Ökad elektrifiering är en nyckelfaktor om vi ska fasa ut vårt beroende av fossil energi. Det kräver förstås mer elproduktion. Men även elnäten står inför stora utmaningar när växande volymer av vindkraft förväntas fylla näten – samtidigt som elkonsumenterna alltmer förvandlas till elproducenter.
För att i framtiden kunna hantera stora mängder förnybar elproduktion i kraftnätet krävs inte bara att nätets kapacitet byggs ut. Tekniskt nytänkande är lika nödvändigt. Det gäller både inom det högspända transmissionsnätet och på de låga spänningsnivåer som befinner sig närmast de vanliga elkunderna.
Två olika forskargrupper vid institutionen för elektroteknik på Chalmers tar sig an dessa problemställningar, som alltså uppkommer på diametralt motsatta platser i elsystemet.
Elkraftteknik hittar metoder
För Massimo Bongiorno, professor i elkraftteknik, och hans medarbetare är målet att hitta metoder för att upprätthålla den övergripande stabiliteten i kraftsystemet.
Varför är den hotad? Jo, man skulle kunna säga att det som hittills utgjort systemets kärna – de klassiska synkrona generatorerna – håller på att skrumpna ihop.
– Det är inte så att kärnan helt försvinner – exempelvis vattenkraftens generatorer kommer att finnas kvar. Men andelen el som produceras från kol, naturgas och kärnkraft minskar. I stället ser vi framför oss en kraftig ökning av vindkraft och, i globalt perspektiv, solkraft, förklarar han.
Den här utvecklingen innebär att de nyttiga och stabiliserande effekter som de synkrona maskinerna har på elnätet successivt urholkas. Det handlar bland annat om att tillhandahålla så kallad svängmassa. Parallellt ökar användningen av olika slags kraftelektroniska omvandlare för att mata in och ta ut effekt ur högspänningsnätet.
– Vår uppgift är därför att förse vindkraften med samma goda egenskaper som de synkrona maskinerna traditionellt har stått för. Vilket är fullt möjligt, förutsatt att den kontrolleras väl och att rätt verktyg finns på plats, säger Massimo Bongiorno.
Systemet måste snabbt kunna stötta
Exempel på vad ett sådant system måste klara av är att snabbt kunna stötta frekvenshållningen om ett större fel skulle inträffa i nätet. Eller att tillföra aktiv eller reaktiv effekt, när så krävs.
För några år sedan, när projektet startade, talade man i forskarvärlden om att skapa ”virtuella synkronmaskiner”. Tanken var då att med hjälp av kraftelektronik och avancerade kontrollsystem få stora vindkraftsparker att fullt ut uppföra sig på samma sätt som en stor synkrongenerator. Numera har konceptet förfinats och det ursprungliga begreppet övergivits.
– Nu är det i stället grid forming windfarms som alla talar om. Det innebär att man kombinerar en vindkraftspark med ett energilager, som kan bestå av batterier eller superkondensatorer. Till detta har man en omvandlare som uppför sig som en kontrollerbar spänningskälla, förklarar Massimo Bongiorno.
– Det innebär att man exempelvis skulle kunna använda en vindkraftspark för att starta upp en del av nätet som ligger nere. Det är det som ligger i begreppet grid forming, förmågan att bygga upp ett elnät från grunden. Och det klarar inte dagens vindkraftsparker.
Forskarlaget på Chalmers har ett nära samarbete med Hitachi Energy (tidigare ABB:s elnätsdivision), som är partner i projektet. Statliga Svenska Kraftnät, som ansvarar för stamnätet och för hela elsystemets stabilitet, är en annan viktig samarbetspartner.
– Det tar tid innan resultatet av sådan här forskning kommer ut i praktisk tillämpning. En orsak är att när det väl gör det, så får det inte bli fel. Och det måste hålla i många år, konstaterar Massimo Bongiorno.
I en annan del av elnätet sker också förändringar som kräver nya lösningar. Det handlar om de lokala näten, typiskt sett på spänningsnivån under 10 kilovolt. Det är här som den stora massan av anslutningar till elnätet finns – småindustrier, handel, bostadsområden och enskilda hushåll.
