Mikrogenerering och Elnätet

Mikrogenerering och Elnätet Bedömning av påverkan vid stora mängder mikrogenerering på lågspänningsnätet Elforsk rapport 09:49 Math Bollen, Luleå tekniska universitet och STRI AB april 2009

Mikrogenerering och Elnätet Bedömning av påverkan vid stora mängder mikrogenerering på lågspänningsnätet Elforsk rapport 09:49 Math Bollen, Luleå tekniska universitet och STRI AB april 2009

Förord Denna rapport är en förstudie. En annan förstudie inom samma område som Elforsk låtit göra är: Anders Petersson, Förstudie mikrogenering, Elforsk rapport 08:73, November 2008. Författarna tackar Skellefteå Kraft, Fortum, Elsäkerhetsverket och Götene elförening för de kommentarer som de givit under arbetets gång.

Sammanfattning Uppdraget som har lett till denna rapport var att bedöma om det kan uppstå problem i nätet när stora mängder av mikrogenering ansluts till elnätet. Mikrogenering anses här vara generering som ansluts till lågspänningsnät, framförallt av enskilda kunder. Stora mängder mikrogenerering kommer att påverka lågspänningsnätet på olika sätt. Spänningskvalitet för slutkunder an bli oacceptabelt, överbelastningar och ökade förluster kan inträffa, reläskyddet kan utlösa på ett fel sätt, okontrollerat ödrift kan inträffa med risk på person- och apparatskador. Det är inte möjligt att bedöma precis var i nätet och för vilka mängden mikrogenering sådana problem kommer att inträffa. Men från resonemanget i rapporten dras slutsatsen att första konsekvenser troligen kommer att vara: Ökad risk för överspänningar; Ökade nivåer av övertoner i frekvensområdet över 1 khz; Risk på okontrollerad ödrift. Det behövs ytterligare studier för att bedöma konsekvenserna och för att utveckla verktyg att bedöma situationen i specifika fall. Det som framförallt behövs är stokastiska modeller av genereringen samt en tydlig överenskommelse mellan de olika intressenter om när spänningskvaliteten är oacceptabel. För att förbygga ödrift behövs det lämplig skydd samt rutiner för att förbygga personskador i fall ödrift inträffar. Fenomen som möjligen kan ge upphov till problem är: Obalansen; Snabba spänningsändringar, spänningsfluktuationer och flimmer För de sistnämnda fenomenen behövs det utveckling av nya metoder med hänsyn till ersättning av glödlampor med andra typer av belysning. Till slutet, vid stora mängden mikrogenerering, kan även de följande konsekvenserna inträffa. Felutlösning av reläskydd; Överbelastningar och ökade förluster. Sammanfattningsviss kan man ställa att det kommer att finnas påverkan, och att det behövs nya verktyg för att kunna bedöma hur stor påverkan är i enskilda fall.

Summary The aim of this report is to assess the consequences for the low-voltage network and its customers of large amounts of microgeneration. Microgenerering is generation connected to the low-voltage network, especially by individual customers. Large amounts of microgeneration will impact the low-voltage network in different ways. The voltage quality for end-customers can become unacceptable, overloads and increased losses can occur, the protection can operate incorrectly, uncontrolled island operation poses a risk for damage to persons and equipment. It is not possible to determine exactly where and when in the network these problems will occur. But from the reasoning in this report the conclusion is drawn that the first consequences will be: Increased risk for overvoltages; Increased waveform distorstion above 1 khz; Risk for uncontrolled island operation. Additional studies are needed towards these consequences and to develop tools to evaluate specific cases. Especially needed are stochastical models of the generation and a clear agreement among the stakeholders about what is unaccaptable voltage quality. To prevent island operation, appropriate protection is needed as well as routines to prevent damage to persons. Phenomena that possibly result in problems are Unbalance; Rapid voltage changes, voltage fluctuations and flicker. For the latter phenomena, the development of new methods is needed because of the replacement of incandescent lamps with other types of lighting. Finally, vid large amounts of microgenerering, even the following consequences may occur: Incorrect operation of the protection Overload and increased losses. As a summary: there will be consequences and there is a need for new tools to be able to evaluate these consequences in specific cases.

