• No results found

Meeting the Challenges for Increasing the Share of Variable Renewable Energy in the Generation Mix of Mauritius

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Meeting the Challenges for Increasing the Share of Variable Renewable Energy in the Generation Mix of Mauritius"

Copied!
109
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Master of Science Thesis

KTH School of Industrial Engineering and Management Energy Technology EGI-2014-045MSC-EKV1019

Division of Heat & Power

Meeting the Challenges for Increasing the Share of Variable Renewable Energy in the Generation Mix of Mauritius

Rakesh Kumar DHUNUNJOY

(2)

EKV1019

Meeting the Challenges for Increasing the Share of Variable Renewable Energy

in the Generation Mix of Mauritius

Rakesh Kumar DHUNUNJOY

Approved

2014-08-19

Examiner

Miroslav Petrov - KTH/ITM/EGI

Supervisors at KTH

Miroslav Petrov

Commissioner or Partner

University of Mauritius

Local Supervisor

Dr. Dinesh Surroop

Abstract

As a Small Island Developing State (SIDS), Mauritius is exceptionally vulnerable. It faces similar threats to its survival as other SIDS, which include, inter alia, a strong reliance on a depleting natural resource base, loss of biodiversity and degradation of essential components of the ecosystem, and a heavy dependency on fossil fuels and other imported commodities that support society. Climate change, long distances that separating Mauritius from Africa and Asia, coupled with rising fuel costs exacerbates the situation considerably. Unless substantial and effective interventions are put in place soonest, the current and future generations may not be able to meet their needs.

Being aware of the susceptibility of the island towards energy security, the Government of Mauritius is focused on diversifying the country’s energy supply, improving energy efficiency, addressing environmental and climate changes and modernizing our energy infrastructure in order to meet the challenges ahead. Besides security of supply and affordability the Government is attempting a rapid shift to a low carbon, efficient and environmentally benign energy system. This policy is integrated in a Long- Term Energy Strategy (LTES) that aims at reducing the dependency on fossil fuels and promoting energy generation from local renewable sources. However, increasing the current share of renewable energy from 20% to 35% by 2025 as provided in the LTES, implies major investment in both RE technologies and at the same time in research studies in view to mitigate the upcoming challenges with increasing renewable generations in particular caused by VRE sources such as wind and solar.

The aim of this thesis is therefore to identify the major problems and complexities arising with increasing share of VRE more specifically related to grid stability, security operation and power quality. The various problems related to unconscious continuous addition of VRE were identified and solutions were proposed on how to mitigate them in order to be able to reach the RE targets set out in the LTES.

(3)

ACKNOWLEDGMENTS 

 

I  wish  to  express  my  warmest  gratitude  to  my  local  project  supervising,  Dr.  Dinesh  Surroop  (Lecturer  in  the  Faculty  of  Engineering  at  University  of  Mauritius)  and  Mr. 

Miroslav  Petrov  (KTH  University)  for  their  keen  guidance,  fruitful  discussions  and  valuable  suggestions  that  have  been  an  important  ingredient  for  the  successful  completion of this thesis. 

I  am  also  greatly  indebted  to  my  parents,  wife  and  friends  who  have  constantly  provided their support during the preparation of this thesis. 

Last,  but  not  least,  I  would  like  to  convey  my  sincere  thanks  to  all  those  people,  including  Mrs.  Chamindie  Senaratne,  who  have  helped  me  in  achieving  this  goal.

(4)

 

Chapter 1  Introduction

 

1.0 Introduction and Background       1 

2.0 The Electricity Sector in Mauritius      2 

  2.1 Institutional Structure      2 

  2.2 Electricity Generation Mix      2 

  2.3 Long Term Energy Strategy 2009‐2025      3 

    2.3.1 Renewable Energy (RE) Targets      3 

3.0 Potential Barriers to Achieve the RE Targets       4 

4.0 Objectives of the Thesis       5 

5.0 Outline of the Subsequent Chapters       6 

 

Chapter 2  Negative Impact of Variable RE on Isolated Grid Systems 

1.0 Rationale       7 

2.0 Comparison between Steady and Variable Power Generation Technologies  7  3.0 Variable Renewable Energy Technologies      8 

  3.1 Wind Energy Technology      8 

    3.1.1 Source of Wind      8 

  3.2 Wind Power Generation      9 

    3.2.1 Power Curve of Wind Turbine      10 

    3.2.2 Variable Nature of Wind Power Generation      11 

3.3 Solar Energy Technology – Photovoltaic      12 

  3.3.1 Solar Irradiance & Insolation       13 

  3.3.2 Ideal Curve for PV Generation      13 

  3.3.3 Actual PV Output Profile      14 

  3.3.4 Daily Clearness and Variability Indices        14 

3.4 CEB’s Power System      15 

3.4.1 Generation Park      16 

    3.4.1.1 CEB Owned Plants      17 

    3.4.1.2 Independent Power Producers      18 

3.4.2 Typical Daily Demand Profile      19 

(5)

3.5 System Constraints with Variable Renewable Energy Integration  21 

3.5.1 Frequency Aspects      21 

3.5.1.1 Established Model for Frequency Control     22 

3.5.1.2 Time Delays for Frequency Response        24 

3.5.1.3 Grid Capacity Limitation for VRE Integration    25 

3.5.2 Voltage Levels      27 

3.5.3 Power Quality Issues      30 

3.6 Actual Targets for VRE in 2025      32 

3.6.1 Committed Addition for VRE on CEB’s Grid      33 

3.6.2 Additional Requirement for VRE Installations      34 

   

Chapter 3  Rodrigues Island Case Study –Analysis of Wind Farm Impact  on System Frequency 

1.0 Introduction      35 

2.0 Electrical System Overview      36 

  2.1 Generation Park       37 

  2.2 System Frequency Regulation       38 

2.3 Network Planning Criteria      38 

3.0 System Modeling and Methodology      39 

4.0 Impact of Wind Power Integration on System Frequency        41 

4.1 Generation Dispatch      41 

4.2 Maximum and Minimum Load Conditions      41 

4.3 Wind Speed Variation and Frequency Disturbance       41 

4.4 Study of Wind Farm Trip      42 

4.5 Study of Wind Farm Output Power Variation        44 

5.0 Recommendations      46 

 

Chapter 4  Inexpensive Methods to Allow Larger VRE Integration  

1.0 Introduction      48 

2.0 Proposed Low Cost Solutions        48 

(6)

Additional Base Generation  

2.1.2 Curtailment of Wind Farms      52 

2.1.3 Curtailment of Solar PV Output      53  2.2 Increasing Spinning Reserve on the Grid      53      2.2.1 Negative Impacts of Increasing Spinning Reserves    55  2.3 Keeping/Integrating High Inertia Generators on the Grid      56 

