Kraftsystemstabilitet

Kraftsystemet styrs av fysik, 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 marginaler och tekniska krav för kraftsystemstabilitet samt att anpassa styrningen så att komponenter stöttar kraftsystemet på ett effektivt och funktionellt sätt efter förmåga.

Kraftsystemet är föränderligt

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

Störningarna leder till hastiga förändringar i frekvens, spänning och ström som behöver åtgärdas. Tidsaspekten här kan variera från millisekunder till minuter. Om de inte åtgärdas finns risk för störningarna får kraftsystemet att bryta samman.

Förändringar kan initiera kedjereaktioner

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

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

En sådan kedjereaktion försvagar systemet och leder till osäker drift av kraftsystemet. Då blir tillståndet för kraftsystemet mycket sårbart med konsekvensen att en ytterligare, normalt ”trivial” störning plötsligt kan leda till en kollaps av hela systemet.

Systemstabilitet är en funktion av frekvensstabilitet, spänningsstabilitet och rotorvinkelstabilitet

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

Frekvensstabilitet

Frekvens är en vågvibration som transporterar energi. Den mäts efter antalet svängningar per sekund och mäts i enheten Hertz (Hz). I ett kraftsystem 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.

Villkoret för spänningsstabilitet är att systemets behov av reaktiv effekt i varje enskild del av nätet kan tillgodoses. I annat fall är systemet spänningsinstabilt och marginalerna till spänningskollaps minskar.

Läs mer om spänningsstabilitet.

Rotorvinkelstabilitet

Rotorvinkelstabilitet handlar om förmågan hos synkrongeneratorer i ett system att förbli samordnade i 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 försämringen och automatisk reglering av stabilitetsfenomenen.