Innehåll 1 Inledning 1 2 Spänningsvariationer 2 3 Reläskydd 4 4 Överbelastningar och förluster 6 5 Övertoner 7 6 Obalans 9 7 Snabba spänningsändringar, spänningsfluktuationer och flimmer 11 8 Ödriftproblematiken 13 9 Slutsatser 14 10 Referenser 15

1 Inledning Uppdraget som har lett till denna rapport var att bedöma om det kan uppstå problem i nätet när stora mängder av mikrogenering ansluts till elnätet. Mikrogenering anses här vara generering som ansluts till lågspänningsnät, framförallt av enskilda kunder. Diskussion om vilka nivåer av mikrogenerering som kan förväntas i framtiden ingick inte i uppdraget och det kommer inte att belysas i rapporten. För denna diskussion refereras till [1] och övriga litteraturen. Den nyligen publicerade standarden SS-EN 50438 [2] anger allmänna krav som ställs på mikrogenerering innan den får anslutas till elnätet. I Sverige gäller utöver det kravet på tillstånd från nätägaren att ansluta. I denna rapport har det inte tagits hänsyn till standarden. Istället var frågeställning vilka allmänna problem skulle kunna förväntas om det kom mycket mikrogenering, inklusive utrustning som inte uppfyller standarden och utrustning som ansluts utan tillstånd från nätägaren. I de kommande kapitel kommer det att behandlas några fenomen då mikrogenering kan ge en märkbar påverkan. Det ges en kort beskrivning och påverkan samt, då underlag finns, en bedömning av storleken av påverkan. Varje kapitel innehåller även några tankar om vilka ytterligare kunskaper som behövs för att vara förberedd om mikrogenerering kommer att få ett genombrott. 1

2 Spänningsvariationer Anslutning av generering till distributionsnätet leder först till ett minskat spänningsfall på distributionslinjen. Vid större mängd distribuerad generering kan det uppstå en överspänning när produktionen är hög medan förbrukningen är låg. Risken för överspänningar (oacceptabelt höga spänningar) är högst när genereringen ansluts på mellanspänning. På grund av olika översättförhållanden på distributionstransformatorer kan en spänning lika med 1,05 pu på mellanspänning ge en spänning på 1,10 pu på lågspänning. På lika sätt kan en stor mängd mikrogenering i ett vist lågspänningsområde, via mellanspänningsnätet, leda till överspänning i ett annat område. Även inom ett lågspänningsområde kan mikrogenerering leda till ökad risk för överspänning. Den ökade risken för överspänning är en av de första negativa konsekvenserna för elanvändare vid större mängder av mikrogenerering. En injektering av aktiv effekt P gen mot en källimpedans R ger en relativ spänningshöjning lika med U U R P U gen 2 (2.1) Där U är den nominella spänningen. Den relativa spänningshöjningen ökar linjärt med avståndet till distributionstransformator och med mängden mikrogenerering. Utöver det: ju klenare ledningen är, ju högre resistansen och därmed mer spänningshöjning. Ekvation (2.1) har används för att beräkna hur mycket produktion som behövs för att ge en spänningshöjning lika med 1 % av märkspänningen i ett 230-Volt lågspänningsnät. Resultat av beräkningarna visas i Tabell 1. Vid en 500-meter 50-mm 2 linje ger 3 kw injicerad aktiv effekt en spänningshöjning lika med 1 % of märkspänningen (2,3 V). Värdena gäller per fas. Om produktion fördelas jämt över de tre faserna, eller i fall av trefas produktion kan det anslutas tre gånger så mycket för att få samma spänningshöjning. Tabell 1. Aktiv effekt som ger 1 % spänningshöjning i ett 230-Volt lågspänningsnät, för olika kabellängder och storleken. 50 m 200 m 500 m 2 km 25 mm 2 15 kw 3,8 kw 1,5 kw 380 W 50 mm 2 30 kw 7,6 kw 3,0 kw 760 W 120 mm 2 70 kw 18 kw 7,2 kw 1,8 kw 240 mm 2 140 kw 36 kw 14 kw 3,6 kw 2

