Economic assessment of the impact of electricity storage on power quality in distribution systems

Abstract

Nowadays electricity is one of the most important aspects of people’s lives. Almost no one can imagine their day without checking their email, showering with hot water or going to work by train. We can affirm that electricity has become a really important product and, due to this, several quality requirements need to be fulfilled. Almost every country in the world, especially the European ones and the US, have laws that regulate the characteristics of power supply so that electrical companies provide their customers with the best electricity available in the market. The main disadvantage of power is that it is produced in a different place where it is consumed. Electricity is produced in power plants where its main characteristics (like voltage value, frequency, harmonic’s content…) are highly controlled. But, while electricity reaches its final customers, those characteristics may be disturbed. Those disturbances affect the quality of supply, that is the part of quality of electrical service that represents the measure of how an ideal power supply system should be. Among the electrical disturbances that affect the quality of supply we can find the supply voltage variations, voltage dips, voltage swells, short interruptions and long interruptions. Their causes are various: variations of loads, line faults, incidents in the line’s insulation… As we can see, not all the disturbances are caused by failures of the distribution companies but also because of a bad state of the equipment connected to the distribution network. Of all the electrical disturbances long and short interruptions are the ones studied deeper in this project as they are the ones with highest probability of happening. In order to measure them two indexes are mainly used: the SAIDI and the SAIFI. The SAIDI represents the average duration interruption of service for each customer of the electrical company. The SAIFI represents the average number of times that a customer experiences an interruption of power service. Spain is neither among the countries with the lowest values of SAIDI and SAIFI nor among the countries with the highest ones but in the middle. This means that we still that actions are still needed in order to improve the quality of service and, therefore, decrease the value of these indexes. Moreover, the ENS index is also important as it measures the quantity of energy that hasn’t been supplied to customers in a certain region. Furthermore, as disturbances imply a bad quality of service they have an economic impact. This is why electrical distribution companies carry out studies in order to know the opinion that customers have on this subject. For example, the AEMO developed the VCR (Value of Customer Reliability) that is in an index that represents the willingness of customers to pay in order to avoid disturbances. In this project we have considered a value of 10€/kWh for the cost of non-supplied energy. Using the SAIDI, SAIFI, ENS and the cost of non-supplied energy we have obtained the amount of money that electrical distribution companies need to pay to customers when interruptions take place. As we have obtained that the total cost of the interruptions implies a big sum of money it is economically profitable to install storage systems in order to improve the quality of electricity. Therefore, in order to reduce the number and length of interruptions several solutions are presented: Petersen coil, Uninterruptable Power Supply (UPS) System, flywheel, Dynamic Voltage Restorer (DVR) and Variable Frequency Drive (VFD). Among them, the flywheel and the UPS are the best solution in economic terms. If we study the advantages and disadvantages of these two solutions, we conclude that the UPS storage system is currently the best solution as it can provide energy for almost one hour while the flywheels only last for a few seconds. Finally, we have studied the economic impact of the electrical disturbances in the distribution network in the future. We are living in the decade of the climate change,in a few years the average temperature of the planet and its precipitation patterns are going to change drastically. As a lot of electrical disturbances are caused by weather phenomena, the climate change will have a big impact on power quality by increasing the length and frequency of the electrical disturbances. Because of this we have studied the consequences that the climate change will have in the long and short interruptions. In order to do this, two scenarios have been presented: a gathered rural zone and an urban zone. In both cases we have analyzed the economic impact of the interruptions if its duration and frequency is multiplied by two, by five and by ten. By doing this, we have modeled the impact of the climate change on electrical disturbances. Moreover, the economic cost of the installation of an UPS storage system is analyzed. In the gathered rural zone, even with a small population and a big number of electrical disturbances (because its configuration is a radial one) it is economically profitable to install an UPS storage system. Obviously, in an urban zone, with a bigger population and less disturbances (thanks to its netted configuration) it is also economically profitable to install the UPS not only in the future with the climate change but nowadays. In both cases the possibility of charging the customers the cost of the UPS storage system has been studied but we have concluded that it cannot be all charged to the customers as it implies a big sum of money. In this project we can learn the importance that a good quality of electricity has on all the equipment connected to the electrical network. The problem is that not everyone is aware of the big consequences that electrical disturbances have. Therefore, it is important that we all learn about it in order to, as long as it is possible, avoid their causes.

