PLANERINGSNIVÅER OCH STÖRUTRYMME

PLANERINGSNIVÅER OCH STÖRUTRYMME En studie i övertonshalt och kravställning på lågspänningsnätet PLANNING LEVELS AND SPACE FOR DISTURBANCES A study in harmonic distortion levels and making demands on the low voltage grid Mattias Jonsson EN1812 Examensarbete, 30 hp Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik, 300 hp Vt 2018

Sammanfattning Elektricitet blir allt vanligare i hemmet och idag är stora delar av samhället beroende av en avbrottsfri elförsörjning. När transistorn gjorde sitt intåg runt 1950-1960-talet skedde en förändring i de elektriska lasterna på nätet; från att vara mestadels linjära resisistiva laster tillkom flera olinjära laster i form av till exempel radio och TV. Med dessa olinjära laster uppstod problem med elkvaliteten som tidigare inte funnits i större utsträckning. Umeå kommun har de senaste åren satsat på helelektriska bussar som en del av en lösning på de problem man haft med buller och dålig luftkvalitet i centrala Umeå. För att driva dessa elbussar används snabbladdare, vilket är en kraftigt olinjär last. I en tidigare studie påvisades att under tider när laddning skedde hos dessa snabbladdare kunde det förekomma höga övertonshalter, där elkvalitetsnormen EIFS 2013:1 emellanåt överskreds. Syftet med det här arbetet är att utröna vilka krav Umeå Energi bör ställa vid nya bussladdare och vilka krav som borde ställts vid de första bussladdarna, gällande elkvalitetsstörningar. Målet är att föreslå planeringsnivåer som Umeå Energi kan använda för att ställa krav och fördela störutrymme för kunder. Det finns flera olika modeller för att fördela störutrymme där målet är att föreslå en som passar Umeå Energis nät. Endast planeringsnivåer för övertoner föreslås då övertoner visade störst problematik i den tidigare studien. För att bestämma planeringsnivåer gjordes trendanalyser på övertonsdata från fyra nätstationer och fem transformatorer under fyra års tid. Trendlinjer plottades upp med minsta kvadratmetoden och planeringsnivåer bestämdes utifrån hur mycket övertonshalten hade ökat relativt elkvalitetsnormen EIFS 2013:1. De planeringsnivåer som föreslogs ligger mellan 85 % till 100 % av de krav som EIFS 2013:1 ställer. Metod för fördelning av störutrymme föreslås följa metoden i Fördelning av störutrymme som publicerades i en energiforskrapport. Slutsatser från det här projektet är att det är svårt att bestämma generella planeringsnivåer på lågspänningsnätet och det saknas metoder som beskriver hur det ska göras. Vidare har det visat sig att de flesta övertoner, upp till 25:e övertonen, ökar på Umeå Energis elnät, på de punkter som undersökts. Framförallt uppvisar den 7:e övertonen en större ökning än de andra. I

Abstract Today a large part of society is dependent on a continuously supply of electricity. With the invention of the transistor, there was a change from mostly linear resistive loads to a great increase in nonlinear loads with examples being radio and TV. With these new nonlinear loads a growth in power quality problems could be seen throughout the grid. These kind of problems were uncommon when the loads consisted of primarly linear resistive loads. Umeå municipality has in recent years focused on electric buses as a solution to problems which have arisen concerning poor air quality and noise in Umeå. To charge the batteries of these electric buses, fast charging technology is used. These fast chargers are non linear loads which draw a lot of power for short moments. In an earlier study conducted on these fast chargers it was concluded that harmonics was generated when they were charging. The purpose of this report is to investigate what kind, and how much, emissions Umeå Energi (distribution network operator in Umeå) can accept on their grid. What kind of demands Umeå Energi should make towards the customer. The main objective is to propose planning levels to be used on the low voltage grid which Umeå Energi can use to make demands on a new customer. Another objective is to propose an appropriate method for distribution of emission levels on the grid. Planning levels are only proposed for harmonics. To choose the right planning levels, trend analyses were made on the harmonic levels on the grid of Umeå Energi. Trend lines were plotted using the least square method. The planning levels were chosen based on these trend analyses with regards to the limits in EIFS 2013:1. The proposed planning levels lies between 85 % to 100 % of the limits in EIFS 2013:1. The proposed method for distribution of emission levels was the Fördelning av störutrymme method from 2010. A conclusion made in this report is that it s hard to choose general planning levels for the low voltage grid and no method which has a general approach for all of the low voltage grid was identified. From the trend analyses it was concluded that the harmonics have increased for most of the harmonic orders. Especially the 7:th harmonic showed a bigger increase than the others. II

Förord Det här examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och slutför mina studier vid Umeå Universitet inom civilingenjör i energiteknik. Arbetet har utförts på uppdrag av Umeå Energi under tidsperioden 2018-01-15 till 2018-05-25. Först vill jag tacka min handledare Malin Janols som varit väldigt behjälplig och kommit med goda råd för att driva projektet framåt. Tacksamhet riktas även till de övriga medarbetarna på Umeå Energi som gjort tiden här ytterst trivsam. Ett stort tack riktas till Math Bollen, Luleå tekniska universitet, för att han tagit sig tid och haft tålamod att svara på stora som små frågor gällande mitt projekt. Utan hans hjälp hade detta projekt varit betydligt svårare att utföra. Jag vill även tillägna ett tack till min handledare från Umeå Universitet, Jan-Åke Olofsson, som med sin erfarenhet har kunnat styra projektet i rätt riktning. Mattias Jonsson Umeå, Maj 2018 III

Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Bakgrund................................ 1 1.2 Syfte................................... 2 1.3 Mål.................................... 2 1.4 Umeå Energi.............................. 2 1.5 Avgränsningar.............................. 3 2 Teori 3 2.1 Svenska elnätet............................. 3 2.2 Elkvalitet................................ 4 2.2.1 Osymmetri........................... 6 2.2.2 Spänningsvariationer...................... 6 2.2.3 Flimmer............................. 7 2.2.4 Transienter........................... 8 2.3 Övertoner................................ 8 2.3.1 Udda och jämna övertoner................... 11 2.3.2 Mellantoner........................... 12 2.3.3 Högfrekventa övertoner..................... 13 2.4 Percentiler................................ 13 2.5 Störnivåer................................ 14 2.5.1 Immunitetsnivå......................... 14 2.5.2 Kompatibilitetsnivå....................... 16 2.5.3 Planeringsnivå.......................... 16 2.5.3.1 Planeringsnivåer i litteratur och standarder.... 18 2.5.4 Störnivå............................. 19 2.5.5 Emissionsnivå.......................... 21 2.5.6 Bakgrundsnivå......................... 21 2.6 Störutrymme.............................. 22 2.7 Fördelning av störutrymme...................... 23 2.7.1 Metoder för fördelning av störutrymme............ 24 2.7.1.1 IEC 61000-3...................... 24 2.7.1.2 Fördelning av störutrymme............ 26 2.7.1.3 IEEE 519....................... 28 2.8 Val av planeringsnivå.......................... 28 2.9 Elbussar................................. 30 3 Metod 31 3.1 Litteraturstudie............................. 31 IV

3.2 Intervjuer och samtal.......................... 32 3.3 Genomförande.............................. 32 4 Resultat 34 4.1 Fördelningsmetod för störutrymme.................. 34 4.2 Trendanalys övertoner......................... 34 4.3 Planeringsnivåer............................. 39 5 Diskussion 39 5.1 Val av metod och genomförande.................... 39 5.2 Planeringsnivåer............................. 40 5.3 Fördelningsmetod............................ 41 5.4 Tillämpning av fördelningsmetod................... 42 5.5 Störnivån................................ 43 6 Slutsatser 43 6.1 Förslag på fortsatt arbete....................... 44 Referenser 45 Bilaga A - Övertonsdata Bilaga B - Effektkurvor A1 B1 V

Terminologi Distribuerad Generering DG. El som produceras i mindre skala längre ut på nätet, eller helt utanför elnätet. Solceller och mindre vindkraftverk är typiska exempel. EIFS 2013:1 Nätkoncession Nätstation Percentil RMS-värde Spänningsnivåer Energimarknadsinspektionens föreskrifter och allmänna råd för god elkvalitet. Tillstånd av staten att bygga och använda elektriska starkströmsledningar. Transformatorstation mellan c:a 10/0,4 kv. Statistiskt begrepp. Den n:te percentilen anger ett värde där n procent av värden ur en mängd är lägre än percentilvärdet. Root Mean Square. Kvadratiskt medelvärde. Elnätet delas upp i olika nivåer beroende på dess spänning enligt och i denna rapport används följande definitioner: LV, Low Voltage. Spänning som inte överskrider 1 kv. MV, Middle Voltage. Spänning mellan 1 kv och 35 kv. HV, High Voltage. Spänning mellan 35 kv och 230 kv. EHV, Extra High Voltage. Spänning över 230 kv. Störutrymme. Störutrymme menas i denna rapport det utrymme nätbolag har att fördela till nya kunder gällande störningar. VI

1 Inledning Redan på 1870-talet användes elektricitet i Sverige för att tända bågljuslampor i sågverk och 1884 öppnade det första svenska elverket i Göteborg för att leverera el till glödlampor [1]. Mycket har hänt sedan dess och idag är stora delar av samhället beroende av en avbrottsfri elförsörjning. Fram till 1950-60-talet var de flesta laster på elnätet rent resistiva, men då transistorn kom skedde en markant ökning av elektroniken i hemmen. Radio, TV och hushållsapparater blev vanliga inslag i hemmen [2]. Utvecklingen av elektronik gjorde att nya problem uppstod på elnätet och ute hos kunder. Flimrande lampor, rullande TV-bilder och brus från radio var några problem som uppstod från bristande elkvalitet. För att uppnå en god elkvalitet krävs att de tre parterna; nätansvariga, apparatleverantörer och kunder arbetar med att upprätthålla en god elkvalitet [3]. Det finns flera olika typer av störningar vilka leder till försämrad elkvalitet. Exempelvis kan det vid stora oregelbundna kraftuttag uppstå spänningsdippar, vilket sker vid start av stora motorer. Ett annat exempel sker vid likriktning där det ofta förekommer övertoner. Ett tredje exempel är spänningsobalans som uppstår vid bland annat enfaslaster och ljusbågsugnar. 1.1 Bakgrund Transportsektorn står idag för nästan en tredjedel av utsläppen i Sverige [4] och en elektrifiering av transportsektorn ses som en möjlighet för att minska på dessa utsläpp [5]. Energimyndigheten fick år 2017 i uppdrag av regeringen att ta fram en strategisk plan för en omställning till fossilfria fordon. Som en del av den strategiska planen valde regeringen att fram till 2023 satsa 100 miljoner kronor per år i form av en elbusspremie [6]. Umeå kommun har sen ett par år tillbaka satsat på elbussar som en del av kollektivtrafiken i centrala delar av Umeå, detta i syfte att åtgärda de problem som funnits med överskridande av miljökvalitetsnormer samt att det funnits bullerproblem i centrala Umeå. Enligt kommunens åtgärdsprogram för renare luft ska det upphandlas 24 elbussar under 2019 och totalt ska 33 elbussar trafikera Umeå [7]. I och med att man satsat på elbussar har tre snabbladdstationer för bussar byggts i Umeå, dessa går att finna i Röbäck, Carlslid och vid Umeå Airport [8]. I samband med de stora effekterna på bussladdarna har Umeå Energi intresse i hur de påverkar elnätet. 1