Bara spänningshöjningen på grund av resistans i kabel eller ledning togs med i beräkningen. I verkligheten blir spänningshöjningen mer eftersom det också finns resistans i distributionstransformatorn och i mellanspänningsnätet. Men resistansen i lågspänningsnätet kommer att dominera i nästan all fall. Spänningshöjningen förväntas framförallt vid klenare ledningar och längre avstånd från distributionstransformatorn. Det är svårt att ge allmänna värden på hur mycket spänningshöjning kan tillåtas innan det blir en överspänning. Spänningen vid lågspänningskunder är inte välkänt. Men en ökning vid några procent kommer troligen att leda till överspänningar vid några kunder i alla fall. En annan okänt i bedömningen är storleken av mikrogeneringen. Men om vi antar enheter på 1 kw, då kan ett fåtal enheter vid en mindre ledning leda till överspänningar på några kilometer från distributionstransformatorn. Kablifieringen av låg- och mellanspänningsnätet kommer att minska spänningssänkningen (båda vid höglast och vid låglast) och därmed att minska marginalen mellan den högsta inträffade spänningen och överspänningsgränsen (den högsta tillåtna spänningen). Resultatet blir att mikrogenerering kommer att snabbare leda till överspänningar. Att helt koppla bort mikrogeneringen när spänningen överstiger ett gränsvärde kan vara ett sätt att se till att det inte kommer att finnas några överspänningar. Men då behövs det åtgärder för att förebygga instabiliteter som kan uppstå när produktionen kopplas på och från hela tiden. Ett tillkommande problem är att kunden möjligen köper utrustning som inte är försedd med lämpligt överspänningsskydd. Eller också kopplas skyddet bort av kunden (även om det inte är tillåten) för att minska antalet driftavbrott. Ytterligare studier behövs för att bedöma hur mycket mikrogenerering kan anslutas. Underlag till en sådan studie är framför allt befintliga spänningar vid användare. Det som behövs för att kunna genomföra en sådan studie är stokastiska modeller av mikrogenerering samt en tydlig överenskommelse mellan de olika intressenter om när en hög spänning blir en oacceptabel överspänning. 3

3 Reläskydd Hur mycket generingen i distributionsnät påverkar reläskyddet beror mycket på vilken typ av generering som är ansluten. Största påverkan förväntas när synkronmaskiner används eftersom dessa bidrar med såväl plusföljd- som minusföljdström till felet. En bedömning av påverkan görs därför först för synkronmaskiner. Ett exempel visas i Figur 1 [4]: figuren anger den högsta felströmmen när felet inte finns på ledningen som generatorn är ansluten till (kurvorna nedan som ökar med generatorstorleken) samt den lägsta felströmmen när felet finns på denna ledning (kurvorna ovan som minskar med generatorstorleken). De fyra färgerna refererar till de fyra olika feltyperna (enfas-jordfel, fas-fasfel, tvåfas-jordfel, trefasfel) Inställningen för ett överströmsrelä ska finnas i utrymmet mellan kurvorna. Om generatorstorlek överskrider 45 kva då är det inte längre möjligt att hitta en lämplig inställning, i detta exempel. I så fall behövs det ett tidsteg till i skyddet eller riktade skydd. 400 350 300 Current (A) 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Generator rating (kva) Figur 1. Bidrag av en synkrongenerator till felströmmar i ett lågspänningsnät (exempel). I simuleringarna som ledde till figuren antogs det att generatorn är ansluten halvvägs till en 2-km luftledning som matas från en 200-kVA distributionstransformator. Acceptansgränsen varierar, bland annat, med ledningslängden och var på ledningen generatorn är ansluten. Asynkronmaskiner bidrar kontinuerlig till felströmmen bara med minusföljdström. Bidraget till plusföljdströmmen försvinner inom några perioder. Troligen kan det därför tillåtas en större generator (än i Figur 1) innan det behövs en ändring i skyddet. Vid ett kraftelektroniskt interface är 4

bidraget till kortslutningsströmmen sannolikt inte mycket större än märkströmmen. I lågspänningsnätet används det säkringar eller miniature circuit breakers med en förinställd tidströmkarakteristik. Det behövs i så fall en mer detaljerad studie för att bedöma när felutlösning kommer att ske, men principen är lika som i Figur 1. Resonemanget i förra avsnittet förutsätter att generatorerna inte kopplas bort från nätet under ett fel. I det befintliga läget kommer en stor del av mikrogenerering kopplas bort från nätet när ett fel inträffar i närheten. Innan generatorerna kopplas bort bidrar de på något sätt till kortslutningsströmmen. Påverkan på skyddet kommer därför inte att vara helt försumbar. Det är fortfarande oklart hur anslutningen till mikrogenerering kommer att se ut. Men enligt översikten som visas i [1] kommer en stor del att anslutas genom en kraftelektronisk omformare. I så fall kommer påverkan på skyddet att vara begränsad. Men för att vara säker, föreslås det en studie av påverkan av olika typer av mikrogenerering på skyddet, på samma sätt som studien för synkronmaskiner i Figur 1. 5

