Modelling the technical influence of randomly distributed solar PV uptake on electrical distribution networks
Date
2019-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The solar photovoltaic (PV) industry has seen an exponential growth over the last decade,
prompted mainly by government incentives and -regulations. Although the global PV industry is dominated by large, utility-scale PV plants, there has been an increase in the uptake of
distributed generation (DG) in the form of residential-, commercial- and industrial rooftop PV systems. Globally, utilities are confronted with the issue of integrating DG into electrical distribution networks. The introduction of DG via renewable energy technologies will cause a metamorphosis of conventional passive power systems into active power systems. DG will influence the technical characteristics of conventional power systems, posing technical challenges
with regards to operation and control of the power system.
This project investigates network integration of distributed rooftop PV systems on three distribution networks (one residential, one commercial and one industrial) in Cape Town,
South Africa. The residential and commercial networks are owned and operated by the City of Cape Town Municipality, whereas the industrial network is owned and operated by Eskom, the South African national electricity utility. Amidst the lack of a South African national standard with regard to distributed PV installations, the aim is to start to fill a void in
the understanding of PV network integration, in order to provide Eskom and CCT, as well as other local municipalities, with a better understanding of the technical effects of PV on
distribution networks, as well as the PV hosting capacity of these distribution networks.
This project develops a methodology that can be used to model the technical influence of randomly distributed solar PV uptake on electrical distribution networks. This study
focuses solely on the technical effects of voltage rise and equipment overload as network constraints for allowable PV uptake. The methodology first develops techniques with which to model network topology, -loads and PV generators. Subsequently, a simulation methodology is developed and applied to the distribution networks by means of algorithms developed in Digsilent Programming Language.
For the residential- and industrial area, the amount of PV-eligible roof space provides potential PV generation capacity that far exceeds the load requirements of the area. It is shown that allowable PV installations on the residential LV networks vary between 187 kW - 373 kW, and allowable PV penetration levels vary between 82% - 150%. Conductor overload and overvoltage constrain allowable PV uptake on the residential LV networks, whereas the residential MV/LV transformers provide adequate capacity to handle much higher PV penetration levels. The industrial network has the lowest allowable PV penetration level (31 %)
due to transformers being overloaded by large PV systems. The commercial area experiences no limit to the uptake of PV, since there is not enough PV-eligible roofspace, and subsequent potential PV generation capacity, to cause network problems.
This project concludes guidelines as to the PV hosting capacity of a sample residential-, commercial- and industrial network. The results of this project provide a better understanding to utilities in terms of the technical limits that dictate PV uptake for different types of networks, as well as the corresponding PV penetration levels. The presented methodology can be used as a starting point for future studies, and can be adapted and extended to
