battery control model was developed in MATLAB. The model was primarily based on historic data for regulating bids from Nord Pool. Since requirements on the market states that the lowest bid needs to be at least 1 MWh, the assumption was made that at every regulating occasion the battery regulates in aggregation with more batteries for a total capacity of 1 MWh. The objective of the model is to charge the battery using either spot price or down-regulating bids. Thereafter, an up-regulating bid is chosen. The assumption was made that no subsequent up-regulating bids were chosen. The most profitable optimization of the model was generated when 1 up-regulating bid was chosen per day with the additional condition that all bids under 300 SEK/MWh were rejected. At these criteria a yearly positive result of 149 100 kr was generated from 306 battery cycles. With frequency regulation as sole application for the battery storage, the study concluded that the model was not profitable. The cost of investment is yet too high. On the other hand, technological improvements will surely amount to declining prices. By year 2030 the price of battery storage may have fallen to 225 USD/kWh, which would improve the results in this study.

The increasing amount of renewable energy in the power system have led to new challenges to balance supply and demand in the electric grid. To maintain the balance in the power system the system operator can activate power reserves to restore the balance at a frequency deviation. Today these reserves consist exclusively of hydropower in Sweden. With more volatile power generation new types of technologies to provide these reserves are desirable. The aim of this master thesis is to investigate the technical potential for using wind power, demand response and energy storage for automatic frequency control in the Swedish power system. The thesis examines the performance of the different technologies to see if they meet the technical requirements for delivering reserves set by the TSO. Moreover, the available capacity from the technologies throughout the year are estimated. The results show that all three technologies potentially could be used for frequency control. However, the technical requirements are not always fulfilled. In order to enable new technologies to provide power reserves some of the requirements needs to be modernized. Generally, demand response proved to have the largest available capacity for frequency control today. The study shows that demand response from industries and electric heated households could potentially provide all automatic frequency control. Modern wind turbines can be used for frequency control and for down regulation of the frequency the potential is considerable. Energy storages are not yet widely used in Sweden but with reduced costs they can play an important role in regulating the frequency in the future.

The Nordic synchronous power system must continuously be in balance with respect to the electricity produced and consumed to function optimally. The system frequency is a good measure of the actual balance. The Swedish Transmission System Operator, Svenska kraftnät (Svk), is responsible for making sure such a balance is achieved. This study was conducted with the overall aim of investigating how Svk works in practice to balance the Nordic synchronous power system. This includes describing the main aspect of the power system structure, the existing methods regarding automatic and manual frequency control, the main operating systems as well as the tools and methods used by Svk. The study also examines how operational plans and forecasts available through the Nordic Operational Information System (NOIS) can be used to predict at what operational situations the risk of unwanted frequency deviations will be higher than normal. Furthermore, the study also investigates the possibility to conduct frequency regulation in a proactive manner based on these correlations. This was accomplished mainly through a literature review and interviews. The results shows that frequency deviations where the frequency is outside the interval 49.9–50.1 Hz often occur in correlation with the specific time at which the planned system balance quickly changes. Frequency simulations show that proactive regulation, which aims to reduce the planned imbalance, appears to also reduce frequency deviations. Further studies should however be conducted to study such frequency correlations in depth, and to investigate how proactive regulatory practices can be implemented in the most optimal manner.

Increased use of variable energy and integration of electricity markets in the European Union have led to new challenges when balancing supply and demand in the grid. Load management is a possible way to manage these challenges by adjusting electricity consumption in order to balance the power system. Household appliances can be used for this purpose, for example by providing automatic frequency control. The aim of this master thesis is to investigate the potential of load management from private households and to examine how the power system is affected by a more flexible electricity consumption. The thesis focuses on fridges as automatic frequency control reserves and the ability of fridges to balance the power system. Attributes such as capacity, activation time, persistence and the effect of load reconnection has been modelled in Simulink, Matlab. Complementary interviews with actors from the electricity industry have been done to summarize their insights on demand response. The results indicate that fridges can be used as a part of the automatic frequency controlled reserve FCR-N, based on assumptions made in this study. However, current requirements imposed on balancing resources are not fully met by the fridges. In order for household appliances to provide the needed flexibility, some requirements might need to be rephrased. The results also show that the capacity for providing balancing services differs for positive and negative imbalances, as consumption can be reduced with 30 MW and increased with 66 MW. When controlling the fridges by moving the reference temperature, there is a risk that the appliances will synchronize with each other, i.e. reconnect or disconnect at the same time, resulting in frequency oscillations. It is therefore important that load management is designed to avoid this kind of behavior.