4 Överbelastningar och förluster Mikrogenerering kommer att anslutas i närheten av lasterna. Det betyder att risken till överbelastning samt förlusterna kommer att minska i första steget. Vid större mängd mikrogenerering, då produktionen överskrider förbrukning, kan risken för överbelastning och förlusterna öka. Det visas i [3][4] att risken för överbelastning ökar när max produktion överskrider summan av max last och min last. Strömmen kommer i så fall, nar lasten är lägst, att vara lika med den högsta lastströmmen i nätet utan mikrogenerering. Om vi antar att nätet klarar mast last utan mikrogenerering då klarar nätet också mikrogenering lika med summan av max och min last. Det betyder inte att det kommer att bli en överbelastning när mängden mikrogenering överskrider denna acceptansgräns, men bara att den högsta strömmen genom distributionsledningar kommer att bli högre än i läget utan generering. En överbelastning kommer att inträffa när max produktion överskrider summan av min förbrukning och belastningsförmågan av ledningen. Det är viktigt att påpeka att det är det högsta värden av produktionen som ställer gränsen, inte medelvärden (dvs inte energiproduktionen). Produktionskällor som har tendensen att vara tillgänglig under en mindre del av tiden, alla samtidigt eller nästan samtidigt, ska skärskilt betraktas. Här kan man tänka på solceller (solen skiner ju för alla) då högsta värdet kommer när förbrukningen i ett villaområde är låg (vid lunchtid). Det också visas i [3][4] att förlusterna kommer att öka när genomsnittlig produktion blir större än två gånger genomsnittlig förbrukning. I härledning av denna acceptansgräns antogs det att förbrukningen och genereringen är helt oberoende av varandra. Om till exempel genereringen framförallt sker vid låg last, då kan det leda till en snabbare ökning av förlusterna. En ökning av förlusterna är inte direkt ett problem eftersom det mer än kompenseras genom en ökad användning av förnybare energikällor. Detta resonemang betraktar bara de absoluta förlusterna från ett samhällsperspektiv. Från nätägarens synpunkt är det förluster per levererad kwh som är viktigare eftersom intäkterna beror på antalet levererade kwh. Förluster per levererat kwh kan komma att öka redan för en mindre mängd mikrogenerering. Tariffsättningen är viktigt här. En noggrann bedömning av risken för överbelastning, samt för ökningen av förlusterna, behöver statistiska modeller av mikrogenerering samt av förbrukningen. Modeller av förbrukning kan nås från timavläsningen av belastningen. Modeller för väderrelaterade källor som sol, vind och kraftvärme finns till viss del i litteraturen, till ex [5], och resten ska utvecklas. 6

5 Övertoner Det finns inga standarder som sätter gränser för hur mycket övertoner mikrogenerering får skicka ut i nätet. (Det pågår ett arbete inom IEC men resultat är inte känt av författaren just nu.) Därför kan höga nivåer av emission, och därmed spänningsövertoner, inte uteslutas. Men den lilla informationen som finns i litteraturen visar på att emissionen kommer att bli begränsad, även om produktutvecklingen fortfarande pågår i full fart. Det som är tydligt i alla fall är att mikrogenerering med kraftelektroniskt interface kommer att generera övertoner vid höga frekvenser, från en eller två khz upp till kanske några tiotals khz. Konsekvenserna av dessa frekvenser är inte kända. Å ena sidan finns det osäkerheten som kan bli ett hinder mot införandet av mikrogenerering; å andra sidan finns det inga dokumenterade fall då förekomsten av låga nivåer av högfrekvent distorsion (över 1 eller 2 khz) har lett till problem. En översikt av emission på grund av kopplingsfrekvensen ges i Tabell 2. Tabellen kopierades från [3], där även referenserna anges. Värdena i den första kolumnen anger distorsionen i strömmen runt kopplingsfrekvensen, över ett 200-Hz fönster. Eftersom emission ger i detta fall ett kontinuerligt spektrum behövs det anges bandbredden av mätfiltret (200 Hz i detta fall). Slutsatsen från tabellen är att emissionsnivåer på flera procent kan förväntas runt kopplingsfrekvensen. Tabell 2, Mätning av emission från kraftelektroniska omformare vid små- och mikrogenerering. Det finns också inga standarder som anger vad som är acceptabla nivåer på spänningsdistorsionen i frekvensområdet över 2 khz. För studien som 7