    2.3.1 H Constant      56 

2.3.2 Recommendation      59 

2.4 Decreasing Frequency Dead Band for Medium Speed Diesel Engines  59 

    2.4.1 System Frequency Response       60 

2.4.2 Factors Affecting Steady‐State Frequency Error     61  2.4.3 Modes of Generation of Existing Generating Units    62  2.4.4 Recommendation for an Enhanced Sys Freq. Regulation  63  2.4.5 Simulation Results with Modified System        63 

2.5 Geographical Dispersion of VREs      64 

2.5.1 Aggregated Power Fluctuations      65  2.5.2 Analysis of Dispersed PV on Power Output Variability  66  2.5.3 Overview of Methodology to Det. Impact of Dispersed PV  67 

2.5.4 Analysis Findings       67 

2.5.5 Recommendation      69 

 

Chapter 5  Energy Storage Systems for Mauritius 

1.0 Introduction      70 

  1.1 Understanding Storage Performances      70 

2.0 Proposal for Converting Champagne Hydro Plant into Pumped Storage Sys  71    2.1 Proposed Pumped Storage Solution at Champagne Power Station  72  2.2. Benefits with Proposed Pumped Storage System         73 

2.3 Recommendation      73 

3.0 Battery Technologies      74 

  3.1 Available Battery Technologies      74 

(7)

3.2.2 Stabilizing Wind Power Generation         76 

3.2.3 Stabilizing Solar PV Generation      78 

3.2.4 Advantages of NAS Batteries       79 

3.2.5 Sizing of NAS Batteries for Wind and Solar Energy Storage   80  3.2.6 Recommendation for Use of NAS Batteries      80 

 

Chapter 6  Automatic Generation Control (AGC) 

1.0 Introduction      82 

2.0 AGC Tasks      83 

3.0 AGC Strategies and Objectives      83 

4.0 Area Control Error (ACE)      84 

5.0 Philosophy of the AGC       85 

6.0 AGC for CEB’s Grid      85 

7.0 Findings from PB Power Consultant      87 

8.0 Conceptual Framework for AGC System      88 

 

Chapter 7  Conclusion & Recommendation  

1.0 Introduction      91 

2.0 Overall Assessment of Proposed Solutions      91 

3.0 Financial Implications      92 

4.0 Recommendations      96  5.0 Further Work     

   

(8)

Figure 1.0 – Energy Mix of Mauritius (2010) 

Figure 2.0 (a) ‐ Output profile from a Firm power plant  Figure 2.0 (b) ‐ Output profile from a Non‐Firm power plant  Figure 2.1 – Wind Turbine Operation 

Figure 2.2 – Typical Wind Turbine Power Curve  Figure 2.3 – Wind Turbine Output Profile 

Figure 2.4 – Solar PV Electricity Generation  Figure 2.5 – Ideal PV profile on a clear day 

Figure 2.6 – Category of Daily Profile based Clearness and Variability Indices  Figure 2.7 – Overview of CEB’s Power System 

Figure 2.8 – Share of Electricity Generation 

Figure 2.9 – Typical Summer and Winter Demand Profile  Figure 2.10 – Dispatching Order of Power Plants 

Figure 2.11 – System Frequency Balance Requirement with VRE  Figure 2.12 – Model for frequency control loop 

Figure 2.13 – Capacity Limit for VRE Integration 

Figure 2.14 – Model for Distribution Feeder using Lumped Load Approach  Figure 2.15 – Voltage Profile for Different Level of DG Integration 

Figure 2.16 – VRE Interconnection Point Depending on Capacity  Figure 2.17 – Brownout Condition 

Figure 2.18 – Harmonic Distortion on Voltage Profile  Figure 3.0 – Energy mix for Rodrigues Island (2011) 

Figure 3.1 – Typical daily load profile for Rodrigues Island   Figure 3.2 – Schematic diagram for the existing electrical system   Figure 3.3 – Redundancy in Transmission Line 

(9)

Figure 3.5 – Simulated response for a wind farm trip at 625 kW(max load condition)  Figure 3.6 – Simulated response for a wind farm trip at 300 kW (min load condition)  Figure 3.7 – Simulated response for a wind farm output power (1250kW) during the  maximum load condition 

Figure 3.8 – Simulated response for a wind farm output power (500kW) during the  minimum load condition 

Figure 3.9 – Wind power integration sustainable as a function of the system load  demand 

Figure 4.0 – Load Duration Curve 2012 

Figure 4.1 – Load Curve with Spinning Reserves 

Figure 4.2 – Specific Fuel Consumption and Engine Efficiency w.r.t. Engine Loading  Figure 4.3 – Frequency Response with low and high System Inertia 

Figure 4.4 – Governor Droop Characteristics of generating units  

Figure 4.5 – System frequency responses following the loss of generation  Figure 4.6 – Current Frequency Response for Medium Speed Diesel Engines  Figure 4.7 – System Frequency Response 

Figure 4.8 – SSDG Sites under Study 

Figure 4.9 – Aggregated PV Power at six Dispersed Locations 

Figure 4.10 – Aggregated PV Power Showing Max. Power Drop Rate  Figure 5.0 – Proposed Pumped Storage at Champagne Power Station  Figure 5.1 – Operating Principle of NAS batteries 

Figure 5.2 – Wind Power Stabilization with NAS Batteries  Figure 5.3 – NAS Battery Wind Power Stabilization 

Figure 5.4 – Solar PV Stabilization with NAS Batteries  Figure 6.0 – AGC System Overview 

Figure 6.1 – Tripping of 25 MW wind Farm at Peak Load Conditions 

(10)

Figure 6.3 – 50 MW wind Farm Trip with All Fort George Units on AGC (low load)  Figure 6.4 – Conceptual Framework for AGC System

 

   

(11)

Table 1.0 – Targets for Renewable Energy  Table 2.0 – CEB’s Owned Generation Park  Table 2.1 – Capacity Info of IPPs 

Table 2.2 – Inherent time delays for Response in Frequency Change  Table 2.3 –Energy Consumption Forecast 

Table 2.4 –Proposed Capacity VRE Installation  Table 2.5 – Committed VRE Projects 

Table 3.0 ‐ Installed Generation Capacity  

Table 3.1 ‐ System frequency response for wind farm trip at maximum load demand  Table 3.2 ‐ System frequency response for wind farm trip at minimum load demand  Table 3.3‐ Frequency variation for wind farm output power at max load demand  Table 3.4 ‐ Frequency variation for wind farm output power at min load demand  Table 4.0 – Minimum load requirement from IPPs 

Table 4.1 ‐ Analysis for the minimum load demand  Table 4.2 – H constant values for Generating Units  Table 4.3 – Current Mode of Operation of CEB Plants 

Table 4.4: Illustration of the improvement of the system frequency response with  additional generating units operating in droop‐control mode 

Table 5.0 – NAS Battery Comparison 

Table 7.0 – Proposed Solutions to Promote VRE Integration 

(12)

 

 

Chapter 1 

Introduction 

 

1.0 Introduction and Background 

Energy helps to drive the world economy and has a significant impact on the quality of  life and health of the population. Reliable and affordable energy has in the wake of the  recent surge in prices of petroleum products, never been as important as it is to‐day. It  is now central to our economic development and will continue to be an essential vector  on which the economic and environmental sustainability will depend [1].  