The increase of variable renewable source leads to an imbalance between the electricity supply and demand of the power grid, as the solar and wind energy production is weather dependent. By implementing battery energy storage system (BESS), the balance can be improved by storing energy when the supply is high and then use when the supply is low. The aim of this study is to investigate the profitability of implementing a BESS with a photovoltaic plant to the grid connected facility of Gävle Energi AB. This by mapping the potential revenues that can benefit both the property and power grid. The aim is also to investigate the cost saving of a BESS with an optimal control and then look at the sizing of the battery.   At the Swedish battery market there is two technologies, lithium ion and nickelmetal hybrid, both of which have different characteristics that affect its service life. The battery life is affected by its chemistry, state of charge, depth of discharge, charge rate, temperature, and operating conditions. One of the revenues with BESS are to take advantage of the price difference and charge the battery when the electricity price is low and discharge when it is high. The revenue is also to increase the self-use of solar power to the facility, peak shaving, and frequency control. You can also use the BESS as an emergency power due to its fast output power. The simulation was built in the program Excel containing eight different tasks, all with different battery sizes. Each task contained four control models; increase selfuse of solar power, peak shaving, frequency control and a combination of the three. This with input data from both 2018 and 2019.  The result showed that the best savings in all tasks occurred with the frequency control model or the combination model. The size of battery depends on the service life. The battery lift is hard to predict and thus also the choice of battery size. As the control model affects the battery life, the ideal battery life of 20 years can be difficult to achieve. Therefore, a BESS of 100 kWh may be recommended. Except as a property revenue, the BESS may reduce some percentage of marginal electricity and thus also the carbon dioxide emissions and may also support the power grid with frequency control.

The installed capacity of electricity produced from solar power has increased over the years and will do so even further. A lot of companies are investing in so-called solar parks to create large scale electricity production from solar power. With intermittent energy sources such as solar power comes challenges for the electricity net where storage systems can play an important role to handle these challenges. Storage systems connected to renewable energy can also be a way to increase the economic benefits of a system.  This study investigates whether a lithium-ion battery system connected to a solar park is economically profitable, and in that case under which circumstances. This is done by focusing on a solar park in Uppsala, Sweden, owned by Vasakronan AB. Different grid-connected services provided by the battery that could generate income were identified and chosen for the study which were arbitrage, a local flexibility market and frequency regulation. The usage of the battery for each and a combination of these services were modelled and simulated in Matlab (2020). Each individual case was created as its own model for three different battery capacities (2, 4 & 8 MWh). To investigate whether a case was profitable or not, the internal rate was calculated for each model. This was also done for a longer lifetime of the battery and for lower investment costs as a sensitivity analysis. The results show that a system of this kind is only profitable for one case which is if a 2 MWh battery is used for the frequency regulation services FFR and FCR-D. This results in an internal rate of 6% which is higher than the rate of return of 5% that Vasakronan requires. The conclusions of the study is that it is difficult to make an investment in a battery system that is only charged from a solar park profitable.

As a consequence of increasing wind power installations in the Nordic grid the last years, the need for regulating power has become larger. In the Nordic grid, regulating power is mainly provided by hydro power. One part of the regulating power is called frequency control, which ensures that the grid frequency is stable and close to 50 Hz. However, setting the turbine into frequency controlled operation may cause stress and wear of the components in the mechanical control system. Frequency controlling implies large and frequent servo forces and longer travelling distance of the sliding bearings in the Kaplan turbine. Based on one selected Kaplan turbine, Selsfors G1, measurements and MATLAB calculations have been performed in order to determine forces and movements of the linkage system. With these forces and movements as input, stresses and fatigue have been determined as well as sliding distances, bearing pressures and wear of bearings during a typical lifetime of 40 years. The results indicate that no severe wear exists on the bearings during 40 years of service. This is valid for Selsfors G1, where self-lubricating greaseless Orkot bearings are installed. The wear is much smaller than the largest allowed bearing clearance, as long as the bearings are mounted correctly and free from dirt and oil. For turbines with grease or oil lubricated bearings, the result might differ. The highest average stresses have been recorded in the links in the runner. A very simple Finite Element Analysis has been made for the links, to estimate risk of fatigue. The stresses are much lower compared to the fatigue limit, and thus the risk of fatigue is considered very small. In situations where wear and large load changes after all are problems, a change in the turbine regulator settings is recommended. A dead band reduces the sliding distances of the bearings and the amount of load changes remarkably, but causes on the other hand lower turbine efficiency and worse quality of the frequency control.