presenteras i [6] antogs att samma gränser skulle gälla i området 2 till 9 khz som strax under 2 khz. Slutsatsen från studien var att acceptansgränsen kan vara så låg som bara ett fåtal mikrogeneratorer. Emissionsnivåer från Tabell 2 användas som bas för beräkningarna. Målet med studien var att påtala problematiken, och många antaganden behövdes, målet var inte att sätta en hård gräns på mikrogenerering. Men en viktig slutsats från studien var att det behövs en större satsning på frekvensområdet över 2 khz, både från forskningssidan och från tillsyns- och standardiseringssida. Vid anslutning av mikrogenerering kommer det troligen att finnas en kondensator på nätsidan. Kondensatorn är del av EMI-filtret som skyddar nätet mot störningar som kommer från den kraftelektroniska omformaren, men som även skyddar omformaren från störningar som finns på nätet. Kondensatorerna kommer att ändra resonansfrekvenser i lågspänningsnätet. En resonansfrekvens omkring 1 khz har uppstått i ett villaområde i Nederländerna med många solpaneler [7]. Höga nivåer på 21a och 23e ton ledde till fel i omformare. Å andra sidan har mätningar på Luleå tekniska universitet visat att kondensatorer ger en lågimpedans väg för högfrekvent emission och minskar spänningsdistorsion och spridning av störningar [8]. När det finns flera mikrogeneratorer i närheten till varandra då kan det möjligen ge upphov till resonanser [9]. Det som behövs är en inventering av emissionsnivåer som kan förväntas från mikrogenerering. Bara efter det kan deras påverkan på övertonsnivåerna i nätet utvärderas. Samtidigt behövs det en studie om vilka nivåer av övertonsspänning laster klarar i dessa högre frekvensområden. Potentiella konsekvenser för nätägaren är interferens med mätvärdeinsamling och felutlösning av jordfelsbrytare på grund av vagabonderande strömmar. 8

6 Obalans Anslutning av stora enfasiga generatorer kan ge upphov till oacceptabla minusföljdspänningar i nätet. Minusföljdspänningen beror på effekten som produceras samt på minusföljdsimpedansen vid anslutningspunkten. Denna impedans beror i sin tur framförallt på avståndet till distributionstransformatorn. För långa ledningar kommer även lastens minusföljdsimpedans att bidra. En sammanställning av beräkningsresultat har gjorts i Tabell 3 för olika storleken av distributionstransformer och för kabel och ledning. Värdena anger produktionen som ger 1 % minusföljdsspänning när fasspänningen vid anslutningspunkten är lika med märkspänningen på 230 Volt. För anslutningspunkter längre bort från distributionstransformatorn räcker det med en mikrogenerator på några kw för att ge några procent obalans i spänningen. En obalans på 2 % är tillåten enligt EN 50160; under kort tid och vid avlägsna kunder får detta gränsvärde överskridas. Tabell 3, Storleken på en enfasig generator som ger 1 % obalans. 400 kva jordkabel 200 kva jordkabel 200 kva luftledning 100 kva luftledning 500 m 16 kw 13 kw 6,9 kw 5,2 kw 1000 m 9,3 kw 8,4 kw 4,2 kw 3,4 kw 2000 m 4,7 kw 2,3 kw 2,0 kw 3000 m 1,6 kw 1,4 kw Det här gäller bara för enfasiga generatorer. Den största enfasiga generator som förväntas kunna ansluta är 16 A som överenskommer med 3,3 kw om vi antar att strömmen ska vara under 16 A ändå när spänningen är så låg som 90 % av märkspänningen. När det ansluts flera mikrogeneratorer, då sprids de troligen slumpmässigt över de tre faserna. Men anslutningen sker utan kontroll av nätägaren, så att situationer kan uppstå då fördelningen över faserna blir helt sned. Även det kan ge upphov till obalans. Men så länge produktionen ligger under värdena i Tabell 3, kommer obalansen på grund av mikrogenereringen inte att överstiga 1 %. Vid 4 enheter är sannolikheten att de alla ansluts till samma fas, omkring 4 %, vid 5 enheter blir sannolikheten 1,2 %, vid 6 enheter 0,4 % och vid 7 enheter 0,15 %. Det går att räkna ut sannolikhetsfördelningen för minusföljdkomponent vid en slumpmässig fördelning av små enheter över faserna. 9