Laddstationer använder sig av likriktarkenik för att omvandla matande växelström till likström, denna likriktarteknik medför olika typer av störningar på elnätet. Ett tidigare examensarbete hos Umeå Energi undersökte hur störningarna såg ut för elbussladdstationerna vid Röbäck och Carlslid. En av slutsatserna från den rapporten var att man bör undersöka om införande av planeringsnivåer skulle underlätta för Umeå Energi vid hantering av störnivåer hos de befintliga bussladdstationerna och vid upprättande av nya bussladdstationer [9]. När ett elnät dimensioneras ställer nätägaren krav på hur mycket emissioner varje enskild kund får ge ut på elnätet, detta för att efterleva de krav på elkvalitet som ställs bland annat i elkvalitetsnormen EIFS 2013:1. En metod för att säkerställa att kraven efterlevs är att införa planeringsnivåer, vilket innebär att nätbolagen sätter en marginal till elkvalitetsnormen för hur mycket störningar får förekomma på elnätet. Utifrån planeringsnivån kan störutrymme fördelas utifrån hur mycket störutrymme som finns tillgängligt vid anslutningspunkten. 1.2 Syfte Vid anslutande av kraftiga laddstationer kan kringliggande elnät och apparater påverkas i form av elkvalitetsstörningar. När dylika störningar uppstår ska emissionskrav som ställs på varje kund upprätthållas. Syftet med rapporten är att utröna vilka krav Umeå Energi bör ställa vid kraftiga installationer på lågspänningsnätet. 1.3 Mål Målsättningen med rapporten är att ge förslag för planeringsnivåer på lågspänningsnätet vid kraftiga installationer. En ytterligare målsättning är att föreslå vilken metod som bör användas för att fördela tillgängligt störutrymme utifrån planeringsnivåer. 1.4 Umeå Energi Beställare av projektet är Umeå Energi AB, vilket är en energi- och kommunikationskoncern som bedriver verksamhet inom bland annat el, värme och bredband. Umeå Energi har c:a 400 anställda och omsatte nära 1,4 miljarder kronor 2016. Genom koncession ansvarar Umeå Energi för elnätet i hela Umeåregionen [10]. 2

1.5 Avgränsningar De planeringsnivåer som föreslås är framtagna utifrån Umeå Energis elnät. Endast planeringsnivåer för övertoner föreslås. 2 Teori I det här avsnittet behandlas bakomliggande teori i projektet. Sveriges elnät beskrivs översiktligt, vidare ges en förklaring till begreppet elkvalitet och dess underkategorier. Det redogörs för de olika störnivåerna samt hur störutrymme kan fördelas till kunder utifrån olika metoder. Alla ekvationer i avsnittet används inte i beräkningar, de är presenterade för att på ett pedagogiskt sätt visa hur teorin är utformad. 2.1 Svenska elnätet Sveriges elnät kan delas upp i tre nätnivåer; stamnät, regionnät och lokalnät. Stamnätet ägs av staten och förvaltas av Svenska Kraftnät. Elen som produceras i större anläggningar så som vattenkraftverk eller kärnkraftverk leds direkt ut på stamnätet. Spänningsnivån för stamnätet ligger mellan 220 kv och 440 kv. Regionnätet drivs via koncession där staten har gett en eller flera aktörer uppgiften att driva och underhålla ett nätområde. Regionnätet kan ses som länken mellan stamnätet och lokalnätet, med undantag för vissa industrier som är kopplade till regionnätet. Spänningsnivån för regionnätet ligger mellan 40 kv och 130 kv. Lokalnätet drivs på samma sätt som regionnätet via koncession. Lokalnätet avser nätet som förbinder regionnätet och förbrukningsanläggningar samt mindre produktionsanläggningar. Spänningsnivån för lokalnätet är den spänning som är lägre än regionnätet, det vill säga lägre än 40 kv. Majoriteten av alla kunder finns på lokalnätet, där 99,8 % av uttagspunkterna på elnätet finns. De tre bolagen Ellevio, Eon och Vattenfall innehar hälften av dessa kunder och äger mer än 50 % av lokalnätet [11]. Totalt är elnätet över 552 000 km långt [12] och är byggt för att hålla en frekvens på 50 Hz. Traditionellt sett har el producerats och distribuerats med en tydlig hierarki, där elen leds från stamnätet till regionnätet för att sedan fördelas ut på lokalnätet. Under senaste årtiondena har det skett en viss förändring då en ökning av distribuerad energiproduktion tillkommit på nätet [13]. Solceller och framförallt vindkraft har ökat under tidsperioden, vilket ställer nya krav på elnätet [14]. 3

2.2 Elkvalitet Elkvalitet är ett begrepp som kan vara svårt att definiera. I boken Elmiljö i praktiken definieras elkvalitet enligt: Kvalitetsnivån bestäms av om en produkt (tjänst) uppfyller köparens (användarens) förväntningar. Om produkten motsvarar köparens förväntningar är kvalitén god. [15] Enligt ovan definition inses att elkvalitet är subjektivt där användarens förväntningar anger om kvalitén är god. Elkvalitet kan delas upp i två ben; leveranssäkerhet samt spänningsgodhet. Detta illustreras i figur 1. I den här rapporten kommer det fokus ligga på underkategorin spänningsgodhet, då avbrott är något nätbolagen helt försöker undvika och kräver därmed inga planeringsnivåer. Figur 1 Underkategorier till begreppet elkvalitet. [16] Leveranssäkerhet avser kontinuiteten, det vill säga till vilken grad användaren kan förlita sig på elleveransens tillgänglighet. Den allvarligaste delen i elkvalitet är avbrott [17]. I svensk standard 50160 definieras ett avbrott som den tid då spänningen är mindre eller lika med 1 % av den nominella spänningen. De vanligaste orsakerna för avbrott är åsknedslag och omkullfallna träd över ledningar. För kablifierade nät är istället avgrävda kablar det vanligare problemet. Spänningsgodhet avser graden till vilken spänningsnivån kan hållas till en specificerad nivå. Vid avvikelse från spänningens vågform, nivå eller frekvens, kan 4

det betraktas som en elkvalitetspåverkan. När elkvalitetsföreskrifter överskrids kallas det för bristande elkvalitet. Om apparater eller människor påverkas av bristande elkvalitet kallas det för elkvalitetsstörning [18]. Figur 1 visar flera underkategorier till spänningsgodhet, dessa begrepp kommer förklaras mer ingående i delkapitel nedan. Fokus ligger på att förklara de begrepp som är viktiga för detta projekt mer ingående. Allmänt gäller det för upprätthållande av god elkvalitet att nätägare, apparatleverantör samt elanvändare gemensamt arbetar för att undvika störningar på elnätet. Nätägaren är ansvarig att elkvaliteten är god i anslutningspunkten medan elanvändaren är ansvarig för påverkan på eget lokalt nät [18]. Apparatleverantören är ansvarig för att apparaten har en viss immunitet mot störningar och att den inte stör elnätet för mycket. Nätägaren har enligt Ellag (1997:857) 3:e kap 9 skyldighet att överföringen av el ska vara av god kvalitet. Samma paragraf säger: En nätkoncessionshavare är skyldig att avhjälpa brister hos överföringen i den utsträckning kostnaderna för att avhjälpa bristerna är rimliga i förhållande till de olägenheter för elanvändarna som är förknippade med bristerna. [19] Nätägaren är alltså skyldig, där det anses skäligt, att åtgärda brister på elöverföringen. I de allmänna avtalsvillkoren för anslutning av elektriska anläggningar, vilka är utarbetade av Svensk Energi 1, ställs krav på nätägare och elanvändare enligt följande: Parterna får inte använda sina anläggningar så att skada kan uppkomma på motpartens anläggningar, eller så att störningar kan uppstå i nätet eller för andra kunder. Elnätsföretaget har rätt att kräva att kunden på egen bekostnad ändrar sin anläggning så att betryggande driftförhållanden uppnås och så att gällande bestämmelser uppfylls. [20] Ellagen och de allmänna avtalsvillkoren från Svensk Energi ställer alltså tillsammans krav på att både nätägare och kund arbetar för att hålla störningar låga. De bestämmelser som gäller för elkvalitet är Energimarknadsinspektionens föreskrifter EIFS 2013:1. Där ställs bland annat krav på avbrottstid, krav på trädsäkra ledningar och krav på spänningskvalitet. EIFS 2013:1 täcker inte alla elkvalitetsområden, exempelvis finns inga gränser för flimmer och det saknas regler kring övertoner i frekvensområdet mellan 2 khz till 150 khz [21]. 1 Sedan 2016 är Svensk Energi och Svensk Fjärrvärme ihopslagna till Energiföretagen. 5

2.2.1 Osymmetri Ett symmetriskt trefassystem kännetecknas av att de tre fasspänningarna har samma amplitud samt att den inbördes fasförskjutningen är 120. Osymmetri inträffar vanligtvis vid enfaslaster och ses därmed oftast på lågspänningsnätet [15]. Riktlinjer för osymmetri går att finna i EIFS 2013:1 där tiominutersvärden av spänningsosymmetrin ska vara mindre än eller lika med 2 % under en veckas period. 2.2.2 Spänningsvariationer Växelspänning varierar kontinuerligt med tiden. Det som i elkvalitet åsyftas med spänningsvariationer är variation av spänningens RMS-värde, vilket på lågspänningsnätet ska vara 230 V för fasspänning. EIFS 2013:1 ger riktlinjer för långsamma spänningsvariationer och kortvariga spänningsvariationer. För långsamma spänningsvariationer ska, under en veckas tid, de förekommande tiominutersvärdena av spänningens RMS-värde vara mellan 90 % och 110 % av referensspänningen. Detta ger att fasspänningen får ligga i intervallet mellan 207 V och 253 V på lågspänningsnätet. Riktlinjer för kortvariga spänningsvariationer ges för spänningar upp till 45 kv i tabellform enligt tabell 1 för spänningsänkningar och tabell 2 för spänningshöjningar. Tabell 1 Begränsningar för kortvariga spänningssänkningar enligt EIFS 2013:1. Gäller för spänningar upp till 45 kv. u är den relativa spänningsförändringen. Varaktighet t [ms] u [%] 10 t 200 200 t 500 500 t 1000 1000 t 5000 5000 t 60000 90 > u 80 90 > u 70 A 90 > u 40 B 40 > u 5 C 5 > u Tabellerna ger tre stycken områden; A, B och C. Området som ges av C ska över huvud taget inte inträffa. Nätägaren är skyldig att åtgärda de problem som anses skäliga i område B. Inga krav på nätägaren finns i område A. 6

Tabell 2 Begränsningar för kortvariga spänningshöjningar enligt EIFS 2013:1. Gäller för spänningar upp till 45 kv. Varaktighet t [ms] u 10 t 200 200 < t 5000 5000 < t 60000 u 135 C 135 > u 115 B 115 > u 111 111 > u 110 A I tabell 2 gäller inom delområdena samma krav som för tabell 1. De spänningsvariationer som är kortare än 10 ms ger upphov till vad som kallas flimmer respektive transienter och beskrivs i delkapitel nedan. 2.2.3 Flimmer Flimmer, på engelska flicker, är ett subjektivt begrepp som avser snabba förändringar i lasten vilka påverkar belysning på så sätt att den börjar flimra. Normer och gränsvärden som finns för flimmer är experimentellt framtagna baserat på undersökningar kring vilka spänningsfluktuationer som är besvärliga för det mänskliga ögat. Då dessa spänningsfluktuationer oftast är små är de för det mesta ofarliga för elektronik. Mätning av flimmer sker vanligtvis med metoden i IEC 61000-4-15 där begreppen P inst, P st samt P lt används. P står för papillotement och är det franska ordet för flimmer. inst står för instantaneous, det vill säga ögonblickligligen. st och lt är förkortningar för short term respektive long term. P inst definieras efter hur stor andel människor som uppfattar ett ögonblickligt flimmer på en 60 W, 230 V glödlampa. P inst har värdet 1 då 50 % av testpersonerna uppfattar flimret [22]. Eftersom flimmer är problematiskt för människan främst då det upprepas under en tidsperiod används P st för att beskriva flimmernivån över en kortare tid. P st beräknas genom att vikta ett flertal percentiler för P inst under 10-minutersperioder. Samplingsfrekvensen för mätningen av det ögonblickliga värdet ska göras med minst 50 Hz [22]. Det långvariga flimmervärdet P lt beräknas utifrån tolv på varandra följande tiominutersvärden enligt: P lt = 1 12 3 P 3 12 st. (1) 7 i=1