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.

I takt med att Sveriges elsystem byggs ut och allt större andel elenergi kommer från förnybar och väderberoende elproduktion såsom vind, så ökar även behovet av stödtjänster som kan balansera frekvensen i elsystemet. Frekvensen i elsystemet fungerar som en indikator på om elsystemet är i balans och för att elsystemet ska vara i balans krävs att elproduktionen hela tiden motsvarar elanvändningen. Examensarbetet har utrett möjligheterna att leverera stödtjänster från en redan befintlig vindkraftpark och har även undersökt hur möjligheterna ser ut i framtiden i och med att marknaderna för stödtjänster utvecklas. I dagsläget finns fem olika frekvensreglerande stödtjänster i Sverige. Dessa är Fast frequency Reserve (FFR), Frequency Containment Reserve-Normal (FCR-N), Frequency Containment Reserve-Disturbance (FCR-D), automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR) och manual Frequency Restoration Reserve (FRR). Dessa stödtjänster upphandlas av Svenska kraftnät för att upprätthålla balans mellan produktion och konsumtion i elsystemet. För varje stödtjänst finns olika krav och specifikationer som bland annat vilken frekvens som de aktiveras vid, hur lång tid aktiveringen får ta samt hur långt i förväg de upphandlas etcetera. I kontakt med sakkunniga och i litteratur så framgår det att det är möjligt att leverera någon typ av frekvenstjänst från de allra flesta vindparker. För att börja leverera stödtjänster krävs att vindturbinen har en effektomriktare, vilket de flesta vindkraftverk har i dagsläget. Därefter handlar det främst om program och mjukvaruinställningar i effektomriktaren. Annars fungerar det i stort sett som vanlig pitch-reglering av turbinerna. Inom detta projekt så har även driftdata från en verklig vindpark i Blaiken studerats, där tre olika testkörningar genomförts. I testkörningarna har man testat att styra produktionen från turbinerna genom att göra nedregleringar och uppregleringar för att dokumentera hur parken reagerar. Utifrån data från testkörningarna som jämförs med krav för olika stödtjänster kan slutsatser dras om att stödtjänsterna mFRR, aFRR samt FCR-N bör kunna levereras från Blaiken. De är stödtjänsterna med de mest generösa aktiveringstiderna. Resultatet visar även på möjligheter att jobba med parkstyrningssystemet för att förbättra parkens reglerförmåga och i bästa fall skulle detta kunna medföra att parken även klarar kraven för aktiveringstid av FCR-D.

