Kraftsystemstabilitet

Kraftsystemet styrs av fysikens lagar, det vill säga vetenskapliga förhållanden om materia, energi och krafter, och hur de påverkar varandra. I många fall motverkar de olika fysiska krafterna varandra. För att fungera måste kraftsystemet hela tiden vara stabilt i ett läge där frekvens och spänning hålls inom snäva gränser.

Svenska kraftnät ansvarar för att fastställa nödvändiga marginaler och tekniska krav för kraftsystemstabilitet samt att anpassa styrningen av tekniska komponenter så att dessa stöttar kraftsystemet på ett effektivt och funktionellt sätt efter komponenternas förmåga.

Kraftsystemet är föränderligt

Det sker hela tiden små förändringar från ett jämviktsläge i kraftsystemet. Förbrukningsanläggningar kopplas till och från, elproduktionen ändras när exempelvis vind och sol varierar och störningar i form av fel i nätet leder till bortkoppling av ledningar eller till plötslig bortkoppling av elproduktionsanläggningar.

Variationerna i produktion och förbrukning samt störningar leder till hastiga förändringar i kraftsystemets frekvens, spänning och effektflöden som behöver hanteras för att upprätthålla kraftsystemets stabilitet. Tidsaspekten här kan variera från millisekunder till minuter. Om de inte åtgärdas finns risk för att störningar får kraftsystemet att bryta samman.

Förändringar kan initiera kedjereaktioner

Om en kritisk kraftsystemkomponent kopplas bort av ett skyddssystem kan det påverka kraftsystemet på olika sätt. Det kan till exempel leda till

• ändrade överföringsmönster
• ändrade spänningsnivåer
• att roterande maskiner ändrar rotationshastighet därmed frekvens
• att regulatorer för frekvens och spänning hos både produktion, förbrukning och nätkomponenter aktiveras
• att förbrukningen ändras
• att ytterligare skyddssystem som finns för att skydda enskilda komponenter aktiveras.

Dessa förändringar kan leda till att tillståndet för kraftsystemet blir mycket sårbart med konsekvensen att en ytterligare, normalt "trivial" störning, plötsligt kan leda till en kollaps av hela systemet. Förändringarna kan i sin tur få följdkonsekvenser i form av ytterligare förändringar i kraftsystemet, en så kallas kaskadeffekt.

En sådan kaskadeffekt riskerar att leda till omedelbar kollaps av kraftsystemet.

Systemstabilitet är en funktion av frekvensstabilitet, spänningsstabilitet och rotorvinkelstabilitet

Arbetet för kraftsystemstabilitet har till syfte att säkerställa systemets frekvensstabilitet, spänningsstabilitet och rotorvinkelstabilitet.

Frekvensstabilitet

I ett växelströmsnät så byter spänning och ström polaritet flera gånger per sekund. Frekvensen, det vill säga antalet gånger per sekund med vilken denna polaritsväxling sker, mäts i enheten Hertz (Hz). I kraftsystemet relaterar frekvensen till rotationshastigheten hos synkrongeneratorerna.

Frekvensstabilitet handlar om kraftsystemets förmåga att upprätthålla en stabil frekvens efter en störning i balansen mellan produktion och
förbrukning.

Frekvensstabiliteten påverkas huvudsakligen av tre faktorer

• kraftsystemets egenskaper
• tillgängliga stabiliserande resurser
• storleken på den obalans som uppkommer vid störningen.

Läs mer om frekvensstabilitet.

Spänningsstabilitet

Spänningsstabilitet handlar om kraftsystemets förmåga att upprätthålla stabila spänningsnivåer och återgå till ett nytt jämviktsläge efter att ha utsatts för en störning.

Kraftsystemets spänningsnivåer har en nära koppling till reaktiv effekt och styrs till stor del av just inmatning eller uttag av reaktiv effekt. Brist på reaktiva resurser och spänningsreglerande komponenter ökar risken för spänningsinstabilitet och gör att marginalerna till spänningskollaps generellt minskar.

Läs mer om spänningsstabilitet.

Rotorvinkelstabilitet

Rotorvinkelstabilitet handlar om förmågan hos synkrongeneratorer i ett system att förbli samordnade i normaldrift och efter att systemet utsatts för en störning.

Varje generator har en egen rotorvinkel. När flera generatorer är anslutna till ett nät påverkas de av varandra och samordnas (synkroniseras). Om variationen i vinkelskillnad blir för stor så kan det leda till att en eller flera generatorer tappar sin synkronisering med resten av systemet och kopplas bort.

Läs mer om rotorvinkelstabilitet.

Grundläggande samband för kraftsystemstabilitet

• Mängden rotationsenergi i systemet påverkar frekvensstabiliteten.
• Kortslutningseffekten påverkar spänningsstabiliten.
• Rotorvinkelstabiliteten påverkas i högre grad av både rotationsenergin och kortslutningseffekten.

En lägre rotationsenergi gör att en given störning i elproduktionen leder till en större påverkan på frekvensen eftersom det finns mindre rotationsenergi som motverkar frekvensändringen.

En minskande kortslutningseffekt leder på motsvarande sätt till större variationer i spänning och en sämre förmåga att dämpa de pendlingar, rotorvinkelstabiliteten, som kan uppstå mellan olika produktionsanläggningar.

Framtidens kraftsystem kräver mer styrning

Som systemansvarig myndighet är det Svenska kraftnäts ansvar att anskaffa stödtjänster och avhjälpande åtgärder för att säkerställa ett tillräckligt driftsäkert kraftsystem och att kraftsystemets förmågor används på ett effektivt sätt. 

En framtida utmaning ligger i att fastställa kraftsystemets stabilitetsmarginaler och att anpassa styrningen av komponenter så att de stöttar stabiliteten i kraftsystemet efter möjlig förmåga. Konkret syftar det till att säkerställa systemets frekvens-, spännings- och rotorvinkelstabilitet.

För att förbättra stabiliteten i framtidens kraftsystem krävs även mer generella åtgärder. Vi arbetar bland annat med att utveckla förmågan till realtidsövervakning, motåtgärder mot försämrade marginaler och automatisk reglering av stabilitetsfenomenen.