consider other technical effects of DG on distribution networks.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die sonfotovoltaïese (PV) industrie het oor die afgelope dekade wêreldwyd eksponsensiële groei getoon. Hierdie groei kan hoofsaaklik toegeskryf word aan regerings se regulasies en aansporings. Alhoewel die industrie deur grootskaalse sonplase oorheers word, is daar ook 'n merkbare toename in verspreide generasie (VG) deur middel van residensiële-, kommersiëleen industriële PV-stelsels wat op dakke aangebring word. Kragvoorsieners ervaar wêreldwyd 'n uitdaging om VG in elektriese distribusie-netwerke te integreer. Toename in VG, deur middel van hernubare tegnologieë, sal die tradisionele passiewe kragstelsels 'n gedaantewisseling laat ondergaan. Die tegniese eienskappe van tradisionele kragstelsels sal beïnvloed word deur VG, wat uitdagings in terme van netwerk-operasise en -beheer kan veroorsaak. Hierdie projek stel dit ten doel om netwerk-integrasie van dakgemonteerde PV-stelsels te ondersoek. Drie verskillende distribusie-netwerke, waaronder'n residensiële-, kommersiëleen industriële netwerk, word in hierdie opsig ondersoek. Al drie netwerke is in Kaapstad, Suid-Afrika. Die residensiële- en kommersiële netwerke word deur die Kaapstad munisipaliteit besit en bestuur, terwyl die industriële netwerk deur Eskom, Suid-Afrika se nasionale kragvoorsiener, besit en bestuur word. Te midde van die afwesigheid van 'n amptelike Suid-Afrikaanse nasionale standaard wat verspreide PV-stelsels reguleer, poog hierdie projek om 'n leemte in die verstaan van PV netwerk-integrasie te vul. Die doel is om Eskom, Kaapstad munisipaliteit, asook ander plaaslike munisipaliteite te help om 'n beter begrip te ontwikkel in terme van die tegniese invloede wat verspreide PV-stelsels op distribusie-netwerke kan hê. Daar moet ook meer te wete gekom word oor die kapasiteit van PV-stelsels wat deur distribusie-netwerke gehuisves kan word. Hierdie projek ontwikkel 'n metodologie wat gebruik kan word om die tegniese invloed van lukrake-verspreide PV-stelsels op distribusie-netwerke te modelleer. Slegs twee tegniese invloede word in hierdie opsig oorweeg - spanningstyging en oorlading van netwerktoerusting. Die metodologie onwikkel eerstens tegnieke waarmee die netwerktopologie, -laste en PVstelsels gemodelleer kan word. Daarna word 'n simulasie-metodologie ontwikkel en toegepas op die distribusie-netwerke deur middel van algoritmes wat in Digsilent Programmeringstaal ontwikkel is. In die residensiële- en industriële area, is daar só baie dakspasie beskikbaar vir PV-stelsels, dat 'n situasie kan onstaan waar die potensiële generasie-opbrengs van die area die lasvereistes van die area ver kan oorskry. Dit word aangetoon dat die toegelate PV-installasies op die laagspanning residensiële netwerke vanaf 187 kW - 373 kW kan beloop, en die toegelate PV-penetrasie vlakke tussen 82% - 150%. Oorlading van geleiers en spanningstyging is die twee tegniese invloede wat die hoeveelheid toegelate PV-stelsels op die residensiële laagspanningsnetwerke beperk, terwyl die residensiële transformators genoegsame kapasiteit het om baie hoër PV-penetrasievlakke te akkommoddeer. Die industriële netwerk het die laagste toegelate PV-penetrasievlakke (31%) as gevolg van die feit dat transformators deur groot PV-stelsels oorlaai word. In die kommersiële area is geen beperking in terme van PV-opname teëgekom nie, aangesien daar nie genoegsame dakspasie is om 'n genoegsame generasie-opbrengs te vestig wat netwerk probleme kan veroorsaak nie. Die projek ontwikkel riglyne in terme van die PV kapasiteit van die drie bestudeerde voorbeeldnetwerke. Die resultate van hierdie projek verskaf 'n beter begrip aan kragvoorsieners in terme van die tegniese beperkings wat PV-opname vir verskillende netwerk-tipes beperk, tesame met die ooreenkomstige PV-penetrasievlakke. Die voorgestelde metodologie kan gebruik word as 'n beginpunt vir toekomstige studies, en ook aangepas en uitgebrei word om ander tipes tegniese invloede wat PV-stelsels op distribusie-netwerke kan hê, te ondersoek.