Photovoltaic generation impact on the distribution grid of Malta : voltage profile control by means of storage apparatus

The penetration of distributed generation resources in distribution grids increasing worldwide is both a challenge and an opportunity for a variety of technologies and operating scenarios. The need to provide acceptable power quality and reliability will create a favorable climate for the entry of distributed resources, including distributed generation and distributed energy storage, and innovative operating practices. The integration of DG into an existing utility can result in several benefits: line energy loss reduction, overvoltage problems control, green and renewable energy exploitation, peak shaving etc. but imply also some disadvantages that must be carefully considered. The impact of distributed photovoltaic plants is here analyzed for various possible configuration of the DG and the hosting capacity (HC the maximum power that can be installed in the grid) in each case determined. The results show that the HC is influenced by the position of the plants in the line and by the configuration: distributed generation or concentrated plants in one node of the low voltage (LV) portion of the grid. DG also affects positively the energy losses and negatively,if excessive power is installed, the steady state voltage of the grid. This requires new policies to control the overvoltage; the method implemented now that presuppose the detaching of the plants from the grid, sure, solve the problem but decreases also the exploitation of the available resources. The introduction of storage systems to mitigate this problem is presented in this thesis. Electro-chemical batteries are modelled and introduced in the simulation, and their effect on the hosting capacity and the grid voltage is analised. The storage systems allow the accumulation of part of the energy produced by the solar panels, energy that doesn't influence the grid voltage. The installed power can therefore be increased, in relation to the nominal power and total capacity of the battery. The economical aspect has to be taken into account at this point because the actual cost of the storage systems can make their usage economically not convenient. On this aspect is focused the last part of this work that evaluate the costs and benefits brought by the use of batteries. Results show that with the actual costs of the lead acid technology, the batteries are not convenient but this result can change considering the disconnection of the PV plant when the voltage reaches the upper limit in the case without storage and assuming a decrease of the costs in the next years

La crescita della penetrazione di impianti di generazione distribuita (GD) nella rete di distribuzione in bassa tensione e` una sfida e un'opportunita per lo sviluppo di nuove tecnologie e scenari operativi. La necessita` di garantire un livello accettabile di qualita` del servizio di fornitura dell'energia e di affidabilita` del sistema porta alla necessita` di analizzare nuovi apparati e nuove modalita` di gestione delle reti elettriche quali i sistemi di accumulo e innovative procedure operative. L'introduzione di GD nella rete esistente comporta infatti lo sfruttamento di benefici diretti, tra cui la diminuzione delle perdite energetiche sulla linea, il possibile sfruttamento della generazione per il controllo dei problemi di sovratensione, il livellamento dei picchi di carico, lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili e non inquinanti, ma anche degli svantaggi che vanno attentamente considerati. La tesi qui presentata consegue da uno stage presso l'universita` di Malta (UoM University of Malta) ed e` indirizzata proprio allo studio dell'impatto della GD, prevalentemente fotovoltaica, sulla rete BT di tale isola. Sono stati costruiti modelli per la rete elettrica, i carichi connessi ad essa, i pannelli fotovoltaici e le batterie tramite l'utilizzo dell'ambiente Simpowersystem del programma SIMULINK. L'impatto di impianti fotovoltaici distribuiti sulla rete e` stato analizzato studiando varie configurazioni possibili per la GD e vari livelli di potenza installata. I risultati mostrano che la potenza massima installabile e` influenzata distanza elettrica degli impianti di generazione rispetto alla cabina secondaria e dalla configurazione della rete stessa. In particolare, se gli impianti di produzione sono connessi alla fine della linea, la potenza installabile risulta sensibilmente minore rispetto al caso in cui siano connessi all'inizio. La GD influenza positivamente le perdite di energia sulla rete riducendole sensibilmente rispetto al caso di rete passiva in quanto diminuisce la corrente che transita nella linea. Questo beneficio ha pero` un limite: se la potenza installata e` piu` grande del carico il flusso di energia si inverte andando dalla rete verso la cabina secondaria di trasformazione e questo fa di nuovo aumentare le perdite di energia. L'iniezione di potenza in rete da parte delle GD influenza anche la tensione sulla linea. Per una forte penetrazione di fotovoltaico, infatti, la tensione puo` raggiungere livelli che vanno oltre il limite massimo fissato a +10% della tensione nominale della rete. Questo richiede l'introduzione di nuove politiche di controllo delle sovratensioni; il metodo attualmente implementato nella rete di Malta che prevede il distacco degli impianti di generazione quando la tensione diviene troppo alta riduce, certo, il problema ma implica la diminuzione dello sfruttamento delle risorse disponibili. In sistemi elettrici piu` strutturati ed evoluti, quali l'Italia, la Germania e la Spagna, opportune normative tecniche sono gia` state sviluppate con l'obiettivo di mitigare il problema per tramite delle iniezioni reattive della DG stessa. In questo lavoro di tesi si e` invece avviato uno studio atto a valutare l'efficacia dell'uso di sistemi di accumulo dell'energia per mitigare questo problema. Sistemi di accumulo sono quindi modellati e introdotti nella simulazione, analizzando il loro impatto sulla massima potenza installabile e sulla tensione. I sistemi di accumulo consentono appunto l'accumulo di parte dell'energia prodotta dai pannelli solari, energia che dunque non influenza la tensione di rete. La potenza installata puo` quindi essere aumentata in quanto l'energia prodotta in piu` non viene vettoriata dalla rete in relazione alla potenza della batteria e alla sua totale capacita`. In seconda analisi, il sistema di accumulo consente la massimizzazione dell'autoconsumo, ossia dello sfruttamento, da parte dell'utente stesso, dell'energia generata dal proprio pannello fotovoltaico. L'aspetto economico deve essere preso in considerazione in quanto l'attuale costo dei sistemi di accumulo puo` rendere sconveniente il loro utilizzo. Su questo aspetto si concentra l'ultima parte di questo lavoro valutando i costi e i ricavi derivanti dall'uso di sistemi di accumulo. I costi comprendono la batteria e il sistema di connessione alla rete (inverter e ausiliari), mentre i ricavi derivano dal mancato acquisto di energia dalla rete in quanto autoprodotta tramite impianti fotovoltaici e utilizzata quando necessaria grazie alle batterie. I risultati mostrano che gli alti costi degli impianti di accumulo non rendono economicamente conveniente l'uso di batterie che pero` potrebbero essere utilizzabili in un prossimo futuro prevedendo un calo dei costi.