Eftersom P lt bildas av tolv tiominutersvärden blir det således ett tvåtimmarsvärde. Vanliga källor till flimmer är olinjära laster eller laster med höga startströmmar. Exempel på typiska störkällor är ljusbågsugnar, värmepumpar och svetsmaskiner [2]. I EIFS 2013:1 finns inga riktlinjer för flimmer. I handboken för tillämpning av EIFS [23] rekommenderas istället att SS-EN 5010 eller EN 50160:2010, alternativt annan branschpraxis tillämpas. 2.2.4 Transienter Transienter är snabba och kortvariga förändringar i spänningen. Åska är en vanlig orsak till kraftiga transienter. Kondensatorbatterier samt in- och urkoppling av laster är andra förekommande anledningar till transienter, dock oftast med betydligt lägre amplitud än vid blixtnedslag [15]. Det ställs EMC-krav för transienter på konsumentelektronik. Då det är ekonomiskt svårt att motivera att dimensionera elnätet för att det inte ska uppkomma transienter vid åska eller in- och urkoppling av laster ställs krav på att apparater ska ha en viss immunitet mot spänningspikar [24]. 2.3 Övertoner I ett idealt växelströmsnät följer spänning och ström en ren sinuskurva. I verkligheten ser det dock ofta annorlunda ut. Laster kan delas in i linjära respektive olinjära. Linjära laster är typiskt induktiva, kapacitiva eller resistiva där strömmen genom lasten är sinusformad om den matas med en sinusformad spänning [15]. Exempel på olinjära laster är strömriktare, frekvensomriktare och lågenergilampor [2]. Olinjära laster ger upphov till olinjära lastströmmar vilka inte är sinusformade, detta medför att strömövertoner uppstår. Strömövertoner ger i sin tur, utifrån Ohm s lag, upphov till spänningsövertoner. Ohm s lag är en av de grundläggande elektriska lagarna och definieras enligt: U = Z I (2) där U är spänning i Volt, Z är impedans i Ohm och I är ström i Ampere. Ett starkt nät, med låg impedans, kommer därmed ha lägre amplitud på spänningsövertonerna [18]. 8

Övertoner är spänning och ström med en annan frekvens än grundtonen, vilken är 50 Hz i Sverige. Övertoner förekommer som multiplar av grundtonen, där exempelvis den andra övertonen har en frekvens på 100 Hz och den tredje 150 Hz. Se figur 2 och figur 3 för illustrationer av grundtonen respektive den tredje övertonen med tillhörande förvrängd grundton. Figur 2 Den sinusformade grundtonen. Figuren ovan illustrerar hur grundtonen ser ut i det ideala fallet. Figur 3 nedan exemplifierar istället hur en förvrängd spänningskurva kan se ut. Figur 3 Grundton, tredje övertonen samt additionen av de två kurvorna. Enligt fourieranalysen kan varje funktion som är kontinuerlig och periodisk 9

beskrivas av ett oändligt antal sinus- och cosinusfunktioner. Med hjälp av fourierserier går det på så vis dela upp en spänningskurva enligt [17]: u(t) = u 0 + û k cos(2πkf 0 t + φ k ) (3) k=1 där u 0 är likströmskomponenten för signalen, û k är toppvärdet för övertonskomponent k, f 0 är grundfrekvensen i Hz, t är tiden i sekunder och φ k är fasvinkel. Det går alltså utifrån en given periodisk funktion att dela upp kurvformen i tre komponenter: en likströmsnivå, grundtonen och övertoner [25]. Om likströmskomponenten är försumbar och belastningen är symmetrisk kommer enbart grundtonen och vissa udda övertoner att uppstå. Att lasten är symmetrisk innebär att lasten uppför sig likadant för positiva och negativa inspänningsvärden [25]. Vanligtvis dominerar grundfrekvensen på 50 Hz sinuskurvan. Ett mått på hur stor inverkan övertoner har är T HD, vilket står för total harmonic distortion som på svenska översätts till total övertonsdistorsion. T HD finns definierad både för spänning och ström enligt: T HD U = 100 h=h U h (4) U 1 h=1 T HD I = 100 h=h I h (5) I 1 där T HD U och T HD I är totala övertonshalten i spänningen respektive strömmen. U h och I h är spänning- respektive strömöverton, för överton av ordning h. U 1 respektive I 1 är grundton för spänning samt ström. H är den övre gräns av övertonsordning h som totala övertonshalten summeras till. Teoretiskt kan H vara oändligt stort men av praktiska skäl mäts ofta övertoner upp till ordning 20 eller 50 [17], vilket med en grundton på 50 Hz motsvarar 1 khz samt 2,5 khz. Eftersom övertoner kan ses som vektorer [26] innebär det att sammanlagringen av flera övertoner av samma frekvens inte är rent additiv. I figur 4 illustreras addition av vektorer. h=1 10

Figur 4 Addition av två vektorer. Det är längden på övertonerna som har störst inverkan på utrustning. Vid addition av flera vektorer blir den resulterande vektorn mindre än summan av de inbördes längderna. Det kan för två vektorer beskrivas med följande olikhet: A + B A + B (6) Vinkeln mellan vektorerna har stor inverkan på hur sammanlagringen ser ut. För till exempel 3e, 5e och 7e övertonerna är det för enfasiga apparater liten skillnad på vinkeln [26], vilket gör att sammanlagringen blir stor. För till exempel den 23e övertonen är variansen större och där kan vinklarna vara över hela intervallet av 360 grader. 2.3.1 Udda och jämna övertoner Vanligtvis sker i standarder en indelning i jämna respektive udda övertoner då de deformerar sinuskurvan på olika sätt [17]. Ytterligare en indelning görs ofta på udda övertoner som är multiplar av tre, det vill säga 3:e, 9:e, 15:e och så vidare. Udda övertoner som är multiplar av tre sägs vara av nollföljdskaraktär, vilket innebär att de adderas i nolledaren. De senaste årtiondena har mängden elektronik som avger strömövertoner ökat i hemmen. I äldre elinstallationer kan neutralledaren vara underdimensionerad om alltför stora strömmar uppstår [15]. Vanliga övertoner i våra fastigheter är övertonerna 3, 5 och 7. Framförallt är tredje övertonen vanlig i hemmen eftersom den är störst vid enfasiga olinjära laster [15]. Gränser för övertoner beror vilken ordning av övertonen, om den är udda eller jämn samt om den är en multipel av tre. I EIFS 2013:1 ges gränserna utifrån tiominutersvärden som under en period av en vecka inte ska överskridas, dessa värden går att se i tabell 3. 11

Tabell 3 Gränser för övertoner på lågspänningsnätet enligt EIFS 2013:1. Udda övertoner Ej multiplar av 3 Multiplar av 3 Relativ Överton Övertonshalet (n) (%) (%) Överton (n) Relativ Övertonshalt Jämna övertoner Överton (n) Relativ Övertonshalt (%) 5 6,0 3 5,0 2 2 7 5,0 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,5 6... 24 0,5 13 3,0 21 0,5 17 2,0 19 1,5 23 1,5 25 1,5 Utöver de värden som återfinns i tabell 3 gäller att den totala övertonshalten T HD U, mätt i tiominutersvärden, ska vara mindre eller lika med 8 %. 2.3.2 Mellantoner Mellantoner är ström- och spänningskomponenter som inte är heltalsmultiplar av grundfrekvensen. Mellantoner kan vara svåra att mäta då det krävs att spänningskurvan mäts över en längre tidsperiod för att verifiera att mellantoner existerar. Vågformen på spänningen är sällan stationär, vilket komplicerar mätningarna [27]. Traditionellt sett har halten av mellantoner varit låg, men de kan komma att öka i och med att så kallad distribuerad generering ökar, exempelvis solceller och vindkraftparker. Tillåtna gränser för mellantoner har också varit låga, vilket gör att störutrymmet för mellantoner är lågt [13]. I standarden SS-EN 61000-2-2 noteras att kunskaperna kring mellantoner inte är tillräckliga för att ange kompatibilitetsnivåer [28]. SS-EN 61000-2-2 ger som förslag att använda närmast högre jämna övertons kompatibilitetsnivå. Indikativa värden ges också för de mellanfrekventa spänningar i lågspänningsnätet som kan göra att flimmer uppstår. 12

2.3.3 Högfrekventa övertoner Uppdelning av låg- och högfrekventa övertoner görs vanligen för att regelverken varit mer restriktiva för övertoner med en frekvens upp till 2 khz. Dessa kallas ibland supraharmonics eller på svenska supratoner. Regelverk har också ställt hårdare krav på frekvenser över 148,5 khz då dessa frekvenser används för kommersiella radiosändningar. På senare år har frekvensområdet mellan 2 khz och 150 khz blivit uppmärksammat just för att regelverken har varit bristfälliga i detta område [29, 30]. Det föreslås även att detta frekvensområde ska användas för elnätskommunikation inom smarta mätare. Även ökningen av aktiva switchar har föranlett det ökade intresset för högfrekventa övertoner. Det finns inga plötsliga förändringar i de fysikaliska egenskaper vid 2 khz som motiverar att en övre gräns ska sättas just där [29]. Det som går att se vid högre frekvenser (över c:a 10 khz) är att störningar har en större benägenhet att vandra mellan apparater istället för upp i nätet, detta beroende på att impedansen i nätet blir större vid högre frekvenser [31]. Eftersom lägre krav ställts på högfrekventa övertoner har det inneburit att tillverkare tagit mindre hänsyn till detta frekvensområde vid designande av apparater och därmed har högfrekventa störningar ökat de senaste åren. 2.4 Percentiler Percintiler är statistiska mått på hur stor andel av en godtycklig mängd som hamnar under ett visst värde. Exempelvis gäller det för 95-percentilen att 95 % av observationerna hamnar under detta värde, och 5 % av observationerna hamnar över percentilvärdet. I figur 5 visas 95-percentilen. Figur 5 Percentiler. Området som ligger under 95-percentilen är gråmarkerat. 5-, 25, 50- och 75-percentilen är utmarkerade med streckade linjer. 13

Flera standarder använder värden som benämns 95 %-värden, 99 %-värden samt 100 %-värden. Dessa värden är detsamma som percentiler. Det är inte heller ovanligt att planeringsnivåer eller kompatibilitetsnivåer bestämts utifrån percentiler. I Sverige gäller dock EIFS 2013:1 för de flesta områden inom elkvalitet. EIFS utgår från 100 %-värden, vilket innebär att ställda krav inte någon gång ska överskridas. 2.5 Störnivåer Störningar på elnätet kan delas upp i ett antal nivåer. Se figur 6 för en överskådlig illustration av väsentliga nivåer. Figur 6 Nivåer för störningar. De olika nivåerna beskrivs ytterligare i delkapitlen nedan. 2.5.1 Immunitetsnivå Detta är den nivå tillverkare designar apparater att hålla för. Immunitetsnivån ska vara den högsta nivån för att säkerställa att utrustningen fungerar enligt specifikationer, givet att elnätets värden ligger inom givna föreskrifter. Skulle utrustning fungera otillfredsställande då elkvaliteten hålls inom kompatibilitetsnivån är det upp till tillverkaren att åtgärda problemet. En vanlig produktmärkning i Europa för apparater är CE-märkning, se figur 7. 14

Figur 7 Symbolen för CE-märkning. Om en apparat är CE-märkt ska den fungera tillfredsställande utan att störa eller störas av elnätet och ytterligare apparater. CE står för Conformité Européenne vilket översätts till i överensstämmelse med EG-direktiven [32]. När immunitetsnivån bestäms för en apparat görs det utifrån en testmiljö. I praktiken påverkas dock immunitetsnivån av yttre faktorer så som kabellängd och jordning [33]. På grund av denna varians kan utrustningens immunitetsnivå illustreras som en täthetsfunktion enligt figur 8. Figur 8 Täthetsfunktion för immunitetsnivån. Figuren ovan visar hur sannolikt det är att utrustning fungerar enligt specifikationer vid en specifik störnivå. 15