 

As  a  Small  Island  Developing  State  (SIDS),  Mauritius  is  exceptionally  vulnerable.  It  faces  similar  threats  to  its  survival  as  other  SIDS,  which  include,  inter  alia,  a  strong  reliance  on  a  depleting  natural  resource  base,  loss  of  biodiversity  and  degradation  of  essential  components  of  the  ecosystem,  and  a  heavy  dependency  on  fossil  fuels  and  other  imported  commodities  that  support  society.  Climate  change,  long  distances  that  separating  Mauritius  from  Africa  and  Asia,  coupled  with  rising  fuel  costs  exacerbates  the  situation  considerably.  Unless  substantial  and  effective  interventions  are  put  in  place soonest, the current and future generations may not be able to meet their needs.[1] 

 

Being aware of the susceptibility of the island towards energy security, the Government  of Mauritius is focused on diversifying the country’s energy supply, improving energy  efficiency, addressing environmental and climate change and modernizing our energy  infrastructure  in  order  to  meet  the  challenges  ahead.  Besides  security  of  supply  and  affordability, the Government is further confronted with another challenge namely that  of making a rapid shift to a low carbon, efficient and environmentally benign system of  energy supply [1]. 

(13)

CEB Hydro 4%

CEB HFO 40%

CEB  Kerosene

0.8%

IPP Coal 41%

IPP Bagasse 16%

2.0 The Electricity Sector in Mauritius 

2.1 Institutional Structure 

There are currently three main bodies related to energy sector in Mauritius namely: 

1) The  Ministry  of  Energy  and  Public  Utilities  (MEPU)  –  its  main  task  is  to  prepare energy policies and its portfolio energy, water and wastewater; and 

 

2) The  Central  Electricity  Board  (CEB)  ‐  which  was  established  in  1952,  is  empowered by the Central Electricity Board Act, 1964 to ʺprepare and carry out  development  schemes  with  the  general  object  of  promoting,  coordinating  and  improving  the  generation,  transmission,  distribution  and  sale  of  electricityʺ  in  Mauritius. The Electricity Act of 1939 (amended 1991), Electricity Regulations of  1939 and Central Electricity Board Act provide the legislative framework for the  electricity  sector.  The  CEB  produces  around  45%  of  the  countryʹs  total  power  requirements  from  its  4  thermal  power  stations  and  8  hydroelectric  plants,  the  remaining  55%  being  purchased  from  Independent  Power  Producers  (IPPs),  mainly sugar industry owned, who produce electricity from bagasse or coal. 

 

2.2 Electricity Generation Mix 

The electricity generation mix in Mauritius is essentially based on fossil fuels (82%) such  as coal, fuel oil and kerosene. The remaining share is met from renewable sources such  as bagasse and hydro. The pie‐chart below illustrates the energy mix of Mauritius as of  year 2010.  

         

Figure 1.0 – Energy Mix of Mauritius (2010) 

(14)

It  can  be  observed  from  Figure  1.0  that  bagasse  and  hydro  (the  data  includes  also  landfill gas sources) are the three major renewable resources, cumulatively contributing  around 18% fuel requirement for electricity generation in Mauritius. Other than bagasse  and hydro, Mauritius has no known indigenous occurrence of natural resource of fuel  such  as  oil,  natural  gas  or  coal  reserves  and  therefore  it  is  heavily  dependent  on  imported  energy  sources.  Fossil  fuel  accounts  for  approximately  82%  of  the  total  fuel  consumed for electricity generation. 

 

2.3 Long Term Energy Strategy 2009‐2025 

In October 2009, the Government of Mauritius (Ministry of Energy and Public Utilities)  issued  a  Long  Term  Energy  Strategy  (LTES)  document  which  globally  presents  the  vision of the energy sector on the island for the planning period until 2025. The LTES  document lays particular stress on the development of renewable energy, reduction of  dependence  on  imported  fossil  fuel  and  the  promotion  of  energy  efficiency  together  with  the  Government’s  objective  to  promote  sustainable  development  in  line  with  the 

“Maurice Ile Durable”1 vision [1]. 

   

2.3.1 Renewable Energy (RE) Targets 

 

Among  the  critical  recommendations  of  the  LTES  document  are  the  milestone  targets  for  renewable  resources  in  the  energy  mix.  The  current  share  of  RE  for  the  base  year  (2010) was 20% (comprising 16% bagasse and 4% hydro generation) and the goal is to  increase this share to 35% in 2025. The transition strategy for shifting towards this target  is shown in Table 1.0 below. 

           

      

1 It is the vision of the Government to make Mauritius a sustainable island. Energy is one of the five elements  which are covered under it.  

(15)

       

             

Table 1.0 – Targets for Renewable Energy in Mauritius   (Source: Long Term Energy Strategy 2009‐2025)  

 

3.0 Potential Barriers to Achieve the RE Targets 

The energy policy of Mauritius has set targets on RE generation and at the same time  curbing the dependency on fossil fuels. However, there are some major hurdles that lie  ahead in order to meet those targets. These hurdles are identified below: 

 

 High Investment Cost 

The costs for RE technologies are very high as compared to other conventional sources  of  power  generation,  and  therefore  act  as  major  obstacle  in  moving  towards  these  sources.  Moreover,  since  Mauritius  is  prone  to  cyclones,  the  renewable  sources  of  generation should be constructed more robustly in order to be able to withstand gusts  of the order of 350 km/hr. The cyclonic resistant technologies further increase the initial  investment cost. 

 

Fuel Source 

Percentage of Total Electricity  Generation 

2010  2015  2020  2025 

Renewable 

Bagasse  16%  13%  14%  17% 

Hydro  4%  3%  3%  2% 

Waste to energy  0  5%  4%  4% 

Wind  0  2%  6%  8% 

Solar PV  0  1%  1%  2% 

Geothermal  0  0  0  2% 

Sub‐total  20%  24%  28%  35% 

Non‐

Renewable 

Fuel Oil  37%  31%  28%  25% 

Coal  43%  45%  44%  40% 

Sub‐total  80%  76%  72%  65% 

Total  100%  100%  100%  100% 

(16)

 

 Variable in Nature 

Most  renewable  sources  of  power  generation,  such  wind  and  solar  are  intermittent  in  nature, that is, they do not give a constant power output all the time. In this case, other  power  sources  are  needed  as  back‐up  to  compensate  for  the  dips  in  output.  Such  problem is not encountered with conventional sources such as coal and diesel engines. 