Obalansen på grund av mikrogenerering kommer att adderas på den befintliga obalansen. Det är en vektoriell addering, som betyder att den totala obalansen kan vara större eller mindre i amplitud än bakgrunden. Om bakgrunden och bidraget från mikrogeneringen är helt oberoende av varandra så kommer den förväntade obalansen att vara roten av summan av kvadraten av de två komponenterna. Om bakgrunden är 1,3 % och bidraget från mikrogenerering är 0.9 % då blir det förväntade värdet på obalansen 1.6 %. Sammanfattningsvis kan det sägas att obalansen kommer att öka vid introduktion av enfasiga mikrogeneratorer. Med undantag för anslutningspunkter några kilometer bort från distributionstransformatorn så förväntas inga stora obalanser. Problem uppstår främst när det ansluts flera enfasiga enheter med storlek på några kw per enhet. Man kan tänka där framförallt på kraftvärme eller större solpaneler. Vid många mindre enheter kommer enheterna att spridas över de tre faserna så att obalansen blir mindre. En statistisk bedömning är aldrig fel, men den kan göras tillsammans med en bedömning för överspänningar, överbelastningar och förluster enligt diskussionerna i föregående kapitel. 10

7 Snabba spänningsändringar, spänningsfluktuationer och flimmer Uppstart av mikrogenerering kan ge mindre spänningssänkningar. Om det blir många sådana då kan ljusintensitetsändringarna på grund av dessa kännas som störande. Samma gäller när en mikrogenerator kopplas ur vid hög produktion. Det finns inga tydliga gränser om vad som är tillåtet men det kan ges några allmänna riktlinjer. Om upprepade spänningsändringar ger ett flimmervärde som överstiger 1,0 över en längre period (en timme eller längre) då upplevs det som störande av många personer, om glödlampor används som belysning. Andra typer av belysning är troligen mindre känsliga men en detaljerad utvärdering saknas. Spänningsändringar på 2 % eller högre ger märkbara variationer i ljusintensitet vid en glödlampa [10]. Ingen information finns för andra typer av belysning. Olika standarder begränsar antalet spänningsändringar som överstiger 3 % till högst några gånger om dagen. Spänningsändringar som överstiger 5 % ska bara inträffa sällan, högst några gånger om året. En vindkraftgenerator kan ta en hög ström när den kopplas till nätet. Vindturbiner producerar el när vindhastigheten överstiger en viss gräns, typisk vid 3 eller 4 m/s. Ligger vindhastigheten under denna gräns, då är turbinerna inte ansluten till nätet. Upprepade kopplingar, på och av, kan inträffa när vindhastigheten är runt 3 till 4 m/s under en längre tid. Bortkoppling av vind- eller solkraft vid hög produktion inträffar sällan. Det kan hända vid ett fel i anläggning eller när vindhastigheten blir för hög (över 20 till 25 m/s). Mikrogenering baserat på kraftvärme kan möjligen kopplas av och på regelbundet under hög produktion. Det beror på typ av reglering som används för att leverera värmebehovet. Om det finns flera sådana anläggningar i ett begränsat område så kan det leda till oacceptabla spänningsvariationer. Stegmässiga förändringar i produktionen (aktiv effekt) ger spänningsförändringar över den resistiva delen av källimpedansen. Resistansen beror både på avståndet till distributionstransformatorn samt på arean på tråden. Värdena i Tabell 1 kan användas även här. Då en allmän regel kan vara att inga snabba spänningsvariationer ska inträffa större än 5 %, medan spänningssprång mellan 3 och 5 % ska bara inträffa några gångar om året. För att förebygga klagomål kan det vara bra att begränsa snabba spänningsvariationer mellan 2 och 3 % till högst några gångar om dagen. I Tabell 4 anges hur mycket ändring i produktion som behövs för att orsaka 3 11