2.5.2 Kompatibilitetsnivå Den nivå som elnätsbolagen ska förhålla sig till enligt föreskrifter kallas kompatibilitetsnivå. I Sverige gäller för elnätsbolagen att energimarknadsinspektionens föreskrifter EIFS 2013:1 ska följas för att upprätthålla en god elkvalitet. Andra standarder som används är IEC 61000 och IEEE 519, där IEEE 519 främst används i USA. I många länder används gränser som inte ska överskridas 95 % eller 99 % av tiden, så kallade percentiler [34]. I Sverige används dock 100 %-värden, vilket innebär att kompatibilitetsnivån blir en absolut gräns som inte ska överskridas vid någon tidpunkt. I en studie, [35], från 2015 undersöks elkvaliteten på Vattenfalls nät utifrån planeringsnivåer och resonemang förs kring EIFS 2013:1 krav på 100 %-värden är något extrema och att det istället skulle vara mer rättvist med krav på att veckovisa värden ska efterleva 99-percentilen. Det skulle innebära att elkvalitetskraven får överskridas totalt 1,68 timmar per vecka. 2.5.3 Planeringsnivå Planeringsnivån är nätbolagens verktyg för att fastställa att rådande föreskrifter efterföljs. De har traditionellt sett använts mest på mellanspänningsoch högspänningsnätet. Planeringsnivån ska vara mindre eller lika med kompatibilitetsnivån. Oftast väljs en marginal upp till kompatibilitetsnivån, dels på grund av att det finns okända laster på systemet som enbart kan uppskattas och dels för att det vid sammanlagringseffekten blir statistiska variationer [33]. Planeringsnivån är specifik till varje plats i nätet och väljs utifrån rådande omständigheter i aktuellt nätavsnitt och har som uppgift att vara verktyget som fördelar tillgängligt störutrymme [18]. Då störningar till en större del ärvs från överliggande nät än från underliggande nät brukar generellt planeringsnivåernas gränsvärden öka när spänningen går nedåt, se figur 9 [3]. 16

Figur 9 Hierarkisk översikt för de olika störnivåerna. Eftersom det är mindre vanligt med planeringsnivåer på lågspänningsnätet återger generellt inte standarder några indikativa värden för planeringsnivåer på den nätnivån, vilket vissa standarder gör för mellanspännings- och högspänningsnätet. Överföringen av störningar mellan spänningsnivåer kan beskrivas med en överföringskoefficient definierad enligt: T A B = U B U A (7) Där T A B är överföringskoefficienten mellan nätnivå A och nätnivå B. U B och U A är störningsshalterna för respektive nätnivå. Överföringskoefficienten från mellanspänning till lågspänning ligger vanligtvis nära 1 för både övertoner och flimmer [36]. För höga frekvenser är generellt värdet något lägre på grund av dämpning [37]. För spänningsobalans används ofta värdet 1, men det kan ses som konservativt och ett bättre värde kan vara att anta ett värde som ligger mellan 0,6 och 1,1 [38]. 17

Överföringskoefficienten, T LV MV, från lågspännings- till mellanspänningsnätet är oftast lägre än T MV LV. För till exempel övertoner föreslås vid större nätstationer (>400 kva) och större kortslutningseffekter ett värde på mellan 0,1 och 0,2. 2.5.3.1 Planeringsnivåer i litteratur och standarder Det ges i vissa tekniska rapporter, standarder och böcker förslag på möjliga planeringsnivåer, dock sällan på lågspänningsnätet. Ofta nämns det att nätägaren bestämmer planeringsnivån och att den kan vara unik för varje del av nätet [3, 13]. I Sverige har bland annat Vattenfall, Svenska Kraftnät och Öresundskraft planeringsnivåer. I [3] ges förslag på lämpliga planeringsnivåer på lågspänningsnätet för flimmer och T HD U. För flimmer föreslås de till P st = 0, 8 respektive P lt = 0, 55. För T HD U föreslås planeringsnivån i stadsmiljö till 60 % av kompatibilitetsnivåerna. Vidare föreslås det att en reducering med 60 % görs för varje nätnivå. Om till exempel EIFS 2013:1 följs för den totala spänningsövertonshalten, T HD U, blir då planeringsnivåerna enligt tabell 4. Tabell 4 Föreslagna planeringsnivåer för stadsnät i Praktisk Elkvalitet för T HD U. Nätnivå Planeringsnivå [%] Lågspänningsnät 4,8 Mellanspänningsnät 2,9 Högspänningsnät 1,2 Eftersom störningar ärvs från överliggande nät blir planeringsnivån lägre där. Skulle en för hög planeringsnivå sättas på överliggande nätnivåer finns risk att det inte blir mycket störutrymme för kunder på lägre nätnivåer [3]. Indikativa värden på planeringsnivåer för övertoner ges i IEC 61000-3-6 enligt tabell 5 [39]: Tabell 5 Planeringsnivåer för övertoner på tre nätnivåer enligt IEC. Udda övertoner Udda övertoner ej multipel av 3 multipel av 3 Jämna övertoner Ordning h MV % HV-EHV % Ordning h MV % HV-EHV % Ordning h MV % HV-EHV % 5 5,0 2,0 3 4,0 2,0 2 1,8 1,4 7 4,0 2,0 9 1,2 1,0 4 1,0 0,8 11 3,0 1,5 15 0,3 0,3 6 0,5 0,4 13 2,5 1,5 21 0,2 0,2 8 0,5 0,4 17 h 49 1, 9 17 0, 2 h 1, 2 17 h 21 < h 45 0,2 0,2 10 h 50 0, 25 10 + 0, 22 0, 19 10 + 0, 2 h h 18

Indikativa planeringsnivåer ges för övertoner upp till 50:e, det vill säga 2,5 khz. Den totala övertonshalten T HD U ska för mellanspänningsnätet vara mindre än 6,5 % och för högspänningsnätet vara mindre än 3 % [40]. Kolumnerna HV-EHV i tabell 5 kan jämföras med Svenska Kraftnäts planeringsnivåer som presenteras i tabell 6 [41] då de båda gäller högre spänningar. Värt att notera är att både IEC och Svenska Kraftnäts nivåer för övertoner utgår från 95-percentilen. Tabell 6 Svenska Kraftnäts planeringsnivåer för övertoner Udda övertoner Udda övertoner ej multipel av 3 multipel av 3 Jämna övertoner Ordning h Övertonshalt % Ordning h Övertonshalt % Ordning h Övertonshalt % 5-7 2,0 3 2,0 2-4 1,0 11-13 1,5 9 1,0 6 0,5 17-19 1,0 15 0,3 8 0,2 23-25 0,7 21 0,2 >8 0,2 >25 0, 2 + 0, 5 25 h >21 0,2 En jämförelse mellan tabell 5 och tabell 6 visar att Svenska Kraftnät generellt ställer hårdare krav. För udda multiplar av tre ställs dock samma krav i Svenska Kraftnät och IEC:s planeringsnivåer. Vidare ställer Svenska kraftnät krav på T HD U på 3 %, räknat upp till den 50e övertonen. För flimmer ger IEC indikativa planeringsnivåer enligt tabell 7a och Svenska Kraftnät ger enligt tabell 7b: Flimmertyp Planeringsnivåer MV HV-EHV P st 0,9 0,8 P lt 0,7 0,6 (a) IEC:s planeringsnivåer. Flimmertyp Planeringsnivåer P st 1,0 P lt 0,8 (b) Svenska Kraftnäts planeringsnivåer. Tabell 7 Planeringsnivåer för flimmer. 2.5.4 Störnivå Störnivån är den totala mängd störningar som uppstår vid sammanlagringen av apparaters emissionsnivå och elnätets bakgrundsnivå. Det är denna nivå som oftast mäts av elkvalitetsutrustning. Störnivån har på samma sätt som immunitetsnivån 19

en täthetsfunktion där den största mängden störningar är ovanligare. Störnivån ska inte överskrida planeringsnivån och om störnivån överskrider kompatibilitetsnivån bryts rådande föreskrifter. I IEC:s tekniska rapport 61000-3-14 beskrivs det att, över ett helt elnätssystem, kan vara svårt att under 100 % av tiden hålla störnivån inom kompatibilitetsnivåerna: Within an entire power system, it is inevitable that some level of interference will occur on some occasions, hence there is a risk of overlapping between the distributions of disturbance levels and immunity levels. [42] I figur 10 visas hur störnivåns täthetsfunktion kan se ut över ett helt nät. Figur 10 Störnivå sett över ett helt elnätssystem. [42] I figuren ovan visas att flera olika planeringsnivåer förekommer, detta beroende på plats och förutsättningar på nätet. Över hela nätet, kommer störnivån överskrida planeringsnivåerna och i vissa fall kompatibilitetsnivån och immunitetsnivåerna. Samma täthetsfunktion sett på lokal nivå, till exempel vid en nätstation, visas i figur 11. 20

Figur 11 Lokal störnivå, till exempel vid en nätstation. [42] Som figuren ovan illustrerar har täthetsfunktioerna för störnivån och immunitetsnivån sett på lokala nätet en större marginal till kompatibilitetsnivån. Ett scenario som skulle kunna illustreras av figuren ovan är exempelvis störläget vid en nätstation. 2.5.5 Emissionsnivå Emissionsnivå är störningar som kommer från utrustning kunder har installerade på en gemensam anslutningspunkt. Det finns standarder för hur mycket och vilka störningar apparater får ge ut på elnätet, bland annat CE-märkning [26]. 2.5.6 Bakgrundsnivå De störningar som kommer från själva elnätet samt från okända och avlägsna källor kallas bakgrundsnivå. Det kan vara problematiskt att mäta bakgrundsnivån då det är svårt att särskilja på emissionsnivå och bakgrundsnivå, det blir lätt störnivån som mäts. För mätning av störnivån krävs endast mätningar av spänningsnivåer, men för att kunna göra en uppdelning till bakgrudnsnivå och emissionsnivå krävs det att även strömmen mäts. På så vis går det att se hur emissionsnivån korrelerar med lastens strömuttag [17]. Alternativt går det, om möjligheten finns, att koppla bort laster och mäta bakgrundsnivån under denna tid. 21

2.6 Störutrymme Störutrymme kan skilja sig beroende betraktare. För nätbolagen avser marginalen mellan störnivå och planeringsnivå störutrymmet, se figur 12. Figur 12 Störnivåer och det som benämns Störutrymme utmarkerat. För kundens räkning är det viktigaste att apparater fungerar enligt anvisningar och de kan då betrakta störutrymmet som utrymmet mellan immunitetsnivå och störnivå. I denna rapport syftar störutrymmet på utrymmet mellan planeringsnivån och störnivån. Det kan vara av intresse för nätbolag att kontinuerligt mäta störnivån för att kunna uppskatta störutrymme. I ett pågående energiforskprojekt där en rapport är tänkt att publiceras senare i år har spänningsdistorsion mätts på lågspänningsnätet i Sverige. Totalt gjordes 47 mätningar och de utfördes i vägguttaget under en till tre timmar. I figur 13 presenteras data som erhölls i den studien. 22

Figur 13 Övertoner på 47 punkter i ett lågspänningsnät. Cirklar anger normvärden enligt EN 61000-2-2 och trianglar anger normvärden enligt EIFS 2013:1. [44] Mätpunkterna kommer mestadels från stadsmiljö; bland annat 14 caféer och restauranger, 11 hotell samt 11 kontor och universitet. Beroende på hur planeringsnivåerna bestäms finns det för de flesta övertoner gott om störutrymme i de mätpunkter som presenterades i figur 13. I denna studie är det framförallt 9:e övertonen och 15:e övertonen som uppvisar mindre marginal och i vissa fall överskrids. 2.7 Fördelning av störutrymme Ett viktigt område när det kommer till hur elnätsbolag och dess kunder ska förhålla sig till elkvalitetsföreskrifter är fördelning av störutrymme. Det finns ett antal faktorer som komplicerar hur fördelningen ska göras. Störningar på elkvalitet kan spridas långt på nätet från den störande källan. Samtidigt ärver lågspänningsnätet stora delar av den spänningskaraktäristik som finns på överliggande nät [17]. Detta medför att det ibland kan vara svårt att finna de störande källorna. Apparater har olika immunitetsnivåer, där standarder återger hur mycket störningar apparater ska klara av och fortfarande fungera tillfredsställande. Vid 23

flera störande källor sker en sammanlagring av störningarna, vilket beroende på typ av störning adderas på olika sätt. Till exempel gäller det för övertoner att de adderas så de i vissa fall tar ut varandra [26]. 2.7.1 Metoder för fördelning av störutrymme Det finns en mängd olika metoder för fördelning av störutrymme. Det är upp till varje enskilt nätbolag att välja en metod som passar dess nät och kunder. I många fall bygger dessa metoder på IEC:s eller IEEE:s tekniska rapporter. I [26], [39] och [43] redovisas och jämförs de vanligaste metoderna. Slutsatsen i [43] är att trots de olika metodernas inparametrar och tillvägagångssätt ställs liknande krav för de flesta övertoner. 5:e och 7:e övertonen är undantag där IEC 61000-3-14 ställer hårdare krav än övriga metoder. I delkapitlen nedan beskrivs tre metoder; IEC:s, en svensk metod samt IEEE:s metod. Fokus ligger på IEC:s och den svenska, då dessa använder begreppet planeringsnivåer. 2.7.1.1 IEC 61000-3 En vanlig metod för mellanspänningsnätet är den som återfinns i IEC-61000-3-6 och IEC-61000-3-7 som går ut på att en sammanlagringsexponent α används vid flera störningar. α uppskattas på olika sätt beroende på om det är sammanlagring av flimmer eller övertoner som ska beräknas. I fallet med flimmer beror det på sannolikheten för samtidig drift, se tabell 8 [26]. Tabell 8 Sammanlagringsexponent, α, för flimmer vid olika uppskattade sannolikheter. Sannolikhet för samtidig drift Sammanlagringskoefficient, α Extremt låg. 4 Låg. (Rekommenderas för de flesta beräkningar.) 3 Trolig. (T.ex vid samtidig smältning i ljusbågsugnar.) 2 Mycket hög. (T.ex samtidig start av flera motorer.) 1 24