I takt med att allt mer intermittent elkraft används i det nordiska nätet ökar även behovet av reglerkraft. Detta för att hålla nätet stabilt och att last och produktion momentant är i balans. I Sverige används framförallt vattenkraft för att reglera nätstabiliteten. Detta sker genom att aggregat med frekvensreglering ökar effekten vid låg frekvens och sänker effekten vid hög frekvens.Projektet utreder huruvida ett dödband, en inställning som ignorerar små avvikelser, hjälper att reducera onödigt slitage på grund av frekvenstyrningen i en Kaplanturbin. De yttre löpskoveltapplagren har konstaterats vara extra utsatta och projektet har därför inriktat sig specifikt på att beräkna nötningen för dessa. Utifrån tidigare mätningar på en Kaplanturbin simulerades ett dödband i MATLAB. I programmet beräknades reducerad lagernötning, och antalet lastväxlingar över en tid på 40 år. Dessutom beräknades en genomsnittlig avvikelse i reglerkraft vid användning av dödband samt försämrad verkningsgrad om ett dödband på endast löphjulet används. Det kunde utifrån dem resultaten konstateras att ett dödband motsvarande 0.5 % av öppningsintervallet på löpskovlarna var mest fördelaktigt.Dödbandsinställningen applicerades sedan på ett av Skellefteå Krafts aggregat och drift med och utan dödband jämfördes. Mätningen påvisade att antal lastväxlingar reducerades kraftigt och stämde bra överens i praktiken med det uppskattade värdet från simuleringen. Glidsträckan för de undersökta lagren reducerades av dödbandet men lagren fästa i ledkransen minskade mer än de yttre löpskoveltapplagren. Glidsträckan beräknad från den praktiska mätningen med dödbandet nådde inte heller upp i samma reduktion som uppskattades från simuleringen.Slutligen konstaterades att frekvensstyrning påverkar nötningen i yttre löpskoveltapplagren substantiellt och att dödband är en lovande teknik för att reducera detta. Antalet lastväxlingar skulle minska markant och verkningsgradsförlusten om dödbandet endast verkar på löphjulet var mycket små.
Due to the growth of intermittent power in the Nordic grid the need for regulating power has increased. For a secure grid it is necessary to keep a stable balance between load and production. In Sweden hydropower is mainly used to regulate the grid stability. A power station equipped with frequency regulation increases the power output when the frequency is low and decreases the power when the frequency is high.This project researches if a regulation setting called dead band, which ignores small deviations, can reduce unnecessary wear in a Kaplan turbine equipped with frequency regulation. The outer turbine blade bearings have been ascertained to be the most exposed component in regards of wear and tear related to frequency regulation. This project has thus concentrated on these bearings. From earlier measurements on a Kaplan turbine a dead band was simulated in MATLAB. The amount of wear on the bearing was calculated as well as the number of blade regulations over a span of 40 years. Moreover a mean deviation of regulating power was calculated as well as reduced efficiency in relation to a dead band only applied to the runner. From these calculations a dead band representing 0.5 % of the opening interval for the runner was deemed most appropriate.The dead band setting was then installed in one of Skellefteå Krafts power station and the propulsion with and without dead band was compared. The test proved that the number of turbine blade regulations was substantially reduced and on par with the simulated values. The bearing gliding of the investigated bearings was reduced by the dead band setting but the gliding of the guide vane bearings was further reduced than that of the outer rotor blade trunnion bearings. Moreover, the gliding distance calculated from the practical testing did not reach the same level of reduction as the estimated results from the simulation.Finally it was concluded that wear correlated from frequency regulation is substantial but that the dead band setting shows a lot of promise in reducing this wear. The number of turbine blade regulations is distinctively decreased by the setting and the efficiency losses are very low if the dead band is applied only to the runner.