 

 Site Specific 

RE technologies are very site specific implying that they can only be optimized if they  are  installed  at  the  appropriate  sites.  Otherwise,  their  energy  output  would  be  so  low  that the project would no longer be bankable – Financing bodies would be reluctant to  provide loans for such projects. 

 

 Low Efficiencies 

Renewable  technologies  have  comparatively  low  efficiencies  of  power  conversion  and  are often deemed not so economical for promoters to venture in these types of projects. 

An  example  is  the  conversion  of  solar  power  by  a  polycrystalline  PV  panel,  having  typically  an  efficiency  of  only  about 15 % as  compared  to  a  coal  plant which  is  of  the  order of above 30% while that of a diesel engine plant is around 45%.  

 

 Technologies Still in Experimental Stage 

Some RE technologies are still at experimental stage and there is long time for them to  reach  full  commercial  operation.  For  instance  Mauritius  is  surrounded  by  sea  but  harnessing marine energy is still a far‐fetched concept. One example is the “Pelamis”2  which uses wave motion to generate electricity. However, same is still under trial stage.  

 

4.0 Objectives of the Thesis 

The Government policy aims at reducing the dependency on fossil fuels and promoting  energy  generation  from  local  renewable  sources  on  the  island  of  Mauritius.  However,  increasing the current share of renewable energy from 20% to 35% by 2025 as stated in  the  LTES,  implies  major  investments  in  RE  development  and  at  the  same  time  in  research  studies  in  view  to  mitigate  the  upcoming  challenges  related  to  the  increased  Variable Renewable Energy (VRE) share in the island energy system.  

      

2The Pelamis is an offshore wave energy converter that uses the motion of waves to generate electricity 

(17)

The  primary  aim  of  this  thesis  work  is  therefore  to  identify  the  major  problems  and  complexities arising from the increasing share of VRE, more specifically related to grid  stability, security operation and power quality. If these problems are not resolved at the  very beginning, unconscious continuous addition of VRE may result in frequent power  outages, abnormal voltage levels and poor power quality to electricity consumers.  

It  is  therefore  imperative  that  a  complete  study  be  carried  out  identifying  all  hurdles  with increasing VRE and providing the necessary solutions for each of them.  

In light of the above, this thesis has been entitled as: 

” Meeting the Challenges for Increasing the Share of Variable Renewable Energy in  the Generation Mix in Mauritius” 

 

5.0 Outline of the Subsequent Chapters 

 

Chapter  2  ‐  Analysis  of  the  complexities  associated  with  increased  penetration  of  variable renewable energy sources in an isolated grid, in particular wind and solar;  

Chapter  3  –  Description  of  a  case  study  in  Rodrigues  Island  on  how  fluctuations  in  wind power generation affect grid stability and security; 

Chapter 4 – Details some of the inexpensive solutions available that can improve grid  stability while at the same time increasing the share of variable renewable energy in the  generation mix.  

Chapter  5  –  Discusses  about  the  use  of  storage  systems  in  particular  pumped  storage  and  battery  systems  such  as  Sodium  Sulphide  (NAS)  batteries  as  ways  to  mitigate  fluctuations in output power from wind/solar sources; 

Chapter 6 – Considers the implementation of Automatic Governing Control (AGC) on  the high response generators on the grid. 

Chapter  7  –  Assesses  and  summarizes  the  different  options  available,  provides  conclusions and recommendations.  

   

(18)

Chapter 2 

Negative Impact of Variable Renewable Energy on  Isolated Grid Systems 

 

1.0 Rationale  

One  of  the  ways  to  classify  power  generation  technologies  nowadays  is  whether  the  power  output  from the  technology  is  steady  or  unsteady  (time  varying). Formerly,  all  conventional power generation technologies such as diesel engines, coal plants, nuclear,  hydro  and  biomass  provide  constant  power  outputs,  which  can  be  varied  by  the  grid  operator  depending  on  the  electricity  demand.  However,  after  most  industrial  and  developing countries have signed the Kyoto Protocol, there has been a paradigm shift  towards decreasing usage of fossil fuels and harnessing more energy from renewables,  whereas  wind  and  solar  technologies  have  quickly  developed  to  widespread  commercial  applications.  The  advantages  of  renewable  electricity  are  many,  including  reduced  environmental  impact,  potential  for  lower  costs  and  reduced  dependence  on  imported  fuels.  However,  some  forms  of  renewable  electricity  —  notably  wind  and  solar  —  can  aggravate  the  operational  challenge  of  meeting  electricity  demand  while  maintaining  the  power  quality.  The  output  of  wind  and  solar  plants  varies  with  the  resource (the wind and the sun, respectively), and it is not possible to ramp these plants  according to the actual demand. Instead, electricity system operators must simply take  what they can get from these plants, and use “dispatchable” fossil‐fired power plants to  fill in any gaps. 

 

2.0 Comparison between Steady and Variable Renewable  Power Generation Technologies 

By  definition,  a  firm  power  plant  is  one  whose  power  is  available  at  scheduled  times  and at controllable levels. In contrast, a non‐firm (or varying) power plant is defined as  one  whose  capacity  cannot  be  scheduled  with  certainty.  The  power  supplied  is  very  much dependent on the availability of the renewable energy resource [2].  

 

(19)

Typical power output profiles for a firm (dispatchable) and a non‐firm (stochastically  variable) power plants are illustrated in figures 2.0 (a) and 2.0 (b) respectively. 

                 

Figure 2.0 (a) Firm power plant          Figure 2.0 (b) Non‐Firm power plant  (Source: Integrated Electricity Plan 2013‐2022) 

 

3.0 Variable Renewable Energy Technologies 

 

Currently, among mature renewable energy technologies, wind and solar (photovoltaic)  generations provide variable outputs as they depend on the natural availability of the  resource to generate power. For the purpose of this thesis, the negative impacts of these  two specific technologies will be considered and covered in the sections which follow. 

 

3.1 Wind Energy Technology 

 

3.1.1 Source of Wind 

 

The true source of the energy found in the wind resource is the sun. Global winds are  caused by pressure differences across the earth’s surface due to the uneven heating of  the earth by solar radiation. For example, the amount of solar radiation absorbed at the  earth’s  surface  is  greater  at  the  equator  than  at  the  poles.  The  variation  in  incoming  energy sets up convective cells in the lower layers of the atmosphere, which are known  as the troposphere [3]. 