Totala flimret från flera källor kan sedan beräknas med följande ekvation: P st = α Psti α (8) Där P st är totala korttidsflimmervärdet, α är sammanlagringsexponenten från tabell 8, P sti är varje enskilt flimmervärde. För övertoner beror istället sammanlagringsexponenten på vilken ordning av överton som det handlar om enligt tabell 9 [47]. Tabell 9 Sammanlagringsexponent α vid olika övertoner. Överton [h] Sammanlagringsexponent, α h < 5 1 5 h 10 1,4 h > 10 2 i Tilldelningen av störutrymme enligt IEC:s metoder relaterar vidare till hur mycket störutrymme som anses finnas kvar och hur mycket effekt som ska installeras enligt följande ekvation för mellanspänningsnätet [26]: E i = α L α MV (T Si UM L US ) α α, (9) S t där E i är det fördelade störutrymme för utrustningen som ska installeras för kund i, α är sammanlagringsexponent från tabell 9, L MV är planeringsnivå för mellanspänningsnätet, T UM är överföringskoefficient från överliggande nät till mellanspänningsnätet, L US är planeringsnivån för överliggande nät, S i är abonnerad effekt och S t är tillgänglig effekt vid anslutningspunkt i kva. I IEC 61000-3-14 finns riktlinjer för installationer på lågspänningsnätet. Metoden är uppdelad i tre steg. Steg 1 innefattar små installationer vilka har en effekt under ett värde, S min, definierat av nätbolaget. Ett föreslaget värde på det minimala effektvärdet ges enligt: 30 kva S min 100 kva, vilket sägs passa de flesta elnät. En installation som underskrider S min kan göras utan vidare utredningar om följande gäller; ingen effektfaktorkorrigering görs, installationens effekt ligger under 1 % av kortslutningseffekten samt att övertonsströmmarna ligger under tabellvärden. Tilldelningen görs i form av övertonsströmmar. Steg 2 behandlar större installationer vilka ligger över S min -gränsen. I detta steg tas elnätets kapacitet och de lokala planeringsnivåerna i beaktning. Den maximala 25

globala störnivån från spänningsövertoner ges på liknande sätt som för MV-nätet enligt: G LV = α L α LV (T ML L MV ) α, (10) där L LV och L Mv är planeringsnivå för lågspännings- respektive mellanspänningsnätet. T ML är överföringskoefficient från mellanspänningstill lågspänningsnätet. Metoden använder vidare en reduktionsfaktor definierad enligt: U hb (St) K hb = max(u hlv (S t )), (11) där U hb (St) är globala störbidraget från alla installationer vid en samlingsskena på lågspänningsnätet. max(u hlv (S t )) är det största störbidraget från alla installationer vid någon punkt i det avsedda lågspänningsnätet. Krav på strömövertoner ställs med följande ekvation: E Ihi = U 2 N S i G hlv α Si S t min ( KhB Z hb ; 1 Z hi ), (12) där E Ihi är fördelat störutrymme för övertonsströmmar av övertonsordning h, för installation i. U N är fasspänning på lågspänningsnätet, G hlv är den maximala golaba störnivån (se ekvation 10), S i och S t är installationens effekt respektive totala effekten vid nätstationen. α är sammanlagringsexponent, K hb är reduktionsfaktorn definierad enligt ekvation 11, Z hb är övertonsimpedansen vid lågspänningsskenan och Z hi är övertonsimpedansen i anslutningspunkten. Beräkning med ekvation 12 kan göras vid anslutningspunkt eller samlingsskena. En notering görs för beräknande av S t i de fall då mikroproduktion förekommer. Exempel ges då mikroproduktion står för 50 % av transformatorns märkeffekt. Då ska S t multipliceras med en faktor 1,5 [42]. Steg 3 behandlar de installationer som inte kan accepteras i steg 1 och 2. I dessa fall behövs detaljerade studier för det enskilda fallet. 2.7.1.2 Fördelning av störutrymme I en elforskrapport med namnet Fördelning av störutrymme ges förslag på en metod för fördelning av störutrymme som har likheter med IEC:s metod för mellanspänningsnätet [26]. Metoden är framtagen för att vara transparent med enkla och väldefinierade inparametrar. Istället för en överföringskoefficient använder denna metod störnivån vid anslutningspunkten. Två ekvationer presenteras för fördelning av störutrymme: E i = αn L α n LV Eαn n αn Si S t S l (13a) 26

E i = L 2 LV Si E2 n αn S t (13b) där E n är uppmätt störnivå vid gemensamma anslutningspunkten (pcc) och S l är redan kontrakterad effekt i kva. Den första faktorn i ekvation 13a och 13b avser tillgängligt störutrymme vid anslutningspunkt. Den andra faktorn avser hur stor andel av det tillgängliga störutrymmet som ska fördelas till kund i. Figur 14 ger en översiktsbild på parametrarna. Figur 14 Visualerisering av hur de parametrar som används i ekvation 13a och 13b relaterar till varandra. Den stora skillnaden mellan ekvationerna ligger i hanterandet av framtida ökningar av störnivån för befintliga kunder. Ekvation 13a kan med fördel användas då befintliga kunder har utnyttjat tilldelat störutrymme alternativt om deras störnivåer inte förväntas öka. I detta fall anses det rimligt att resterande störutrymme delas på framtida kunder. Ekvation 13b används då det anses finnas risk att den befintliga störnivån hos kunderna kan öka. I de flesta fall ger ekvation 13a en större tilldelning av störutrymme [26]. För övertoner görs en övergång från tilldelat utrymme i spänning till emissionskrav i ström, detta görs utifrån Ohms lag (ekvation 2) enligt: I ni = Z ni U ni (14) där i ni är det motsvarande emissionskravet i ström för n:te övertonen, U ni är beräknat störutrymme för spänning utifrån ekvation 13a och 13b. Z ni är impedansen för gällande överton. En linjär ökning görs för impedansen enligt: Z n = n Z = n S k U nom (15) 27

där S k är kortslutningseffekt, U nom är nominella spänningen och n är övertonens ordningstal. Ekvation 15 ger konservativa värden för övertoner över tionde övertonen och bör främst användas då ingen detaljerad information om källimpedans som funktion av frekvens finns tillgänglig. 2.7.1.3 IEEE 519 IEEE är en global branschorganisation baserad i USA som är verksam bland annat inom elektroteknik. I IEEE 519 ges gränser för spänningsövertoner för nätägaren och gränser för strömövertoner ges för kunder. Strömövertoner för varje överton baseras på förhållandet I SC /I L, där I SC är maximal kortslutnnigsström och I L är maximal lastström. Spänningsövertoner ges indirekt av strömövertoner och kan beräknas utifrån källimpedans [39]. Delat ansvar för övertonsproblem gäller mellan kund och nätägare. Varje kund tilldelas en skälig mängd utrymme för övertonsströmmar och skulle problem uppstå med spänningsövertoner är det upp till nätägaren att åtgärda spänningskvaliteten. 2.8 Val av planeringsnivå Planeringsnivåer ska utformas så att totala störnivån inte överstiger kompatibilitetsnivån. Framförallt ska elektromagnetisk kompatibilitet råda om planeringsnivåerna efterföljs. De ska även täcka framtidens elnät och det förändrade behov som kan uppstå. Det är lätt att planera för maximalt utnyttjande av elnätet utifrån dagens behov, för att på så sätt till hög grad utnyttja resurserna som finns på elnätet. Ett problem är dock att energiförbrukning med åren tenderar att gå uppåt vilket kan få konsekvenser vid dålig planering [3]. Det finns ett antal olika potentiella förändringar på elnätet som i framtiden kan spela en roll för den elektromagnetiska kompatibiliteten. Några exempel är följande [45, 46]: Belysning. LED-lampor har ökat kraftigt de senaste åren och de kan ha dålig immunitet mot supratoner och mellantoner. Ökad mängd kraftelektronik kan leda till supratoner och större likströmskomponenter. Distribuerad generering. Vindkraft och solceller kan bland annat öka mängden långsamma spänningsvariationer och skapa spänningsobalans. Snabba fordonsladdare kan orsaka problem med övertoner. 28

Elkvaliteten blir inom vissa områden bättre när dessa nya tekniker installeras. Ingen plötslig större förändring gällande elkvaliteten förväntas ske utifrån ovan nämnda områden [45]. Däremot kan många mindre förändringar ske och det kan vara svårt att förutse hur de tillsammans kommer påverka elnätet. Planeringsnivåer ska vara långsiktiga mål vilka ska ta hänsyn till potentiella förändringar i ett framtida nät. I Sverige var till exempel de flesta större hushållslasterna trefasiga innan EU-inträdet [17]. Stora enfasiga laster på lågspänningsnätet kan leda till bland annat spänningsobalans. Det kan vara svårt att på sikt förutse liknande förändringar på elnätet. Planeringsnivåerna ska vara formade på ett vis så att elektromagnetisk kompatibilitet råder på alla nätnivåer. En viktig del vid bestämmande av planeringsnivån är hur fördelning av störutrymmet sker. Om metoden för fördelningen exempelvis tar i beaktning hur stor andel abonnerad effekt som finns tillgänglig, likt metoderna i [26] och [47], krävs mindre marginal mellan planeringsnivån och kompatibilitetsnivån. Hänsyn tas också till sammanlagringseffekter vilka behandlas i stora drag av dessa två metoder med hjälp av sammanlagringsexponenten α. Även om metoderna tar hänsyn till sammanlagring kommer det på grund av variansen i sammanlagringen leda till större osäkerhet. Om störnivån ligger nära eller överskrider planeringsnivån finns det i huvudsak tre åtgärder; En höjning av planeringsnivån. Detta görs med försiktighet då det finns risk att störnivån överskrider kompatibilitetsnivån vid en sådan höjning. Det krävs emellertid också att det finns en viss marginal mellan planeringsnivån och kompatibilitetsnivån. En andra åtgärd är att minska störnivån. Detta görs lättast i kundens anläggning. Det kan exempelvis ske i form av filter eller energilagringssystem. För nätägarens del kan nätets styrka ökas. Ett starkt nät med låg impedans kommer ha mindre problem med elkvalitet. Nätet stärks upp bland annat genom att; lägga till fler ledningar och kablar på nätet, lägga till fler transformatorer, minska kabellängd eller byta till kraftigare kablar [13]. Det är enligt [13] dock olämpligt att stärka nätet för att hantera elkvalitetsstörningar. En tredje åtgärd är att öka apparaternas immunitetsnivåer. Denna åtgärd görs lämpligen av apparattillverkarna. Problemet med denna metod är att det kan krävas att flera apparaters immunitetsnivå behöver höjas. Denna åtgärd görs framförallt om det är enstaka apparater som uppvisar problem med elektromagnetiska kompatibiliteten. Vid val av planeringsnivåer kan kundens intresse ställas mot nätbolagets. För 29