The number of plug-in electric vehicles (PEVs) is likely to increase in the near future and these vehicles will probably be connected to the electric grid most of the day time. PEVs are interesting options to provide a wide variety of services such as primary frequency control (PFC), because they are able to quickly control their active power using electronic power converters. However, to evaluate the impact of PEVs on PFC, one should either carry out complex and time consuming simulation involving a large number of PEVs or formulate and develop aggregate models which could efficiently reduce simulation complexity and time while maintaining accuracy. This thesis proposes aggregate models of PEVs for PFC. The final aggregate model has been developed gradually through the following steps. First of all, an aggregate model of PEVs for the PFC has been developed where various technical characteristics of PEVs such as operating modes (i.e., idle, disconnected, and charging) and PEV’s state of charge have been formulated and incorporated. Secondly, some technical characteristics of distribution networks have been added to the previous aggregate model of PEVs for the PFC. For this purpose, the power consumed in the network during PFC as well as the maximum allowed current of the lines and transformers have been taken into account. Thirdly, the frequency stability margins of power systems including PEVs have been evaluated and a strategy to design the frequency-droop controller of PEVs for PFC has been described. The controller designed guaranties similar stability margins, in the worst case scenario, to those of the system without PEVs. Finally, a method to evaluate the positive economic impact of PEVs participation in PFC has been proposed.
En el futuro cercano se espera un notable incremento en el número de vehículos eléctricos enchufables (PEVs), los cuales están conectados a la red eléctrica durante la mayor parte del día. Los PEVs constituyen una opción interesante a la hora de proporcionar una amplia variedad de servicios, tales como el control primario de frecuencia (PFC), dado que tienen la capacidad de controlar rápidamente el flujo de potencia activa a través de convertidores electrónicos de potencia. Sin embargo, para evaluar el impacto de los PEVs sobre el PFC se debe llevar a cabo una simulación computacionalmente compleja y con un largo tiempo de simulación en la que se considere un gran número de PEVs. Otra opción sería la formulación y desarrollo de modelos agregados, los cuales podrían reducer eficazmente la complejidad y tiempo de simulación manteniendo una alta precisión. Esta tesis propone modelos agregados de PEVs para PFC. El modelo agregado definitivo ha sido desarrollado de manera gradual a través de los siguientes pasos. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo agregado de PEVs para PFC en el cual son incorporadas varias características técnicas de los PEVs, tales como los modos de operación (inactivo, desconectado y cargando), y la formulación del estado de carga de los PEVs. En segundo lugar, ciertas características técnicas de las redes de distribución han sido consideradas en el modelo agregado de PEVs para PFC previamente propuesto. Para este fin, la potencia consumida por la red durante el PFC, así como la corriente máxima permitida en las líneas y transformadores han sido consideradas. En tercer lugar, se han evaluado los márgenes de estabilidad en la frecuencia de los sistemas de potencia que incluyen PEVs y se ha descrito una estrategia para diseñar un control de frecuencia-droop de PEVs para PFC. El controlador diseñado garantiza márgenes de estabilidad similares, en el peor de los casos, a aquellos de un sistema sin PEVs. Finalmente, se ha propuesto un método para evaluar el impacto económico positivo de la participación de los PEVs en el PFC.