 In a simple flow model, air rises at the equator and sinks at the poles. The circulation of  the atmosphere that results from uneven heating is greatly influenced by the effects of  the  rotation  of  the  earth.  In  addition,  seasonal  variations  in  the  distribution  of  solar 

(20)

energy give rise to variations in the circulation. The spatial variations in heat transfer to  the earth’s atmosphere create variations in the atmospheric pressure field that cause air  to  move  from  high  to  low  pressure.  There  is  a  pressure  gradient  force  in  the  vertical  direction, but this is usually cancelled by the downward gravitational force. Thus, the  winds  blow  predominately  in  the  horizontal  plane,  responding  to  horizontal  pressure  gradients. [3] 

 

3.2 Wind Power Generation 

Energy  can  be  harnessed  from  the  wind  through  wind  turbines.  They  convert  the  kinetic  energy  in  wind  into  electricity.  The  figure  illustrates  a  wind  turbine  extracting  the energy from wind and converting it into electricity.  

         

 

Figure 2.1 – Wind Turbine Operation (Source: [4]) 

The power from the wind that can be converted is given by the following formula: 

P = ½ C

p

ρAV

3

Where: 

P – Power extracted from wind (W) 

Cp – Power Coefficient of the energy conversion device (wind turbine rotor) 

ρ

 – Density of air (assumed to be 1.225 kg/m3 in standard conditions) 

(21)

A – Swept area of the rotor (m2) 

V – Velocity of the undisturbed wind (m/s) 

 

As it can be observed from the formula, the power is proportional to the cube of wind  velocity. This implies that if wind speed is doubled, the extracted power from the wind  turbine would increase eight times. 

However,  not  all  of  the  available  wind  power  can  be  extracted  by  the  turbine.  The  power coefficient gives therefore the ratio of the power extracted by the wind turbine to  the power available in the undisturbed wind: 

C

p

= P

WT

/ P

air

It can be shown that for any turbine device in a free‐flowing fluid stream, the theoretical  maximum  power  that  can  be  extracted  is  59.3%.  This  is  referred  to  as  the  Betz  limit. 

Modern wind turbines have power coefficients of the order of 35% to 45%. 

 

3.2.1 Power Curve of Wind Turbine 

 

The  power  output  of  a  wind  turbine  varies  with  wind  speed  and  every  wind  turbine  has a characteristic power performance curve. The figure below presents an example of  a power curve for a hypothetical wind turbine. 

                       

 

Figure 2.2 – Typical Wind Turbine Power Curve (Source: [4]) 

(22)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0 5 10 15 20

Active poweoutpuof a 1MW  Wind TurbinGenerato(MW)

Time of the day (Hours)

With  such  a  curve  it  is  possible  to  predict  the  energy  production  of  a  wind  turbine  without considering the technical details of its various components. It should be noted  that the performance of a particular wind turbine generator can be associated to three  fundamental points on the velocity scale and these are: 

 

 Cut‐in speed: the minimum wind speed that is needed for the machine to deliver  useful power. 

 Rated wind speed: the wind speed required for the rated power to be reached. 

 Cut‐out speed: the maximum wind speed that is allowed for the turbine to deliver  power without endangering its integrity. 

 

3.2.2 Variable Nature of Wind Power Generation 

 

As explained in the above section, the power output from a wind turbine is dependent  on  the  characteristic  of  its  power  curve.  Since  the  wind  speed  is  always  varying  with  time, the power output from a wind turbine is also fluctuating depending on the wind  speed.    Wind  speeds  vary  with  time  of  day,  time  of  year,  height  above  ground  and  location on earth surface. This makes wind generators in what might be called energy  producers rather than power producers.  

A wind turbine produces only when wind is available. At a good site, the power output  would be zero (or very small) for around 10% of the time, rated for about another 10% 

of the time and at some intermediate value for the remaining 80% of the time.  

Figure 2.3 below shows the five minutes interval wind production from a typical 1 MW  wind turbine over a 24 hour period. 

 

   

             

 

Figure 2.3 – Wind Turbine Output Profile 

(23)

3.3 Solar Energy Technology ‐ Photovoltaic 

 

Among  the  different  solar  technologies  available  for  generating  electricity,  we  shall  consider solar photovoltaics (PV) for the analysis in this thesis. Solar PV is a method of  generating electrical  power by  converting  solar  radiation  into  direct  current electricity  using  semiconductors  that  exhibit  the  photovoltaic  effect.  Photovoltaic  power  generation  employs  solar  panels  composed  of  a  number  of  solar  cells  containing  a  photovoltaic  material,  based  on  different  production  technologies.  Materials  presently  used  for  commercial  PV  include  monocrystalline  silicon,  polycrystalline  silicon,  amorphous silicon, cadmium telluride, and copper indium gallium selenide/sulfide. [5] 

 

Photovoltaics are best known as a method for generating electric power by using solar  cells to convert energy from the sun directly into a flow of electrons. The photovoltaic  effect refers to photons of light exciting electrons into a higher state of energy, allowing  them to act as charge carriers for an electric current. Figure 2.4 below depicts the basic  principle of PV electricity generation.  

                                 

Figure 2.4 – Solar PV Electricity Generation (Source: [5])   

(24)

3.3.1 Solar Irradiance & Insolation 

The solar resource at a given time is dependent on the weather conditions and on the  time period examined. Irradiance and insolation are the two common and well defined  measures of solar resource.  

 

Irradiance is a measure of solar power on a given plane (e.g. on a horizontal plane) and  is  usually  expressed  in  W/m2.  The  power  output  from  a  PV  plant  is  generally  proportional  to  the  irradiance  across  the  PV  plant’s  footprint.    Since  plant  output  is  proportional to irradiance, variability in irradiance is informative about the variability  in plant power output. Irradiance can be measured by using pyranometers. 

 

Insolation,  on  the  other  hand,  is  defined  as  the  energy  received  over  time  i.e.  the  integration of irradiance. Typical daily values range from 2 to 7 kWh/m2 depending on  location, array tilt, time of year and weather. In Mauritius, insolation level is higher in  summer months than winter months.  

   

3.3.2 Ideal Curve for PV Generation 

 

An  idealized  PV  output  profile  on  a  clear  day  is  shown  in Error!  Reference  source  not  found.2.5  below.  Usually,  the  angle  of  the  sun  to  the  solar  modules  is  very  low  in  the  morning, though the day is ‘bright’ to the eye, resulting in a low power output. As the  sun moves more directly in front of the modules, the output rises to a peak value which  occurs at noon when the sun is almost perpendicular to the PV modules. Then, as the  sun begins to decline, the angle gets lower and a decrease in power output is noticed.  

 

                 

Figure 2.5 – Ideal PV profile on a clear day (Source: [6]) 

(25)

3.3.3 Actual PV Output Profile 

 

Solar  photovoltaic  technology  is  an  intermittent  source  of  power  generation  as  it  depends  on  the  amount  of  light  energy  in  a  given  location.  As  expected,  the  resource  generally rises as the sun rises and falls as it sets. Perhaps, not as expected, the resource  can be highly variable within time frames of seconds to minutes, changing quickly with  passing  clouds.  No  two  days  are  similar.  Some  days  may  be  clear,  others  are  partly  cloudy while others are overcast. 