% ändring i spänningens amplitud. Värdena gäller för enfasiga generatorer. För trefasiga generatorer ska storleken multipliceras med tre. Om storleken på en produktionsenhet kommer att överstiga värdena i tabellen, och om det kommer att bli många kopplingar vid hög last, då kan det förväntas klagomål på grund av upprepade förändringar i ljusintensiteten. Tabell 4, Storleken på ett steg i produktion som ge en snabb spänningsändring på 3 % av märkspänningen. 50 m 200 m 500 m 2000 m 25 mm 2 45 kw 11,4 kw 4,5 kw 1,1 kw 50 mm 2 90 kw 23 kw 9,0 kw 2,3 kw 120 mm 2 210 kw 54 kw 22 kw 5,4 kw 240 mm 2 420 kw 110 kw 44 kw 10,8 kw Utöver dessa snabba spänningsvariationer kommer det även att finnas långsammare variationer på grund av variationer i produktion. Det gäller då framförallt solkraft och vindkraft då effektvariationer inträffar på tidskalor från några sekunder. Det finns inga gränser på sådana och det är okänt hur det påverkar till exempel roterande maskiner. Vindturbiner kan generera fluktuationer på tidskalar snabbare än en sekund; dessa kan ge upphov till flimmer. Detaljerade utredningar gjordes om stora vindturbiner (se bland annat [11]), men även vid svaga nät är ett flimmervärde över 0,25 inte sannolikt [3][4]). Hur det kommer att se ut vid mindre vindturbiner är oklart. Gränserna som ställs på snabba variationer i spänningens amplitud är fortfarande till största delen baserat på synliga ändringar i ljusintensiteten vid glödlampor. Eftersom glödlampor långsamt eller snabbt kommer att ersättas med andra typer av belysning behövs det en omvärdering av gränserna som ställs på spänningsvariationer. Utöver det behövs det en bedömning av hur spänningsvariationer kan påverka andra laster, som till exempel motorlast. 12

8 Ödriftproblematiken Om det finns större mängder mikrogenerering då kan situationer uppstå där en del av distributionsnät går i okontrollerad ödrift. I så fall ska generatorerna klara både aktiv och reaktiv effektbehov. Om det inte finns någon effektgenerering vid generatorerna då är det osannolikt att stabil ödrift uppstår. Men konsekvenserna av okontrollerad ödrift kan vara stora, bland annat kan det uppstå stabil ödrift vid en helt annan spänning och frekvens än under normal drift. Det kan skada utrustning och även leda till personskador. Underhåll eller reparation på ett lågspänningsnät kan utsätta personalen för risk om delar av nätet kan vara spänningssätta på grund av mikrogenerering i ödrift (såkallad bakmatning ). Spontan och okontrollerad ödrift, med alla dessa konsekvenser, är något som nätägare vill förebygga som mycket som möjligt. Därför ska mikrogenerering vara försedd med ett känslig skydd för att detektera ödrift. Eftersom ödrift inte kan detekteras direkt används det en kombination av olika kriterier, bland annat överspänning, underspänning, överfrekvens, underfrekvens och ROCOF ( rate-of-change-of-frequency, derivatan av frekvens mot tid). Så fort en av dessa avviker från sina normala värden kopplas generatorn bort. På så sätt skyddas på ett säkert sätt mot ödrift. Konsekvensen av detta känsliga ödriftskydd är att mikrogenereringen kommer att kopplas bort vid många störningar i nätet (dippar, frekvenssvängningar) då det inte behövs. Om nätet plötsligt tappar all produktion då kan det ge en stor spänningssänkning. Om mikrogeneringen finns över ett stort område då kommer även spänningen i mellanspänningsnätet att sänkas. Lindningskopplare kommer att reglera upp spänningen. När mikrogeneringen kommer tillbaka så kan det ge farliga överspänningar. Om återkopplingen ska ske manuellt då kommer den att spridas över tiden så att lindningskopplaren hinner reagera innan det uppstår en farlig överspänning. Men om återkopplingen sker automatisk så kan situationen uppstå då alla kommer tillbaka nästan samtidigt. Bortkoppling av lasten under en störning får även konsekvenser på stam- och regionnätsnivå. Dessa ligger utanför denna rapport och behandlas bland annat som del av studier om integrering av stora mängder vindkraft. En studie av ödriftdetektering är viktig men det kommer troligen att bli svårt för nätägaren att påverka tillverkare. Elsäkerhetsverket kan däremot ställa krav på utrustning som säls i Sverige och förbjuda utrustning som inte uppfyller säkerhet eller EMC krav. Eftersom det troligen inte går att helt frambygga ödrift, finns det anledning att ändra rutinerna för arbetet i låg- och mellanspänningsnät för att förebygga personskador på grund av bakmatning. Det skulle även behövas en utredning av erfarenheter från andra länder med ödrift. Information om konkreta fall av spontan ödrift skulle vara mycket viktigt. 13