Inom en snar framtid förväntas antalet laddbara bilar (laddbilar) öka kraftig, vilka tidvis kommer att vara anslutna till elnätet. Då laddbilar snabbt kan styra och variera sin aktiva laddningseffekt med hjälp av kraftelektroniken i omriktaren kan dessa fordon erbjuda en rad systemtjänster, såsom primär frekvensregleringen. Att utvärdera hur laddbilarna kan påverka den primära frekvensreglering är utmanande då en stor mängd laddbilar måste beaktas vilket kräver komplexa och tidskrävande simuleringar. Ett effektivt sätt att minska komplexiteten men bibehålla noggrannheten är genom att utforma och använda aggregerade modeller. Syftet med denna avhandling är att ta fram aggregerade modeller för laddbilars påverkan på primär frekvensreglering. Modellen har gradvis utvecklats genom följande steg. I första steget har en aggregerad modell av hur laddbilar kan användas för primär frekvensreglering utvecklats där olika tekniska detaljer så som laddbilars tillstånd (d.v.s. inkopplade, urkopplade eller laddas) och laddningnivån beaktats. I andra steget har en modell av distributionsnätet integrerats i den aggregerade modellen. Här tas hänsyn till effektflöden i elnätet samt begränsningar i överföringskapacitet i transformatorer och ledningar i distributionsnätet. I ett tredje steg har frekvensstabiliteten i ett elnät med laddbilar utvärderats och en strategi för hur en frekvensregulator kan designas för att tillhandahålla primär frekvensreglering med hjälp av laddbilar har utvecklats. Designen garanterar samma stabilitetsmarginal för styrsystemet både med och utan laddbilar. Dessutom föreslås en metod för att utvärdera de ekonomiska effekterna av att använda laddbilar för primär frekvensreglering.
Het aantal elektrische voertuigen (EV’s) zal zeer waarschijnlijk toenemen in de nabije toekomst en deze voertuigen zullen vermoedelijk gedurende het grootste deel van de dag aan het elektriciteitsnetwerk aangesloten zijn. EV’s zijn interessante opties om een grote verscheidenheid van diensten te leveren, zoals bijvoorbeeld primaire frequentieregeling, omdat ze snel hun actieve vermogen kunnen aanpassen met behulp van elektronische vermogensomvormers. Echter, om de invloed van EV’s en primaire frequentieregeling te kunnen evalueren, moet men complexe en tijdrovende simulaties met een groot aantal EVs uitvoeren of verzamelmodellen formuleren en ontwikkelen die de complexiteit en duur van de simulaties kunnen reduceren zonder nauwkeurigheid te verliezen. Dit onderzoek presenteert verzamelmodellen voor EV’s en primaire frequentieregeling. Het uiteindelijke verzamelmodel is geleidelijk ontwikkeld door de volgende stappen te nemen. Ten eerste is een verzamelmodel voor EV’s en primaire frequentieregeling ontwikkeld waar verscheidene technische karakteristieken van EV’s, zoals bedieningsmodi (bijv. Inactief, losgekoppeld en ladend) en de actuele laadtoestand in zijn geformuleerd en geïntegreerd. Ten tweede zijn enkele technische karakteristieken van distributienetwerken toegevoegd aan het eerdere verzamelmodel van EV’s voor primaire frequentieregeling. Hiervoor zijn de vermogensconsumptie in het network gedurende primaire frequentieregeling en de maximaal toegestane stroomsterkte van de kabels meegerekend. Ten derde zijn de marges voor de frequentiestabiliteit van elektriciteitssystemen met EV’s geëvalueerd en is een strategie voor het ontwerpen van de frequentie-droop regeling van de EV’s voor primaire frequentieregeling beschreven. De ontworpen controller garandeert soortgelijke stabiliteitsmarges in het slechtste scenario, als voor het systeem zonder EV’s. Ten slotte is er een methode voorgesteld om de positieve economische invloed van EV-participatie in primaire frequentieregeling te evaluëren.