3.3.4 Daily Clearness and Variability Indices 

Looking day to day gives a perspective on the variation for a particular location and the  time  period.  A  method  for  classifying  days  as  more  or  less  variable  is  proposed.  This  method uses a combination of the classical daily clearness index and a new daily variability  index  defined  by  Sandia  National  Laboratories.  Research  is  being  conducted  to  determine if distinguishing variability in this manner can be used by utility generation  planners and grid operators in making decisions. [7] 

The  daily  clearness  index  (CI)  is  defined  as  the  ratio  of  solar  energy  measured  on  a  given surface to the theoretical maximum energy on the same surface during a day with  clear skies: 

Daily Clearness Index =   

 

The  calculated clear  sky  solar  insolation  can be calculated from a number of  clear sky  models. Typical values for the daily clearness index range from 0.0 to 1.1. Values greater  than 1.0 can be obtained in practice because clear sky models may not be exact for every  hour at any given location. [7] 

The daily variability index is the variability in the measured irradiance, relative to the  variability  of  the  calculated  clear  sky  irradiance,  with  each  quantified  by  length  of  irradiance versus time plot of the day. Typical values for daily variability index range  from 1 to 30 and are determined using the following equation: 

 

Daily Variability Index =   

(26)

Using combinations of the daily clearness index and the variability index, variability in  irradiance  can  be  qualitatively  categorized  as  shown  in  Figure  2.6  below,  using  five  categories  of  variability  conditions;  high  variability,  moderate  variability,  mild  variability,  clear  and  overcast  days.  Example  of  each  type  of  day  is  shown  with  a  corresponding value for variability index and clearness index [7]. 

                             

     

Figure 2.6 – Category of Daily Profile Based Clearness and Variability Indices        (Source: [7]) 

               

(27)

3.4 CEB’s Power System 

 

The  figure  below  gives  a  broad  overview  of  the  CEB’s  generation,  transmission  and  distribution systems on the island of Mauritius.  

                       

 

Figure 2.7 – Overview of CEB’s Power System (Source: [2])   

In general, power is generated at 11 kV (in some cases at 6.6 kV) and is stepped up to  high voltage (HV) at 66 kV via power transformers.  It is then transmitted to different  substations where the 66 kV is stepped down to 22 kV medium voltage (MV). The main  reason  for  high  voltage  transmission  is  to  minimize  the  effect  of  network  losses.  A  distribution network at 22 kV covers the island through different feeders. At consumer  end, the medium voltage is further stepped down to 415 V via distribution transformers  and then supplied to consumers. In the urban areas, the 22 kV is first stepped down to  6.6 kV at substations and then transmitted to distribution transformers. 

(28)

3.4.1 Generation Park 

The total electricity generation of the country is met by both CEB’s owned power plants  (mainly  based  on  fuel  oil  and  hydropower)  and  independent  power  producers  IPPs  which are mostly coal/bagasse fired power plant. The share of CEB to IPP generation for  year 2012 is depicted in Fig. 2.8 below.  

 

   

   

 

Figure 2.8 – Share of Electricity Generation  3.4.1.1 CEB Owned Plants 

The CEB owns four thermal power plants, out of which three operate on heavy fuel oil  while  the  last  one  operates  on  kerosene  (Jet  A1).  The  total  effective  capacity  for  the  thermal units is approximately 386 MW. The CEB also has nine hydro generating units,  making a total effective capacity of 55 MW, scattered over the island. The biggest hydro  plant (2 x 14 MW) is generally dispatched as a peaking unit while the remaining ones  are  utilized  as  and  when  there  is  availability  of  water.    The  table  below  gives  a  more  elaborated understanding of the CEB’s owned power plants. 

 

Power Plants  No. of Units  Eff. Capacity  (MW) 

Technology Dispatching

Fort George  5  134  Slow Speed Diesel  Base Load 

Saint Louis  9  71  Medium Speed 

Diesel 

Semi Base Load 

Fort Victoria  8  107  Medium Speed 

Diesel 

Semi Base Load 

Nicolay  3  74  Open Cycle gas 

Turbine 

Peaking 

Hydro Units  9  55  Hydro Turbines  Base / Peaking 

 

Table 2.0 – CEB’s Owned Generation Park 

(29)

3.4.1.2 Independent Power Producers 

 

CEB is presently managing Power Purchase Agreements (PPAs) with five IPPs, which  operate on a steady output basis. The largest of the IPPs is the ‘Compagnie Thermique  de Savannah’ (CTSav), which was commissioned in 2007. Its net total export capacity is  74  MW.  All  the  IPPs,  with  the  exception  of  ‘Compagnie  Thermique  Du  Sud’  (CTDS),  operate  on  bagasse  in  the  crop  season  and  on  coal  during  inter‐crop  season.  In  the 

‘bagasse’ mode of operation, the IPPs export less power to the CEB’s grid, as some of  the  produced  steam  is  sent  to  the  nearby  sugar  factories  for  sugar‐cane  production  processes [2]. 

 

Among the IPPs, three, namely CTBV, FSPG and CEL, have ‘take‐or‐pay’ contracts with  CEB.  The  ‘take‐or‐pay’  principle  means  that  the  CEB  shall  pay  for  the  contractual  energy amount even if the energy is not dispatched, while the power plant is available. 

The PPAs of these IPPs include the purchase of energy on the single‐part tariff model. 

For  the  other  two  IPPs  (CTDS  and  CTSav),  CEB  negotiated  the  two‐part  tariff  model,  which treats Capacity and Energy Charges as two different cost elements [2]. 

The table below provides the names of the IPPs and their corresponding power output  in both coal and bagasse modes of operation.  

 

IPPs  Eff. Capacity (MW) ‐ Coal Eff. Capacity (MW) ‐ Bagasse

CTSav  74  65.5 

CTBV  62 46 

CTDS  30  N/A 

FUEL  27  20 

CEL  22  11 

Total  215 172.5 

   

Table 2.1 – Capacity Information of IPPs   

   

(30)

3.4.2 Typical Daily Demand Profile 

An  examination  of  the  day‐to‐day  demand  curves  discloses  that  electricity  demand  is  not same over time. It varies constantly irrespective of the day. In Mauritius, based on  seasonality,  two  typical  demand  curves  are  found,  as  shown  in  Figure  2.9  below.  The  hourly values along the curves are expressed in per unit (as ratios of the highest peak). 

 

               

  Figure 2.9 ‐ Typical Summer and Winter Demand Profile (Source: [2])  It is projected that the system load factor is typically 83% in summer and 68% in winter  months. This higher demand in summer is caused primarily by air conditioning loads  and same accounts for 20‐30% increase on the winter demand profile. 