båda parter är det ekonomiska parametrar som styr. En kund som ska installera ny utrustning på nätet är intresserad av att höga planeringsnivåer sätts, för att få lägre investeringskostnader i form av filter eller apparater med låg emissionsnivå. Uppstår störningarna till stor grad för att nätet är svagt kan kunden se det som nätbolagets uppgift att stärka det, men då kan det som konsekvens bli ökade nätavgifter. Vissa kunder kan då föredra lägre nätavgifter i förmån för ett starkare nät [17]. Ett starkare nät ställer också högre krav på kundens anläggningar om de ska dimensioneras för högre kortslutningseffekter. Från nätbolagets sida finns intresse att leverera el av god kvalitet, vilket skulle innebära lägre planeringsnivåer. I [3] beskrivs vikten av att bestämma planeringsnivåerna före mätningar görs: Om vi först mäter upp elnätet är det stor risk att vi låter mätningarna styra våra planeringsnivåer. Men då upphör dessa att vara just planeringsnivåer och blir lätt alibin för dagens situation! Vidare beskrivs i vilken ordning mätningar ska göras efter planeringsnivåer bestämts. Mätningar bör först göras på högre nätnivåer för att sedan undersöka möjliga problematiska inmatningspunkter på lägre nätnivåer [3]. Fokus bör ligga på att välja ett antal punkter som representerar en större del av nätet, för att på detta sätt undvika allt för många mätningar [17]. 2.9 Elbussar Elbussar ses som en lösning på problem med luftkvalitet och buller som finns i många städer [48, 49]. Med god elmix kan elbussar ur ett större perspektiv också bidra med sänkta växthusgasutsläpp [49]. Elbussar kan kategoriseras på flera sätt [50]; Plug-in hybrid har både klassisk förbränningsmotor och en elektrisk motor. Helelektriska bussar har endast en elektrisk motor. De helelektriska kan delas upp i ytterligare kategorier beroende på hur de laddas. Snabbladdade bussar med batterier som klarar höga strömmar. Dessa kan laddas med flera hundra kw och blir fulladdade på ett fåtal minuter, vilket gör att laddningen kan integreras rutten. Vanligtvis sker snabbladdning vid ändhållplatser [48]. Långsam laddning sker på två till åtta timmar, vilket anses lång tid för att vinna allmän acceptans [48]. Om detta görs under nattetid påverkas inte rutten, dock erfordras batterier med stora lagringsmöjligheter. 30

Byte av batteri när det är urladdat. Denna metod kan gå snabbt (<10 min) men kräver större investeringar i laddsystemet [48]. I en studie [51] gjord för elnäten i Stockholm och Mora rekommenderas snabbladdning vid ändhållplatser kombinerat med depåladdning som laddmetod för en eventuell elektrifiering av busstrafiken. I framtiden ses långsam laddning över nattetid som den bästa metoden [49]. Laddning kan vara stationär, statisk eller dynamisk [52]. Stationär laddning åsyftar fordon som laddas stillastående men under en väldigt kort tidsperiod. Statisk laddning är också stillastående men sker under en längre tidsperiod. Dynamisk laddning kan ske under rörelse, och kan därmed ske under rutt. Dynamisk laddning är i dagsläget i utvecklingsstadiet [52]. De flesta elbussladdare är idag snabbladdare och installerade på lågspänningsnätet med tillhörande växelspänning. Med hjälp av likriktarteknik konverteras växelspänning till likspänning, där den tillämpade spänningen för batteriet kan vara upp till 800 V DC [51]. Eftersom snabbladdare kräver höga effekter och oftast är kopplade till 400 V innebär det att höga strömmar flödar till laddarna. I [53] och [54] undersöks bland annat möjligheten att använda energilager vid installation bussladdare. Energilager visas, vid installation av nya bussladdare, kunna sänka investeringskostnader på elnätet i form av transformatorstorlek och kabeldimension. Energilager kan också åtgärda vissa elkvalitetsproblem, då flera av dessa är kopplade till uttagen effekt. 3 Metod I detta avsnitt beskrivs metoder och verktyg som använts för att utföra projektet. 3.1 Litteraturstudie Projektet inleddes med en litteraturstudie vilken stod för grunden av den teori som projektet baseras på. Källorna kommer mestadels från rapporter, artiklar och böcker. 31

3.2 Intervjuer och samtal Telefonsamtal har hållits med Christer Kauma från Vattenfall där diskussion fördes kring hur de arbetar med planeringsnivåer och störutrymme. Videosamtal och mailkonversation har hållits med Math Bollen, från Luleå Tekniska Universitet, gällande val av metod samt tillvägagångssätt. Besök gjordes även på LTU:s campus i Skellefteå där vidare samtal hölls. 3.3 Genomförande Utifrån litteraturstudien bedömdes metoden i Födelning av störutrymme passa detta projekt bäst. Metoden utgår från planeringsnivåer och ska vara transparent och enkel att använda. Genom konversationer med Math Bollen valdes metod för att bestämma planeringsnivåer. Planeringsnivåer bestämdes utifrån EIFS 2013:1, vilket ansågs vara kompatibilitetsnivån. En viss marginal mellan planeringsnivåerna och kompatibilitetsnivån ansågs vara erforderlig i de fall där det bedömdes föreligga en risk för att bakgrundsnivåer skulle öka. Riskbedömningen gjordes genom att undersöka hur övertonshalten har förändrats de senaste åren, vilket gjordes med hjälp av linjär regressionsanalys. Ett antal punkter valdes ut på Umeå Energi:s elnät för analys. Punkterna valdes under kriteriet att mätutrustning ska ha funnits installerat en längre tid, så att tillräcklig data fanns för regressionsanalysen. Mätpunkterna valdes även så att punkterna låg i varierade områden; central stad, moderna bostadshus, äldre bostadshus och hyreshus. Tidsintervallet för mätdatan var för alla punkter fyra år. Totalt gjordes mätningar på fem transformatorer varav två i centrala Umeå, två i bostadsområden och en i ett hyreshusområde. Mätutrustningen var installerad på transformatorernas nedsida, det vill säga sidan med lägre spänning. Mätningarna gjordes med mätinstrumentet Metrum SC vilket är ett intelligent trefas energi- och elkvalitetsinstrument för kontinuerlig övervakning. Instrumentet är klassificerat enligt klass A IEC 61000-4-30 och kan mäta bland annat övertoner, spänning, ström och flimmer. Klass A innebär en onoggrannhet på < 0,1 %. Vidare innehar instrumentet intern rapportgenerering som sparar data på en server var 10:e minut. Med hjälp av Metrums Swedens databehandlingsprogram Metrum Db Viewer hämtades mätdatan från servern och exporterades till csv-filer för ytterligare analys i Microsoft Excel. Varje individuell överton, mätt i andel av grundton, plottades i Excel för vardera mätpunkt. Trendlinjer ritades upp för varje graf och dess lutningar jämfördes och sammanställdes. Endast en fas undersöktes, vilket var fas 1. 32

Två metoder för att sammanfatta övertonernas trender redovisades; två grafer där den relativa förändringen hos trendlinjen plottades, och två grafer där trendlinjens förändring relativt EIFS 2013:1 plottades. De metoder som användes beskrivs med följande två ekvationer: y = T st T sl T st (16) y = T st T sl normkrav (17) där ekvation 16 beskriver den relativa förändringen och ekvation 17 beskriver hur stor andel av det totala störutrymmet befintliga kunder tagit i anspråk under tidsperioden för mätningarna. T st anger vilken nivå trendlinjen startar på och T sl vilken nivå den avslutar på. normkrav är kompatibilitetsnivåerna och i detta utförande användes EIFS 2013:1 som kompatibilitetsnivå. Val av planeringsnivå gjordes utifrån hur mycket övertonerna ökade relativt de krav som ställs i EIFS 2013:1, det vill säga utifrån ekvation 17. Ingen tydlig metod för att bestämma planeringsnivåerna identifierades utifrån litteraturstudien. Den metod som användes var att bestämma intervall för planeringsnivåerna utifrån övertonhaltens ökning relativt normkraven i EIFS 2013:1. För de övertoner, där liten eller ingen förändring av tillgängligt störutrymme skett, bestämdes att planeringsnivån ska vara på samma nivå som de krav EIFS 2013:1 ställer. De intervall som bestämdes presenteras i tabell 10. Tabell 10 Procentsatser utifrån övertonsförändring. Relativ ökning Procentsats [%] Ökning mindre än 2 % 100 Ökning större än 2 % och mindre än 4 % 95 Ökning större än 4 % och mindre än 6 % 90 Ökning större än 6 % 85 Procentsatserna valdes för att beakta de framtida ökningar som kan komma att uppstå på de övertoner som trendanalysen visat vara problematiska. 33

4 Resultat I detta kapitel presenteras resultaten från mätningar och undersökningar som gjorts under projektets gång. 4.1 Fördelningsmetod för störutrymme Flera fördelningsmetoder identifierades i litteraturstudien där IEC 61000-3-14, IEEE 519 och Fördelning av störutrymme ansågs vara de mest intressanta för detta projekt. Val av fördelningsmetod blev Fördelning av störutrymme. Det vill säga ekvation 13a och 13b i kombination med planeringsnivåer. Ekvation 13a kan användas då störningar från befintliga kunder inte förväntas öka och ekvation 13b kan användas då befintliga kunder förväntas öka i störnivån i framtiden. Krav ställs utifrån spänningsövertoner samt källimpedans och i slutändan ställs krav utifrån strömövertoner. Metoden är en kompromiss mellan komplexitet och noggrannhet, då beräkningar med en komplicerad modell inte nödvändigtvis innebär att noggrannheten blir bättre. 4.2 Trendanalys övertoner Totalt analyserades fyra nätstationer och övertoner på fem transformatorer enligt fördelning i tabell 11. Tabell 11 Fördelning och områdestyp för datapunkterna i studien. Nätstation Transformator Område 1 1 Hyreshus 2 2 Bostadsområde - Modernt 3 3 4 Centrum 4 5 Bostadsområde - Äldre Samtliga grafer och dess trendlinjer presenteras i bilaga A. I figur 15 visas ett exempel på hur femte spänningsövertonen ändras med tiden på en transformator i centrala Umeå. 34

(a) Överblick. (b) Trendlinje inzoomad. Figur 15 Femte övertonen i centrum över fyra år. Trendlinjen har liten lutning vilket tyder på årsbasis nära konstant spänningsdistorsion. Femte övertonen är en vanligt förekommande överton och är ofta en av de övertoner som uppvisar problem vid höga övertonshalter. I figur 16 visas femte övertonen i ett bostadskvarter i Umeå. (a) Överblick. (b) Trendlinje inzoomad. Figur 16 Femte övertonen vid hyreshus i Umeå över fyra år. Trenden ser överlag lik för exemplen i figur 15 och 16. En sammanfattande graf visar den relativa förändringen för övertoner från 2:a till 14:e och presenteras i figur 17. 35

Figur 17 Relativ förändring i övertonshalt, utifrån trendlinje, för fem transformatorer i Umeå för övertoner mellan 2 och 14. De flesta övertoner i intervallet ser en ökning. 2:a, 3:e, 4:e, 6:e samt 9:e ser en lägre relativ förändring än övriga. I figur 18 presenteras den relativa förändringen för 15:e till 25:e övertonen samt THD. Figur 18 Relativ förändring i övertonshalt för fem transformatorer, utifrån trendlinje, i Umeå för övertoner mellan 15 och 25 samt THD. I intervallet 15 till 25 har de flesta övertoner en större relativ förändring än de lägre. Särskilt 16:e övertonen visar en större relativ förändring. Transformator 3 och 4 följer samma trender för alla övertoner. Det förklaras av att de ligger under samma nätstation. I figur 19 visas förändringen i övertonshalten relativt elkvalitetsnormen EIFS 2013:1 för övertonerna i intervallet 2 till 14. 36

