Effektbalans och mer förnybar energi i våra elnät brukar ofta nämnas som några av de stora utmaningarna för elnätsbolagen. Men varför är det så, egentligen? Förklaringen ligger i bristen av svängmassa i systemet.
Vikten av elektrisk frekvensbalans i elkraftsystemet
En grundläggande förutsättning för att vårt elkraftsystem ska fungera är att producerad effekt å ena sidan och förbrukad effekt å andra sidan alltid är i balans. Ett mått på detta är systemets elektriska frekvens. I Sverige, och i stora delar av världen, har vi en nominell frekvens på 50 Hz. Oavsett vald systemfrekvens är det av stor vikt att denna inte avviker från det nominella värdet; typiskt har man gränsvärden på +/- 0,1 Hz från det nominella.
Frekvensvariationer och dess påverkan
När obalans mellan produktion och förbrukning uppstår ändras frekvensen. Om produktionen momentant är större än förbrukningen ökar systemets frekvens, och vice versa. Mindre variationer i frekvensen sker regelbundet i elnätet till följd av varierande lastförhållanden samt planerad till- och frånkopplingar av produktion, och regleras i normala fall automatiskt av både producerande synkronmaskiner (exempelvis turbiner i vattenkraftverk) och förbrukande synkronmaskiner på nätet.
Svängmassans roll i elkraftsystemet
Synkronmaskiner i drift (i rotation) besitter nämligen något som kallas svängmassa, vilket lite förenklat är ett mått på hur mycket rotationsenergi som finns lagrat i maskinen. Mer specifikt är det ett mått på det vridmoment som krävs för att förändra varvtalet en given mängd per tidsenhet (kallat tröghetsmoment). Vid sjunkande varvtal avges energi, och vid stigande varvtal upptas energi.
Varvtalet på synkronmaskiner som är direkt anslutna till nätet är direkt beroende av elnätets frekvens. Vid exempelvis ett plötsligt bortfall av en större del produktion i elnätet kommer systemfrekvensen att sjunka, vilket gör att synkronmaskinernas varvtal sjunker. Detta frigör i sin tur energi vilket hjälper till att reglera upp systemfrekvensen igen. Detta gör att synkronmaskiner anslutna direkt till elnätet därmed agerar som en frekvensregleringsreserv som automatiskt reglerar systemets frekvens genom att avge eller uppta energi till följd av dess inneboende tröghet, alltså dess svängmassa.
Utmaningar med minskad svängmassa
Begreppet tröghetskonstant är ett mått på hur lång tid en synkronmaskin kan avge energi innan rotationen avstannar helt, och en mindre andel synkronmaskiner ger en mindre tröghetskonstant för elnätet i stort. Traditionellt har större delen av vår elproduktion kommit från kärn- och vattenkraft, där vattenkraften i synnerhet stått för reglerkraften i systemet. I takt med att vind- och solkraft står för en allt större del av vår elproduktion minskar dock vårt systems svängmassa.
De flesta vindkraftverk består nämligen av asynkronmaskiner vars varvtal inte påverkas av systemets frekvens, och solcellsanläggningar saknar svängmassa helt och hållet. Dessutom blir det vanligare även på förbrukarsidan att man använder omriktare och asynkronmaskiner som motorer – med fördelen att ett styrbart varvtal och därmed högre verkningsgrad erhålls, men utan att bidra med någon svängmassa till nätet.
Behovet av frekvensreglering
I denna situation, med mindre svängmassa i systemet, blir det därför allt viktigare att ha koll på frekvensen. Mindre frekvensvariationer kan hanteras av systemets synkronmaskiner, men större störningar i elnätet och stora avvikelser från nominell frekvens där systemets svängmassa inte räcker till för reglering kan dock vara kostsamt. Start av reservkraft kan behövas, och i allvarligare fall även lastfrånkoppling av större förbrukare. Stor avvikande frekvens är även direkt skadligt för mycket av den elektriska utrustning som finns på både produktions- och förbrukarsidan.
Framtida lösningar för effektbalans
Genom att kontinuerligt övervaka elnätets frekvensavvikelser kan man få en god uppfattning av hur mycket svängmassa som eventuellt saknas och i god tid se indikationer på om åtgärder behöver vidtas. Här behöver distributionsägare och produktionsägare samarbeta för att tillsammans hantera avvikelser. Exempelvis skulle införande av batterienergilager på nätet kunna vara möjlig åtgärd, som via omriktare hade kunnat bidra med artificiell svängmassa vid obalans. Frekvensreglering blir därför en central del i hanteringen av effektbalansen.
Kewin Erichsen, Utvecklingschef
dLab