9 Slutsatser Stora mängder mikrogenerering kommer att påverka lågspänningsnätet på olika sätt. Spänningskvalitet för slutkunder an bli oacceptabelt, överbelastningar och ökade förluster kan inträffa, reläskyddet kan utlösa på ett fel sätt, okontrollerat ödrift kan inträffa med risk på person- och apparatskador. Det är inte möjligt att bedöma precis var i nätet och för vilka mängden mikrogenering sådana problem kommer att inträffa. Men från resonemanget i rapporten dras slutsatsen att första konsekvenser troligen kommer att vara: Ökad risk för överspänningar; Ökade nivåer av övertoner i frekvensområdet över 1 khz; Risk på okontrollerad ödrift. Det behövs ytterligare studier för att bedöma konsekvenserna och för att utveckla verktyg att bedöma situationen i specifika fall. Det som framförallt behövs är stokastiska modeller av genereringen samt en tydlig överenskommelse mellan de olika intressenter om när spänningskvaliteten är oacceptabel. För att förbygga ödrift behövs det lämplig skydd samt rutiner för att förbygga personskador i fall ödrift inträffar. Fenomen som möjligen kan ge upphov till problem är: Obalansen; Snabba spänningsändringar, spänningsfluktuationer och flimmer För de sistnämnda fenomenen behövs det utveckling av nya metoder med hänsyn till ersättning av glödlampor med andra typer av belysning. Till slutet, vid stora mängden mikrogenerering, kan även de följande konsekvenserna inträffa. Felutlösning av reläskydd; Överbelastningar och ökade förluster. Sammanfattningsviss kan man ställa att det kommer att finnas påverkan, och att det behövs nya verktyg för att kunna bedöma hur stor påverkan är i enskilda fall. 14

10 Referenser [1] Anders Petersson, Förstudie mikrogenering, Elforsk rapport 08:73, November 2008. [2] Fordringar för anslutning av smågeneratorer i parallelldrift med det allmänna elnätet, SS-EN 50438, juni 2008. [3] Yongtao Yang and Math Bollen, Power quality and reliability in distribution networks with increased levels of distributed generation, VindForsk report V-150, March 2008. [4] Math Bollen, Vindkraftintegrering i elkraftsystemet, kurs vid Luleå tekniska universitet, 24-25 februari 2009. [5] S.G.J. Ehnberg, M.H.J. Bollen, Reliability of a small power system using solar power and hydro, Electric Power Systems Research, Vol.74, No.1, April 2005, pp.119-127. [6] M.H.J. Bollen, P.F. Ribeiro, E.O.A. Larsson, C.M. Lundmark, Limits for voltage distortion in the frequency range 2-9 khz, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.23, No.3 (July 2008), pp.1481-1487. [7] J. H. R. Enslin, and P. J. M. Heskes, Harmonic interaction between a large number of distributed power inverters and the distribution network, in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, No. 6, Nov. 2004, pp. 1586-1593. [8] S. Rönnberg, M. Wahlberg. M. Bollen, A. Larsson, M. Lundmark, Measurements of interaction between equipment in the frequency range 9 to 95 khz, Int. Conf. on Electricity Distribution, Prague, June 2009. [9] C.M. Lundmark, S. K. Rönnberg, M. Wahlberg, E.O.A. Larsson, M. H. J. Bollen, EMC Filter Common Mode Resonance, IEEE Bucharest Power Tech, July 2009. [10] H. Seljeseth. Voltage variations averaging interval: 10 minutes or 1 minute? Technical Workshop on Voltage Qualtity Standards, Milan, Italy, 29 September 2006. [11] T. Thiringer, T. Petru, S. Lundberg, Flicker contribution from wind turbine installations, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.19, No.1, (March 2004), pp. 157-163. 15