Figur 19 Förändring i övertonshalt relativt EIFS 2013:1 för övertoner i intervallet 2 till 14. I intervallet 2 till 14 visar huvudsakligen udda övertoner en större ökning relativt det totala störutrymmet. Framförallt uppvisar 7:e övertonen en stor ökning. Det kan tyda på att planeringsnivån för 7:e övertonen bör bestämmas med varsamhet. Den 5:e övertonen uppvisar stor ökning på transformator 2, vilken är placerad i ett bostadskvarter i närheten av en industri. I en tidigare studie föreslogs att den höga halten, i en närliggande nätstation, till stor del ärvs från den närliggande industrin i det överliggande nätet [9]. Figur 20 presenterar förändringen i övertonshalten relativt elkvalitetsnormen EIFS 2013:1 för övertonerna i intervallet 15 till 25 samt THD. 37

Figur 20 Förändring i övertonshalt relativt EIFS 2013:1 i intervallet 15 till 25 samt THD. I grafen ovan är det framförallt 15:e, 17:e, 21:a och THD som uppvisar större förändringar. Generellt har de jämna övertonerna i hela intervallet från 2:a övertonen till 25:e ökat med en liten andel av det totala störutrymmet som EIFS 2013:1 innebär. En sammanfattande graf för medelvärdet av övertonsförändringen relativt EIFS 2013:1 ges i figur 21. Figur 21 Medelförändring relativt EIFS 2013:1 för övertoner i intervallet 2 till 25 samt THD över fyra år och fem datapunkter i Umeå. 38

4.3 Planeringsnivåer För jämna spänningsövertoner upp till 24:e övertonen föreslås planeringsnivåer enligt EIFS 2013:1, det vill säga de värden som återfinns i tabell 3. För de udda övertonerna upp till 25:e och THD föreslås planeringsnivåer för spänningsövertoner enligt tabell 12 nedan. Tabell 12 Föreslagna planeringsnivåer för udda övertoner och THD. Övertoner EIFS 2013:1 norm Procentsats Planeringsnivå 3 5 100 5 5 6 95 5,7 7 5 85 4,25 9 1,5 100 1,5 11 3,5 100 3,5 13 3 95 2,85 15 0,5 95 0,475 17 2 95 1,9 19 1,5 100 1,5 21 0,5 95 0,475 23 1,5 100 1,5 25 1,5 100 1,5 THD 8 90 7,2 Planeringsnivåerna gäller för spänningsövertoner och avser att mätas i procent av grundton. 5 Diskussion I detta kapitel förs diskussion och resonemang från författaren gällande metodval och resultat. 5.1 Val av metod och genomförande Det har under projektets gång visats vara svårt att hitta en befintlig metod för att bestämma planeringsnivåer för lågspänningsnätet. Den metod som använts bygger på att uppskatta framtida förändringar i övertonshalt. Framförallt har det 39

varit viktigt att bestämma befintliga kunders framtida övertonshalter. Den metod som använts för det är linjär regressionsanalys med minsta kvadratmetoden. Det är en metod som kan ha problem att beskriva data av den typ som behandlats i denna rapport. Variansen är stor i datan eftersom övertonshalten dels varierar över dygnsbasis, men också över årsbasis. Att göra en linjär regressionsanlys på liknande data kommer i de flesta fall innebära att korrelationskoefficienten (R 2 ) blir låg. Metoden kan anses svag för att estimera den absoluta ökningen som skett över tid. Det som går att utläsa från trendlinjen är dock om medelvärdet av övertonshalten ökar eller minskar. När störnivån senare ska bestämmas för att kunna fördela störutrymme är det oftast 95-, 99- eller 100-värden som används, det vill säga maxvärden. De linjära regressionsanalyser som gjorts påvisar i högre grad om det skett en ökning av medelvärdet än maxvärden. Korrelationen mellan medelvärdet och det förväntade maxvärdet förväntas dock vara hög. Det har i vissa delar i metoden, på grund av tidsramen för projektet, gjorts förenklingar och antaganden. Till exempel uppmättes bara första fasen på alla transformatorer och det antogs att alla faser i snitt uppvisade samma störningar. Detta bör i genomsnitt också vara hur det ser ut i verkligheten, då spänningsobalans i största mån undviks. Med mer tid hade det varit att föredra att göra mätningar över alla faser. Hade mer tid funnits hade dock fokus fortfarande varit att använda fler mätpunkter i form av fler transformatorer än fler faser. Detta då det antas vara större skillnad mellan olika transformatorer än för olika faser under samma transformator. 5.2 Planeringsnivåer Vid val av planeringsnivåer är det viktigt att framtidens elnät tas i beaktning. Att förutspå hur framtidens elnät ser ut är svårt. Elnät planeras i vissa fall för att klara långa avskrivningstider. Studier kring hur störningar kan förändras i framtiden har utforskats i projektet. Det tycks enligt dessa studier inte uppstå problem gällande övertoner i de områden man kan befara en snabb framtida tillväxt; till exempel solceller och fordonsladdare. Det kan dock ske snabba förändringar när det kommer till acceptans och införande av ny teknik. I Europa är CE-märkning vanlig, vilket begränsar hur mycket apparater får störa. Om det i framtiden tillkommer ny teknik som verkar störande ska de fortfarande följa regelverk och standarder gällande både immunitetsnivå och emissionsnivå. Trots standarder likt CE-märkning överskrids dock kompatibilitetsnivåer och immunitetsnivåer emellanåt på nätet. De senaste årtiondena har det i hemmen tillkommit olika störningar i form av bland annat LED-belysning, mobiltelefonladdare, dimrar med mera. Det är ingen självklarhet att det kommer tillkomma mer störande utrustning de kommande åren, men 40

trenden de senaste åren har gått åt det hållet. Att välja rätt marginal upp till kompatibilitetsnivån från planeringsnivån är ingen enkel uppgift. För elnätsbolaget del prioriteras att upprätthålla ett elnät med god kvalitet. För kundens räkning är det viktigt både att nätet håller god kvalitet men också att en eventuell installation inte blir för dyr. Till exempel kan ett energilager eller ett filter lösa problem med övertoner i många fall men dessa lösningar kräver ekonomiska investeringar. I litteraturstudien hittades inga maximala krav för vad nätbolagen får ställa, dock gäller det enligt ellagen att koncessionsinnehavaren är skyldig att på skäliga villkor tillåta anslutning av elektriska anläggningar. Hur hårda krav som kan anses vara skäliga är svårt att säga, men i de allmänna avtalsvillkoren för anslutning av elektriska anläggningar ställs krav att kund och nätägare inte ska störa varandra samt att nätägaren kan kräva att kunden på egen bekostnad ändrar anläggningen för att gällande bestämmelser ska uppfyllas. Elnätsbolag har liten vinning att ställa alltför höga krav och de krav som ställs bör leda till att elektromagnetisk kompatibilitet råder. Elnätsbolag bör i den mån som är möjlig jobba nära kunder vid installationer där det kan föreligga risk för en större mängd störningar, typiskt kraftiga installationer. I IEC-61000-3-14 rekommenderas en minigräns på mellan 30 kva till 100 kva där installationer som överskrider minigränsen prövas och en bedömning görs från fall till fall. Det är viktigt med tydliga krav för kunden och det bör redogöras för vilka krav som ställs redan i kundens föranmälan. 5.3 Fördelningsmetod Gällande fördelningsmetod för störutrymmet identifierades ett antal metoder där de mest utbredda bedömdes vara IEEE 519 samt IEC 61000-3-6, -3-7 och -3-14. Rekommenderad fördelningsmetod blev den som beskrivs i Fördelning av störutrymme i en Energiforskrapport från 2010. I litteraturstudien studerades rapporter som jämförde olika fördelningsmetoder och även om metoder skiljer sig i tillvägagångssätt ställs i många fall liknande krav på kund i slutändan. Metoden i Fördelning av störutrymme använder parametrar som är lätt att mäta och uppskatta. I stora drag påminner den om metoderna som beskrivs i IEC 61000-3-7, där den största skillnaden är hur de betraktar störutrymmet. I Fördelning av störutrymme baseras störutrymmet på utrymmet mellan den befintliga störnivån och planeringsnivån. IEC-61000-3-14 beskriver istället störutrymmet som skillnaden mellan planeringsnivån på lågspänningsnätet och planeringsnivån på mellanspänningsnätet multiplicerat med en överföringskoefficient. Det finns fördelar och nackdelar med båda sätten att räkna. Att betrakta det tillgängliga störutrymmet utifrån planeringsnivå och befintlig störnivå ger en rättvis bild 41

av nuläget men kommer med problematiken att befintlig störnivå måste uppskattas eller mätas. Umeå Energi arbetar kontinuerligt med att installera fler elkvalitetsmätare på lågspänningsnätet, vilket kommer innebära att det på sikt inte bör finnas problem med att mäta befintlig störnivå på nätstationer som redan är i drift. I fallet när en kund önskar abonnera stor effekt och en ny nätstation måste installeras kan detta sätt att betrakta störutrymmet medföra att data saknas vid aktuell situation. Om IEC:s metod tillämpas kringgår man problematik med att mäta befintlig störnivå men istället måste en överföringskoefficient beräknas eller uppskattas. IEC:s metod hanterar störningar som kommer från överliggande nät på ett bättre sätt då störningar av denna typ har räknats in i störutrymmet. Störningar som kommer från överliggande nät kan i vissa fall vara mer besvärliga än de som uppstår i lågspänningsnätet. I de fall då spänningsdistorsion uppvisas på mellanspänningsnätet kan många kunder på lågspänningsnätet drabbas vid spridningen, då överföringskoefficienten är hög från mellanspännings- till lågspänningsnätet. Denna typ av störningar kan också bli problematisk i ett scenario där nätbolaget har förhandlat upp allt störutrymme med befintliga kunder och på grund av till exempel nätunderhåll måste effekt ledas om på nätet. I ett sådant scenario kan, under tiden effekten leds om, kompatibilitetsnivåer överskridas ifall sammanlagringen blir hög. I de flesta fall bör dock elnätsbolagen ha bättre förutsättningar att samarbeta med kunder för att mitigera störningar på mellanspänningsnätet då det handlar om ett färre antal kunder. 5.4 Tillämpning av fördelningsmetod Bakgrunden till detta projekt var att de elbussladdare som installerades 2016 uppvisade höga övertonshalter under laddning. Metoden och resultaten som tagits fram under projektets gång kan appliceras på de flesta former av kraftiga installationer på lågspänningsnätet. Det kommer emellertid krävas vissa ingenjörsmässiga bedömningar vid fördelning av störutrymmet. Båda de ekvationer som föreslås i Fördelning av störutrymme fördelar kvarvarande störutrymme. I ett scenario där befintliga kunder (vilka inte ställts under krav med de föreslagna metoderna i denna rapport) upptar en stor andel av störutrymmet och samtidigt abonnerar liten andel effekt är det orimligt att låta en ny kund som ämnar abonnera på en stor andel effekt inneha ett lågt störutrymme. I ett sådant läge har elnätsbolaget två alternativ; begränsa befintliga kunders störnivå eller göra en investering i form av till exempel en ny nätstation. Överlag är en stor del av problematiken för elnätsbolagen att det är svårt att ställa krav på befintliga kunder i efterhand. Så länge de befintliga kunderna håller sig inom givna föreskrifter finns det litet att göra. I de fall där flera kunder och deras sammanlagrade störningar 42