“SETS Joint Doctorate Programme

The Erasmus Mundus Joint Doctorate in Sustainable Energy Technologies and Strategies (SETS), the SETS Joint Doctorate, is an international programme run by six institutions in cooperation:

• Comillas Pontifical University, Madrid, Spain

• Delft University of Technology, Delft, the Netherlands

• Florence School of Regulation, Florence, Italy

• Johns Hopkins University, Baltimore, USA

• KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden

• University Paris-Sud 11, Paris, France

The Doctoral Degrees provided upon completion of the programme are issued by Comillas Pontifical University, Delft University of Technology, and KTH Royal Institute of Technology.

The Degree Certificates are giving reference to the joint programme. The doctoral candidates are jointly supervised, and must pass a joint examination procedure set up by the three institutions issuing the degrees.

This Thesis is a part of the examination for the doctoral degree.

The invested degrees are official in Spain, the Netherlands and Sweden respectively.

SETS Joint Doctorate was awarded the Erasmus Mundus excellence label by the European Commission in year 2010, and the European Commission’s Education, Audiovisual and Culture Executive Agency, EACEA, has supported the funding of this programme

The EACEA is not to be held responsible for contents of the Thesis.”  QC 20170412

In an electrical system there needs to be a constant balance between supply and demand ofelectricity and this is measured by the frequency in the grid. Due to the increasing awarenessof climate change, more renewable energy resources have been introduced in the Swedishelectricity system. This is, however, not solely positive since renewable energy sources areoften of intermittent character which entails more imbalances between supply and demand. Inaddition, statistics and data show that the deviation in the frequency in the Nordic system hasincreased during the latest years. Thus, in this thesis, the issues regarding the frequency havebeen addressed by examining the demand for frequency control in the Swedish electricitysystem and what balancing efforts that can be carried out on a local level to contribute to abetter balanced system. This thesis has been conducted at KTH Royal Institute of Technologywith collaboration with the commissioner Mälarenergi AB. A case study of the Swedish electricity system has been carried out to gather empiricalmaterial and this material has been analyzed using Geels theory on technical transitions, themulti-level perspective. The results indicates that it is likely the demand for frequency controlwill increase, and this is due to factors as more intermittent energy, current market design fortrading electricity, overseas transmission connections, decommissioning of nuclear powerand limited internal transmission capacity. Three other developments have been identified,which could have a large impact on the demand in the future, as an increasing use of electricvehicles, prosumers and the deployment of IoT in the energy sector. These developmentshave not been integrated to a large extent yet in the energy sector and thus have a moreuncertain impact. In terms of resources, the thesis has identified that it is likely that hydropower will continueto be the main resource for frequency regulation. Another source that could be used morefrequently than today and possibly compete with hydropower is combined heat and powerplants. Furthermore, the study has found that local actors can contribute by advertisingsmaller local resources on a market for trading regulating power called“reglerkraftmarknaden”, that balance providing companies collaborate, that the load iscontrolled in the local grids or that smaller local production facilities are operated in standalonemode during extreme situations.
För att uppnå ett välfungerande elektrisk system så måste det vara en konstant balans mellan produktion och konsumtion av el i systemet. Den här balansen mäts genom att mäta frekvensen i elnätet. Eftersom allt fler har blivit mer medvetna om de klimatförändringar vår planet står inför har det successivt införts mer och mer förnybara energikällor i det svenska elsystemet. Den här utvecklingen har inte enbart varit positivt, eftersom förnybara energikällor ofta är av intermittent karaktär, vilket har medfört att balansen mellan produktion och konsumtion av el har försämrats. Flertalet undersökningar har påvisat att det förekommer mer frekvensavvikelser i det nordiska elsystemet idag än tidigare. Denna rapport har således undersökt dessa problem genom att analysera efterfrågan på frekvensreglering i det svenska elsystemet och vilka initiativ som kan tas på lokal nivå för att förbättra balansen i elsystemet. Rapporten har genomförts på Kungliga Tekniska Högskolan i samarbete med uppdragsgivaren Mälarenergi AB. Rapporten har genomfört en fallstudie av det svenska elsystemet för att samla in empiriskt material, och detta material har i sin tur analyserats genom Geels flernivåsansats. De resultat som har framkommit i undersökningen visar på att det är troligt att efterfrågan av frekvensreglering kommer att öka. Denna ökning beror på faktorer som att mer intermittent energi integreras i elnätet, hur marknaden för att handla elektricitet är utformad, fler utländska överföringsförbindelser, nedrustning av kärnkraft och begränsad överföringskapacitet inom det nationella elnätet. Tre andra utvecklingar har identifierats som möjligen kan ha en stor påverkan på behovet av frekvensreglering. Dessa är ett ökat antal elektriska fordon, prosumenter och att energisektorn integreras av IoT och smarta objekt i större utsträckning än idag. Dessa faktorer har inte integrerats i det svenska elsystemet nämnvärt ännu och deras påverkan är därmed mer osäker. Denna studie har också kommit fram till att vattenkraft troligtvis kommer fortsätta att vara den resurs som används mest för frekvensreglering, men även att kraftvärmeverk har potential att användas mer för reglering än idag. Vidare har rapporten även identifierat att lokala aktörer kan bidra till en bättre balans i systemet genom att antingen annonsera mindre lokala resurser på reglerkraftmarknaden, öka samarbetet mellan balansansvariga företag, kontrollera lasten i lokala elnät eller att mindre lokala produktionsanläggningar drivs i ö-drift under extrema situationer.

Controlling the balance of production and consumption of electricity will become increasingly challenging as the transport sector gradually converts to electric vehicles along with a growing share of wind power in the Swedish electric power system. This puts greater demand on resources that maintain the balance to ensure stable grid operation. The balancing act is called frequency regulation which historically has been performed almost entirely by hydropower. As the power production becomes more intermittent with renewable energy sources, frequency regulation will need to be performed in higher volumes on the demand side by having a more flexible consumption. In this report, the electrification of 17 buses Svealandstrafiken bus depot in Västerås has been studied. The aim has been to assess different charging strategies to efficiently utilize the available time and power but also to investigate if Svealandstrafiken can participate in frequency regulation. A smart charging model was created that demonstrated how smart charging can be implemented to optimize the charging in four different cases. The simulated cases were: charging with load balancing, reduced charging power, frequency regulation, and electrifying more buses. The results show that the power capacity limit will be exceeded if the buses are being charged directly as they arrive at the depot and without scheduling the charging session. By implementing smart charging, Svealandstrafiken can fully charge the 17 buses within the power capacity limit of the depot with 82 minutes to spare. By utilizing this 82-minute margin in the four different charging strategies, it was found that Svealandstrafiken can save 88 200SEK per year by load balancing, save 30 000 SEK per year by reducing the charging power by 10 %, earn 111 900 SEK per year by frequency regulation or electrify five more buses. Reducing the charging power may also increase the lifetime of the batteries but quantifying this needs further studies. Conclusively, there is economic potential for Svealandstrafiken for implementing smart charging.