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die sonfotovoltaïese (PV) industrie het oor die afgelope dekade wêreldwyd eksponsensiële groei getoon. Hierdie groei kan hoofsaaklik toegeskryf word aan regerings se regulasies en aansporings. Alhoewel die industrie deur grootskaalse sonplase oorheers word, is daar ook 'n merkbare toename in verspreide generasie (VG) deur middel van residensiële-, kommersiëleen industriële PV-stelsels wat op dakke aangebring word. Kragvoorsieners ervaar wêreldwyd 'n uitdaging om VG in elektriese distribusie-netwerke te integreer. Toename in VG, deur middel van hernubare tegnologieë, sal die tradisionele passiewe kragstelsels 'n gedaantewisseling laat ondergaan. Die tegniese eienskappe van tradisionele kragstelsels sal beïnvloed word deur VG, wat uitdagings in terme van netwerk-operasise en -beheer kan veroorsaak. Hierdie projek stel dit ten doel om netwerk-integrasie van dakgemonteerde PV-stelsels te ondersoek. Drie verskillende distribusie-netwerke, waaronder'n residensiële-, kommersiëleen industriële netwerk, word in hierdie opsig ondersoek. Al drie netwerke is in Kaapstad, Suid-Afrika. Die residensiële- en kommersiële netwerke word deur die Kaapstad munisipaliteit besit en bestuur, terwyl die industriële netwerk deur Eskom, Suid-Afrika se nasionale kragvoorsiener, besit en bestuur word. Te midde van die afwesigheid van 'n amptelike Suid-Afrikaanse nasionale standaard wat verspreide PV-stelsels reguleer, poog hierdie projek om 'n leemte in die verstaan van PV netwerk-integrasie te vul. Die doel is om Eskom, Kaapstad munisipaliteit, asook ander plaaslike munisipaliteite te help om 'n beter begrip te ontwikkel in terme van die tegniese invloede wat verspreide PV-stelsels op distribusie-netwerke kan hê. Daar moet ook meer te wete gekom word oor die kapasiteit van PV-stelsels wat deur distribusie-netwerke gehuisves kan word. Hierdie projek ontwikkel 'n metodologie wat gebruik kan word om die tegniese invloed van lukrake-verspreide PV-stelsels op distribusie-netwerke te modelleer. Slegs twee tegniese invloede word in hierdie opsig oorweeg - spanningstyging en oorlading van netwerktoerusting. Die metodologie onwikkel eerstens tegnieke waarmee die netwerktopologie, -laste en PVstelsels gemodelleer kan word. Daarna word 'n simulasie-metodologie ontwikkel en toegepas op die distribusie-netwerke deur middel van algoritmes wat in Digsilent Programmeringstaal ontwikkel is. In die residensiële- en industriële area, is daar só baie dakspasie beskikbaar vir PV-stelsels, dat 'n situasie kan onstaan waar die potensiële generasie-opbrengs van die area die lasvereistes van die area ver kan oorskry. Dit word aangetoon dat die toegelate PV-installasies op die laagspanning residensiële netwerke vanaf 187 kW - 373 kW kan beloop, en die toegelate PV-penetrasie vlakke tussen 82% - 150%. Oorlading van geleiers en spanningstyging is die twee tegniese invloede wat die hoeveelheid toegelate PV-stelsels op die residensiële laagspanningsnetwerke beperk, terwyl die residensiële transformators genoegsame kapasiteit het om baie hoër PV-penetrasievlakke te akkommoddeer. Die industriële netwerk het die laagste toegelate PV-penetrasievlakke (31%) as gevolg van die feit dat transformators deur groot PV-stelsels oorlaai word. In die kommersiële area is geen beperking in terme van PV-opname teëgekom nie, aangesien daar nie genoegsame dakspasie is om 'n genoegsame generasie-opbrengs te vestig wat netwerk probleme kan veroorsaak nie. Die projek ontwikkel riglyne in terme van die PV kapasiteit van die drie bestudeerde voorbeeldnetwerke. Die resultate van hierdie projek verskaf 'n beter begrip aan kragvoorsieners in terme van die tegniese beperkings wat PV-opname vir verskillende netwerk-tipes beperk, tesame met die ooreenkomstige PV-penetrasievlakke. Die voorgestelde metodologie kan gebruik word as 'n beginpunt vir toekomstige studies, en ook aangepas en uitgebrei word om ander tipes tegniese invloede wat PV-stelsels op distribusie-netwerke kan hê, te ondersoek.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2019.
Keywords
UCTD, Photovoltaic power systems, Electric power distribution, Electric power systems