orsakar bekymmer är det svårt att bestämma vem som enskilt är ansvarig för att normer överskrids. En metod som fördelar störutrymme skulle fungera som bäst om även befintliga kunder tilldelas utefter samma metoder som nyanslutna. 5.5 Störnivån På de flesta uppmätta punkter på Umeås elnät var störnivån relativt låg, samtidigt var effektuttaget högt. Detta tyder på att det ovan beskrivna scenariot i dagsläget verkar mindre sannolikt. Det fanns dock ett antal punkter i mätningarna som utfördes i projektet där störnivån var hög relativt kompatibilitetsnivån, till exempel 15:e övertonen på transformator 3 och 4 där störnivån i vissa fall överskred EIFS 2013:1. Även om de tidiga bussladdarna uppvisade störningar vid idrifttagningen i Umeå 2016 är det ingen självklarhet att framtida installationer av bussladdare kommer uppvisa samma störnivå. 2016 års bussladdare får anses vara ett pilotprojekt i sammanhanget. Ändock är det viktigt att Umeå Energi ställer rätt krav på framtida installationer, krav som gör att elektromagnetisk kompatibilitet kommer råda för en översiktlig framtid. Om det i ett tidigt skede tas kontroll över störutrymmet och det görs en rättvis fördelning kommer det vara lättare att i framtiden hålla sig inom de krav normerna ställer. 6 Slutsatser Syftet med denna rapport var att redogöra för vilka krav man kan och bör ställa på installationer som potentiellt kan påverka elkvaliteten. En litteraturstudie har gjorts kring hur elnätsbolag kan hantera störande installationer på lågspänningsnätet. Utifrån litteraturstudien har en metod föreslagits som baseras på att långsiktiga planeringsnivåer bestäms och varje kund tilldelas ett visst störutrymme baserat på tillgängligt störutrymme och abonnerad effekt hos kunden. Metoden anses vara lätt att tillämpa och ge en rättvis fördelning av störutrymmet. Ett mål med examensarbetet var att föreslå planeringsnivåer som kan tillämpas vid installationer med hög effekt. Utifrån mätningar och trendanalyser har det föreslagits planeringsnivåer som utgår från elkvaltietsnormen EIFS 2013:1. De föreslagna planeringsnivåerna är tänkta för Umeå Energis nät och kan inte ses som allmänna nivåer som kan appliceras på alla lågspänningsnät. Detta eftersom lågspänningsnät tenderar att variera i större utsträckning än de med högre spänning. Planeringsnivåerna får betraktas som en startpunkt för Umeå Energi, 43

där de kan uppdateras efter mer data och erfarenhet. Det gjordes ett antal mätningar under projektets gång och många analyser kan göras på den data som erhölls. Det som går att se gällande övertoner på Umeå Energis elnät är att de generellt sett ökar, men det är stor skillnad beroende på plats och överton för hur stor förändring som sker. De jämna övertonerna tenderar att öka mycket procentuellt men de ligger på låga nivåer idag. De udda övertonerna ser generellt större ökningar relativt det tillgängliga störutrymmet, vilket gör att de anses mer kritiska utifrån den studie som gjorts i denna rapport. Framförallt uppvisar den 7:e övertonen större ökning än de andra. På de fem datapunkter som undersökts i studien var det enbart en överton, den 15:e, som någon gång överskred elkvalitetsnormen. Kraftiga installationer som påverkar elkvaliteten ses inte som ett stort problem idag men med en generell ökning av övertonshalten finns det risk att det i framtiden kan bli ett större problem än det är idag. Det är svårare för nätbolagen att ställa krav i efterhand och det gäller allra helst vid sammanlagring där det är svårt att peka ut en enstaka kund som ansvarig att normer överskrids. 6.1 Förslag på fortsatt arbete Under projektets gång har mycket data erhållits där bland annat den sjunde övertonen hade en större ökning än de andra undersökta övertonerna. En studie kring hur den sjunde övertonen uppkommer, det vill säga vilken sorts elektrisk utrustning som är typisk för den sjunde övertonen vore en bra startpunkt för en framtida studie. En sådan studie skulle ha som mål att identifiera om det finns någon risk med den utveckling som mätningarna i denna studie påvisar. I detta projekt undersöktes fyra nätstationer och hur övertonshalten förändrades över tid. I allmänhet skulle en bredare analys gällande övertonshalter och dess trender vara av intresse för att förutse framtida förändringar på elnätet. En sådan studie skulle undersöka fler nätstationer och transformatorer och göra det under en längre tidsperiod. 44

Referenser [1] Tekniska Museet Energi och miljö. www.tekniskamuseet.se/lar-dig-mer/energi-och-miljo/ [Hämtat 2018-05-03] [2] ABB Kraft, Lösningar för bättre elkvalitet, ABB [3] Reidar Gustavsson, Praktisk elkvalitet, NORBO KraftTeknik AB, 2010 [4] Naturvårdsverket, Transporter och trafik. www.naturvardsverket.se/miljoarbete-i-samhallet/miljoarbete-i-s verige/ Uppdelat-efter-omrade/Transporter-och-trafik/ [Hämtat 2018-01-16] [5] Regeringen, Fossilfria transporter och resor: Regeringens arbete för att minska transporternas klimatpåverkan, www.regeringen.se/regeringens-politik/regeringens-prioriteringa r/sverige-som-foregangsland-for-minskade-klimatutslapp/fossilf ria-transporter-och-resor-regeringens-arbete-for-att-minska-tra nsporternas-klimatpaverkan/ [Hämtat 2018-01-16] [6] Energimyndigheten, Elbusspremie www.energimyndigheten.se/klimat--miljo/fossilfria-transporter/e lbusspremie/ [Hämtat 2018-01-16] [7] Umeå kommun, Elbussar www.umea.se/umeakommun/byggaboochmiljo/bullerochluftkvalitet/l uftenutomhus/atgardsprogramforrenareluft/elbussar.4.50066d 59159c01236ea18b86.html [Hämtat 2018-02-12] [8] Umeå kommun, Umeå kommun storsatsar på elbussar, www.umea.se/arkiv/pressmeddelanden/pressmeddelanden/umeakommun storsatsarpaelbussar.5.1a5fea8a1437b3e6e52134fb.html [Hämtat 2018-01-16] [9] Maria Lindberg, Elkvalitet och störningar i samband med laddning av kommunens elbussar på laddningsplatserna Röbäck och Carlshöjd, Umeå Universitet, 2016 [10] Umeå Energi, 2016 Hållbarhets- och årsredovisning, Umeå Energi, 2017 [11] Energimarknadsinspektionen, Leveranssäkerhet i Sveriges elnät 2016 - Statistik och analys av elavbrott, Energimarkandsinspektionen, 2016 45

[12] Svensk energi, 13 varv runt jorden! http://www.svenskenergi.se/elsajten/ [Hämtat 2018-02-15] [13] M, Bollen och F, Hassan, Distributed Generation in the Power System, Wiley, 2011 [14] Energiföretagen, Elnätet - distribution, Energiföretagen, 2017-02-08 https://www.energiforetagen.se/sa-fungerar-det/el/distribution/ [hämtat 2018-02-14] [15] Leif Westlund, Elmiljö i praktiken, gleerup, 2011 [16] John Åkerlund, Utveckling elkvalitet - slutrapport, Energiforsk, 2004 [17] Christian Wikström, Strategisk hantering av planeringsnivåer, Kungliga Tekniska Högskolan,Stockholm, 2011 [18] S.E Berglund och J. Åkerlund EMC, elkvalitet och elmiljö, Elforsk, 2007 [19] SFS 1997:857, Ellagen [20] Svensk Energi, Allmänna avtalsvillkor för anslutning av elektriska anläggningar till elnät och överföring av el till sådana anläggningar (näringsverksamhet eller annan likartad verksamhet, lågspänning), Svensk Energi, 2015 [21] A. Vadasz och E. Blomqvist, Energimarknadsinspektionens författningssamling EIFS 2013:1, Göran Morén, 2013 [22] Sarah Rönnberg Flimmer, Luleå tekniska universitet, 2006. [23] Lars Ström Handbok för tillämpning av föreskrifterna om leveranskvalitet EIFS:2011:2, Energimarknadsinspektionen, 2012 [24] N. Berg och S. Estenlund Solceller i elnät - Betydande andel solcellers inverkan på lågspänningsnätet, Lunds Tekniska Högskola, 2013 [25] M. Bollen, M. Lundmark, C Boije och J. Åkerlund Kort genomgång av effektberäkningar för lågenergilampor och andra olinjära laster, Luleå tekniska universitet, 2009 [26] M. Häger och M. Bollen, Fördelning av störutrymme, Energiforsk, 2010 [27] C. Li, W. Xu och T. Tayjasanant Interharmonics: basic concepts and techiques for their detection and measurement, Electric Power Systems Research 2003 46

[28] SEK Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 2-2: Miljöförhållanden - Kompatibiitetsnivåer för lågfrekventa ledningsbundna störningar och signalnivåer på elnät SEK, 2003 [29] M. Bollen, M. Olofsson, A. Larsson, S. Rönnberg och M. Lundmark Standards for supraharmonics (2 to 150 khz), IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, 2014 [30] G. Bartak, och A. Abart EMI in the Frequency Range 2-150 khz, IEICE, 2014 [31] Sarah Rönnberg Emission and Interaction from Domestic Installations in the Low Voltage Electricity Network, up to 150 khz, Luleå Tekniska Universitet, 2013 [32] SIS, https://www.sis.se/standarder/ce-markning/ [Hämtat 2018-01-16] [33] Rafael Asensi Power Quality Application Guide, Copper Development Association, 2005 [34] CEER, 5th CEER Benchmarking Report on the Quality of Electricity Supply 2011, CEER, 2011 [35] Yvonne Ruwaida, Övertonshalten i lågspänningsnätet, Luleå tekniska universitet, 2015 [36] S. Bhattacharyya, J. Myrzik och W. Kling, Estimation of the Planning Levels for Flicker in the Dutch Networks Eindhoven University of Technology, 2009 [37] S. Bhattacharyya, S. Cobben och W. Kling, Harmonic emission limits and responsibilities at a point of connection IET Generation, Transmission & Distribution, 2011 [38] P. Paranavithana, S. Perera och R. Koch, An Improved Methodology for Determining MV to LV Voltage Unbalance Transfer Coefficient IEEE, 2008 [39] S. M. Halpin, Comparison of IEEE and IEC Harmonic Standards, IEEE, 2005 [40] R. S. Vedam och M. S. Sarma, Power Quality: VAR Compensation in Power Systems, Taylor and Francis Group, 2009 [41] Svenska Kraftnät, Tekniska riktlinjer för elkvalitet del 2: planerings- och emissionsnivåer, mätmetoder och ansvarsfördelning avseende elkvalitet i stamnätet, Svenska Krafnät, 2006 47

[42] IEC/TR, 61000-3-14, Ed. 1.0, 2011, Assessment of emission limits for harmonics, interharmonics, voltage fluctuations and unbalance for the connection of disturbing installations to LV power systems, IEC, 2011 [43] D. Perera, S. Perera, P. Ciufo och V.J Gosbell Comparison of Methodologies for Assessment of Harmonic Current Emission Limits for Large Installations Connected to LV Networks, IEEE, 2012 [44] Math Bollen, Luleå Tekniska Universitet [45] M. Bollen och S. Rönnberg, Power quality issues in the electric power system of the future, The Electric Journal, 2016 [46] P. Aiqiang, Z, Yongwei, R. Lijia, C. Tiantian, W, Sun och Y. Wang, Harmonic research of electric vehicle fast chargers, IEEE, 2016 [47] IEC/TR, 61000-3-6, Ed. 2.0, 2008, Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems, IEC, 2008 [48] L. E. Teoh, H. Ling Khoo, S. Yoke Goh och L. Mun Chong, Scenario-based electric bus operation: A case study of Putrajaya, Malaysia, International Journal of Transportation Science and Technology, 2018 [49] M. Mahmoud, R. Garnett, M. Ferguson och P. Kanaroglou, Electric buses: A review of alternative powertrains, Renewable and Sustainable Energy Reviews [50] Erik Figenbaum, Perspectives on Norway s supercharged electric vehicle policy, Environmental Innovation and Societal Transitions, 2017 [51] Elin Karlsson, Charging infrastructure for electric city buses, Kungliga Tekniska Högskolan, 2016 [52] M. Emre, P. Vermaat, D. Naberezhnykh, Y. Damousuis, T. Theodoropoulus, V. Cirimele och A. Doni, Review of existing power transfer solutions, FABRIC, 2014 [53] Malin Andersson, Energy storage solutions for electric bus fast charging stations, Uppsala Universitet, 2017 [54] David Steen, Snabbladdning av elbussar i distributionsnätet, Energiforsk, 2017 48

Bilaga A - Övertonsdata Spänningsövertoner ges i denna bilaga för transformator 1, 2, 3 och 5. Transformator 3 och 4 är så pass lika i data att transformator 4 utelämnas av utrymmesskäl. A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

A9

A10

A11

A12

A13

B - Effektkurvor Effektkurvor över tid för transformator 1 till och med 5. Observara att det är totala effekten för alla tre faser som redovisas. B1

B2

B3