 

3.4.3 Dispatching Order of Generating Units 

The  CEB  generally  adopts  an  economic  approach  in  dispatching  the  available  generating units.  Usually,  IPPs  coal/bagasse  plants and  Fort  George  power station  are  operated  as  base  load  generators.  The  medium  speed  diesel  units  are  dispatched  as  semi base load generators i.e. they are started early in the morning and cease operation  after  meeting  the  evening  peak  demand.  Lastly,  the  hydro  unit  and  Nicolay  are  dispatched as peak load generators as they can ramp up and synchronize very rapidly  to the grid to meet the peak demand. Figure 2.10 below illustrates how generators are  dispatched in order to meet a particular day demand.   

(31)

                           

 

Figure 2.10 – Dispatching Order of Power Plants 

 

3.4.4 System Frequency 

For the security and stability of the CEB’s power system, it is required to systematically  match  the  total  power  generated  with  the  prevailing  load  demand.  The  system  frequency for CEB power system is 50 Hertz (Hz). When both are balanced, the system  frequency  is  50  Hz.  However,  if  demand  is  higher  than  the  generation,  then  the  frequency goes lower than 50 Hz and vice versa. The following 3 scenarios are possible: 

o Power generation = Load demand, Frequency held constant at 50 Hz  o Power generation > Load demand, Frequency > 50 Hz 

Base Load  Generators  F. George  

& IPPs 

Semi Base Load  Generators  St Louis &  

F. Victoria  Peaking Units  Hydro and  Nicolay 

(32)

o Power generation < Load demand, Frequency < 50 Hz 

 

Generally, a spinning reserve equivalent to 10% of the prevailing peak demand is kept  synchronized to the grid. In the event a generator trips from the grid, the hot spinning  reserve  shall  provide  the  necessary  quick  response  to  restore  the  system  frequency  to  nominal 50 Hz. 

 

 

3.5 System Constraints with Variable Renewable Energy Integration 

 

While  the  integration  of  firm  renewable  energy  sources,  such  as  coal,  hydro  and  biomass,  does  not  pose  technical  challenges  or  constraints,  the  time‐varying  nature  of  wind  and  solar  power  presents  challenges  with  respect  to  system  stability,  security,  operation  and  power  quality.  These  challenges  are  of  particular  concern  for  a  small‐

sized and insular power system, such as for the CEB, which is characterized by a small  number of generating units, low spinning reserve and low system inertia3. [2] 

There are three principal aspects that need to be considered prior to integrating variable  renewable  energy  into  the  grid  system  in  order  not  to  jeopardize  grid  stability  and  security.  These are: 

1) Frequency Aspects  2) Voltage Levels  3) Power quality issues 

 

3.5.1 Frequency Aspects 

As per regulatory requirements, CEB has to maintain the supply frequency within ±0.75  Hz  of  the  nominal  value  50  Hz  so  as  to  ensure  the  safe  and  reliable  operation  of  electrical equipment and appliances on the consumer end. 

 

For planning purposes, CEB uses the limit of ±0.5 Hz for system frequency deviation to  ensure system stability, security and the reliability of supply. The limit of ±0.5 Hz caters  for  the  condition,  whereby  a  generator  trip  coincides  with  the  minimum  system  frequency,  caused  by  a  sudden  drop  in  time‐varying  renewable  energy  generation,  to  help in minimizing the extent of load shedding and the risk of total system breakdown. 

      

3 System inertia is a measure of the total rotating mass in the power system 

(33)

Under  normal  operating  condition,  by  ensuring  system  frequency  within  the  stated  limits, power generation safely matches system demand. The frequency band of ±0.5 Hz  around  the  nominal  value  of  50  Hz  enables  safe  system  control  during  any  mismatch  between instantaneous demand and supply. The mismatch is due to the inherent delays  of the generating units to follow the varying load demand [2]. 

However, as a larger integration of variable renewable energy systems is contemplated,  imbalances are caused between power generation and load demand thereby increasing  the  frequency  deviation  from  the  nominal  value.  Figure  2.11  below  illustrates  the  balance  that  needs  to  be  kept  in  terms  of  spinning  reserve  when  variable  RE  is  connected to the grid. 

   

           

 

 

Figure 2.11 – System Frequency Balance Requirement with VRE (Source: [8]) 

 

3.5.1.1 Established Model for Frequency Control  

In  order  to  assess  the  stability  of  a  network,  dynamic  models  of  the  frequency  and  voltage  control  systems  of  generation  units  are  required.  CEB’s  models  have  been  developed in the DigSILENT Power factory Software4, using the IEEE standard models        

4  DigSilent Power Factory is the software tool used for system planning studies 

Non-firm RE generation

Spinning reserve Firm

generation

Rise in power output from non-Firm RE farms 50 Hz

> 50 Hz

< 50 Hz Drop in power output from non-firm RE farms

Load demand Power generation

Load demand

(34)

and  have  been  validated  through  field  tests  and  measurements.  Figure  2.12  below  depicts a block diagram in the S‐domain for the active power frequency control. 

 

             

 

 

Figure 2.12 – Model for frequency control loop (Source: [2])  Where:  

 

The governor continuously senses the grid frequency and compares it with the nominal  frequency  of  50  Hz  (reference  frequency).  In  the  event  there  is  a  change  in  the  grid 

(35)

frequency,  the  deviation  between  the  system  frequency  and  the  reference  frequency  causes an error in the governor. The latter then sends a signal to the fuel valve system  and adjusts the fuel admission to the prime mover thereby regulating the power output  to the grid. In so doing, the grid frequency is readjusted to 50 Hz. 

The frequency response of the power system is different for the low‐demand conditions  and high‐demand conditions, due to different amount of spinning reserve and system  inertia.  Higher  load  demand  is  associated  with  higher  level  of  spinning  reserve  and  higher system inertia, therefore, the impact of variable renewable energy on the system  frequency is less. 

 

For  each  of  the  low‐demand  and  the  high‐demand  conditions,  the  maximum  level  of  variable renewable energy that can be integrated has been determined by increasing the  level in step and determining the corresponding maximum system frequency deviation,  which is caused by the variable power output from the renewable energy farms.  

 

The  maximum  renewable  energy  integration  is  taken  as  that  value  which  brings  a  maximum operational system frequency deviation of ±0.5 Hz. 

 

3.5.1.2 Time Delays for Frequency Response   

The above simplistic frequency loop model applies only in ideal cases. In reality, there  are  time  delays  between  sensing  the  deviation  in  frequency  and  responding  to  corrective actions (i.e. adjusting the output power). Even  firm generating units cannot  instantly  increase  their  power  output  to  compensate  for  the  change  in  power  output  from  the  variable  renewable  energy  sources  due  to  the  inherent  delay  of  governor,  prime‐mover and generator to operate and change the unit active power output.  