Hoy en día la electricidad es uno de los aspectos más importantes en la vida de las personas. Casi nadie puede imaginar su día a día sin revisar su email, ducharse con agua caliente o ir a la oficina en tren. Podemos afirmar que la electricidad es un producto muy importante y, por lo tanto, tiene que cumplir unos requisitos de calidad. Prácticamente todos los países del mundo, especialmente los países europeos y Estados Unidos, tienen leyes que regulan las características del suministro eléctrico. De esta forma, los usuarios de la red eléctrica pueden estar seguros de que la energía que reciben es la mejor energía disponible en el mercado. La principal desventaja de la energía eléctrica es que es producida en un lugar diferente al de su consumo final. La electricidad es producida en centrales eléctricas donde sus características principales (como el valor de la tensión, la frecuencia, el contenido en harmónicos…) son controladas. El problema que esas características se ven alteradas mientras la electricidad llega a los usuarios finales. Estas alteraciones reciben el nombre de perturbaciones eléctricas y afectan a la calidad de suministro. La calidad de suministro es una parte de la calidad del servicio eléctrico que se encarga de medir cómo ha de ser una red eléctrica ideal. Entre las perturbaciones que afectan a la calidad de suministro encontramos las variaciones de voltaje, los huecos de tensión, los aumentos de tensión, las interrupciones largas y las interrupciones cortas. Las causas de estas perturbaciones son muchas: variaciones en la carga, faltas en las líneas, incidentes en el aislamiento… Como podemos observar no todas las perturbaciones eléctricas son debidas a fallos de las compañías eléctricas sino también debido a un mal estado de los equipos conectados a la red de distribución eléctrica. De todas las perturbaciones eléctricas, las interrupciones largas y cortas son las más estudiadas en este proyecto puesto que son los que tienen mayor probabilidad de suceder. Para medirlas se utilizan principalmente dos índices: SAIDI y SAIFI. El SAIDI mide la duración media de las interrupciones de servicio para un usuario de la red eléctrica. El SAIFI representa la frecuencia media de interrupciones de servicio. España se encuentra entre los países con valores medios de estos índices. Esto implica que aún es necesario actuar para mejorar la calidad de servicio y, por lo tanto, disminuir el valor de estos índices. Además, también se utiliza el índice ENS que mide la cantidad de energía que no ha sido provista a los consumidores en una región y debería haberlo sido. Además, al suponer las perturbaciones eléctricas una mala calidad del servicio éstas tienen un impacto económico. Debido a esto, las compañías eléctricas centran muchos de sus estudios en conocer la opinión de los consumidores eléctricos sobre este tema. Por ejemplo, el AEMO desarrolló el VCR (valor de la fiabilidad del consumidor), éste es un índice que representa cuánto están los consumidores dispuestos a pagar para evitar las interrupciones de suministro eléctrico. En este proyecto hemos considerado un valor de 10€/kWh para representar el coste de la energía no suministrada. Utilizando los valores de SAIDI, SAIFI, ENS y del coste de la energía calculada se ha obtenido la cantidad total de dinero que las compañías distribuidoras deben de pagar a los usuarios debido a las interrupciones de suministro. Puesto que se han obtenido valores muy elevados se ha concluido que es rentable la instalación de sistemas de almacenamiento de energía para mejorar la calidad de la energía. Por lo tanto, para reducir la cantidad y duración de las interrupciones se han presentado las siguientes soluciones: bobina Petersen, Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI), volante de inercia, Restaurador Dinámico de Tensión y un Variador de Frecuencia. Entre todas estas soluciones, el volante de inercia y el SAI son las mejores en cuanto a términos económicos. Si estudiamos las ventajas y desventajas de ambos podemos concluir que el SAI es, a día de hoy, la mejor solución ya que puede proporcionar energía durante casi una hora mientras que los volantes de inercia solamente por unos segundos. Por último, se ha estudiado el impacto económico de las perturbaciones eléctricas en la red de distribución en el futuro. Vivimos en la década del cambio climático, en un par de años la temperatura media del planeta, así como el modelo de precipitaciones cambiarán drásticamente. Puesto que muchas de las perturbaciones eléctricas son debido a fenómenos meteorológicos, el cambio climático va a tener un gran impacto en la calidad de suministro eléctrico aumentando la duración y frecuencia de las distribuciones. Por este motivo se han estudiado las consecuencias que el cambio climático va a tener en las interrupciones cortas y largas. Para ello se han presentado dos escenarios: una zona rural agrupada y una zona urbana. En ambos casos se ha analizado el impacto económico de las interrupciones en el caso de que su duración y frecuencia se vea multiplicada por dos, por cinco y por diez. Con esto se consigue modelar el impacto que tendrá el cambio climático en las perturbaciones eléctricas. Además, el coste de instalar un SAI ha sido analizado. En el caso de la zona agrupada rural, a pesar de que su población es pequeña y su cantidad de perturbaciones elevada (debido a su disposición radial) es económicamente rentable instalar un SAI actualmente y en el futuro. Obviamente, en la zona urbana, con una mayor población y menor número de perturbaciones (gracias a la disposición mallada de este tipo de redes) también es rentable en términos económicos instalar un sistema SAI no sólo en el futuro con el cambio climático sino también hoy en día. En ambos casos se ha estudiado la posibilidad de cobrar a los usuarios de la red el coste del sistema SAI, pero se ha concluido que esto no es posible ya que los consumidores tendrían que pagar una elevada suma de dinero por ello. Este proyecto nos permite aprender la importancia que la buena calidad de energía eléctrica tiene sobre los equipos conectados a la red eléctrica. El problema es que no todo el mundo es consciente de las enormes consecuencias que las perturbaciones tienen. Por lo tanto, es importante que todos aprendamos sobre ellas para, en la medida de los posible, disminuir sus causas.