Traditionellt har dessa elnätsanslutningar enbart konsumerat el, men förhållandena förändras nu i rask takt. Fler och fler elkunder blir också elproducenter, inte minst av solenergi. Det innebär att effektflödena periodvis byter riktning: Från lägre spänningsnivåer till högre och vise versa.
– Ett av problemen är att de lokala elnätsföretagen idag använder system för övervakning och styrning med begränsningar i realtid över låga spänningsnivåer där användarna är uppkopplade, förklarar docent Anh Tuan Le på institutionen för elektroteknik.
Anh Tuan Le har varit koordinator för ett nyligen avslutat sameuropeiskt forskningsprojekt, UNITED GRID, med uppgift förbättra elnätsföretagens övervakning och kontroll över distributionsnäten.
En verktygslåda kommer att komplettera befintliga system
Det har resulterat i en ”verktygslåda” som ska kunna komplettera existerande kontrollsystem, oavsett leverantör. Ett av verktygen, som utvecklats på Chalmers, ska hjälpa företagen att hantera lokal trängsel i elnätet.
– Det är inte enbart den växande produktionen från solpanelerna som ökar behovet av kontroll och styrning, förbrukningen har också blivit mer dynamisk. Värmepumpar blir allt vanligare och vi får nya typer av laster, som laddning av elfordon, framhåller Anh Tuan Le.
Han tillägger att även lokala batterilager förväntas bli vanligare de kommande åren, något som skapar möjligheter, samtidigt som det gör det perifera elnätet än mer komplext.
Ett exempel på problem som kan uppstå lokalt i distributionsnäten är förhöjda spänningsnivåer när produktionen från solceller på villataken är hög medan efterfrågan är låg, något som också kan leda till att ansluten utrustning överbelastas. Ett besläktat problem är en starkt fluktuerande spänning under dagen när solen går in och ut ur moln.
– Vår målsättning är att tillföra mer intelligens och kontrollerbarhet till de existerande kontrollsystemen. Till viss del handlar det om automatiska funktioner, delvis går det ut på att ge elnätsföretagen större möjligheter att aktivt styra sina nät, säger Anh Tuan Le.
Den verktygslåda som UNITED GRID arbetat fram kräver en del nya sensorer ute i elnätet, men några stora investeringar handlar det inte om, enligt honom.
– Vi känner väl till vilka förväntningar samhället har på elnätsföretagens verksamhet. Deras utrustning ska vara enkel och robust. Och billig förstås.
Det återstår ännu en del tester och validering innan den föreslagna verktygslådan är redo att lanseras på marknaden, men intresset från målgruppen är påtagligt, enligt Anh Tuan Le.
– Vissa företag ser kanske inte att de har några problem idag, men många inser att behovet kommer inom en förutsebar framtid.
Han tillägger att ett lokalt solprognossystem som utarbetats inom projektet UNITED GRID har testats av ett franskt elnätsföretag, SOREA, som deltar i projektet. Och när det gäller ”trängsel-verktyget” från forskarna på Chalmers, så ingår det redan som en funktion i de kontrollsystem, Codex Smart Edge, som marknadsförs av franska IT partnern Atos Worldwide.
– Jämfört med mycket annan forskning och utveckling som vi gör på Chalmers, så kan man säga att UNITED GRID har producerat ett antal nyckelresultat med hög potential för kommersialisering, säger Anh Tuan Le.
Text: Björn Forsman och Sandra Tavakoli
Vetenskapliga artiklar
Transmission Line Protection Using Dynamic State Estimation and Advanced Sensors: Experimental Validation
Dynamic state estimation based transmission line protection scheme: Performance evaluation with different fault types and conditions
För mer information, kontakta:
Massimo Bongiorno, professor på institutionen för elektroteknik, Chalmers
massimo.bongiorno@chalmers.se
+46317721631
Anh Tuan Le, docent på institutionen för elektroteknik, Chalmers
tuan.le@chalmers.se
+46317723832