Time delays are very dependent on the available technology.  Hydro turbines and diesel  generators can be inherently fast in ramping up and down, while e.g. the response from  a coal‐fired unit is comparatively slow as it is limited by the steam valve opening and  closing rates together with the thermal inertia and the inherently slow ramping rate of  the steam boiler.  

Table 2.2 below gives an idea of the time delays on the different available technologies. 

It is to be noted that the total delay of the generating system is the sum of the governor, 

(36)

actuator and prime‐mover time delays. The steam  valve opening  and closing rates for  coal‐fired generating units also determine the generating system response.  

 

Generating unit   Governor  and  actuator  time  delay (sec)  

Prime‐mover  time  delay (sec)  

Medium‐speed diesel (St  Louis and Fort Victoria) 

0.5601 sec  0.045 sec 

Slow‐speed  diesel  (Fort  George 1‐2) 

0.5601 sec  0.217 sec 

  Slow‐speed  diesel    (Fort 

George 3‐5) 

0.5601 sec  0.210 sec 

Coal‐bagasse (Spreader‐

stoker technology) 

Actuator  and  servo  delay  =0.2   sec 

Valve  opening  time,  Uo=0.002  pu/sec 

Valve  opening  time,  Uc=‐0.008  pu/sec 

0.500 sec 

Pulverized coal  technology 

Governor  servomotor delay=0.2  sec 

Servomotor  rate  limit  (closing)=0.3MW/sec 

Servomotor  rate  limit  (opening)=0.4MW/sec 

Steam  header  and  inlet  piping  time  constant=0.1 sec 

 

Table 2.2 – Inherent time delays for Response in Frequency Change (Source [9])   

3.5.1.3 Grid Capacity Limitation for VRE Integration 

With  the  current  statutory  limits  for  frequency,  simulation  studies  have  shown  that  there  is  a  limit  of  integrating  VRE  in  the  actual  grid  system.  The  limit  shall  of  course  depend  on  the  prevailing  load  demand.  The  diagram  on  figure  2.13  illustrates  the  capacity limits for accommodating VRE with respect to load demand while at the same  time remaining within the allowable frequency tolerances.   

 

(37)

 

   

                   

Figure 2.13 – Capacity Limit for VRE Integration (Source: [2])   

As  can  be  observed  in  the  figure  above,  X1  and  X2  represent  the  maximum  level  of  variable  renewable energy  (MW) that  can  be  safely  integrated  in  the  Mauritius Power  System during minimum and maximum load (demand) conditions respectively, while  maintaining the system frequency within ±0.5 Hz of the nominal value of 50 Hz.  X1 and  X2 are determined by the level of demand and the amount and quality (response time  of the generation system) of spinning reserve.  

 

Generally,  in  our  context,  the  minimum  demand  conditions  occur  between  midnight  and six o’clock in the morning, when solar energy source is not available. On the other  hand, the maximum demand conditions occur during the daytime. Usually, during the  daytime  period  both  solar  and  wind  power  can  be  tapped  off.  Given  these  specific  conditions, it is therefore possible to optimize the integration of time‐varying renewable  energy through a mix of wind and solar power technologies. 

(38)

3.5.2 Voltage Levels 

As per regulatory requirements, CEB needs to maintain a single‐phase voltage of 230 V 

± 6% at customers’ terminals. Renewable energy generators are operated in the power  factor  control mode  (nearly  unity  power  factor) and  their interconnections  to  the  low‐

voltage network or medium‐voltage network inevitably lead to rise in voltage.  

A similar approach to that of frequency model has been adopted for voltage analysis in  the  DigSilent  Software.  In  fact,  steady‐state  models  of  typical  medium‐voltage  distribution  feeders  and  low‐voltage  distributed  feeders  have  been  developed;  where  the electrical lines, transformers, loads and equivalent grid system have been accurately  modeled. Figure 2.14 below illustrates the model of distribution feeder using a lumped  load approach.  

               

 

Figure 2.14 – Model for Distribution Feeder using Lumped Load Approach (Source: [2])  The maximum level of renewable energy that can be integrated on a low‐voltage feeder  and a medium‐voltage feeder has been determined by increasing the level of renewable  energy in step until the voltage reaches the upper limit of ±6% of the nominal value. The  diagram  below  in  Figure  2.15  shows  that  if  high  level  of  integration  of  distributed  generation  (DG),  which  can  be  either  wind  or  solar,  gets  connected  across  one  of  the  nodes, the voltage levels may rise outside permissible limits in the event demand is low  and DG is at full capacity. 

(39)

                     

Figure 2.15 – Voltage Profile for Different Level of DG Integration (Source: [2]) 

 

In order to avoid situations as shown above, the following principle has been adopted  at CEB: 

1. Maximum RE farm capacity that can be interconnected to a low‐voltage feeder is  50  kW.  This  type  of  RE  installation  falls  under  the  existing  Small‐Scale  Distributed Generation (SSDG) Scheme5.  

2. Depending  on  the  location  and  specific  feeder’s  absorption  capacity,  maximum  RE farm capacity that can be interconnected to existing medium‐voltage (22 kV)  feeders is 2 to 4 MW. Connection of such RE installation requires a prior detailed  system study under the Medium‐Scale Distributed Generation (MSDG) Scheme. 

 

3. Depending on the technology and the substation’s absorption capacity, RE farms  of capacity above 4 MW up to 10 MW can be connected through dedicated 22 kV  line to the CEB’s 22 kV busbar. 

      

5 The SSDG scheme allows residential consumers to produce their own electricity (through either wind, solar PV or  hydro) for their own consumption and sell the excess to the grid at a pre‐determined feed‐in tariff. 

(40)

 

4. RE farms of capacity more than 10 MW have to be connected to the CEB’s 66 kV  substation busbar system. 

 

The  diagram  in  Figure  2.16  below  illustrates  the  point  of  interconnection  for  VRE  of  different capacities: 

                       

 

 

Figure 2.16 – VRE Interconnection Point Depending on Capacity (Source: [2])  In  addition  to  the  voltage  rise,  the  variable  power  output  from  the  RE  farms  leads  to  fluctuation  in  voltage  along  the  low‐voltage  and  medium‐voltage  feeders.  As  a  mitigation  measure,  advanced  automatic  voltage  control  will  be  required  for  power  transformers and capacitor banks in substations. 

 

References

Related documents

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Generally, a transition from primary raw materials to recycled materials, along with a change to renewable energy, are the most important actions to reduce greenhouse gas emissions

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

Coad (2007) presenterar resultat som indikerar att små företag inom tillverkningsindustrin i Frankrike generellt kännetecknas av att tillväxten är negativt korrelerad över

Från den teoretiska modellen vet vi att när det finns två budgivare på marknaden, och marknadsandelen för månadens vara ökar, så leder detta till lägre

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

Närmare 90 procent av de statliga medlen (intäkter och utgifter) för näringslivets klimatomställning går till generella styrmedel, det vill säga styrmedel som påverkar