Elkraftsystem

En kraftledning som går till en transformatorstation.

Ett elkraftsystem omfattar anläggningar såsom kraftledningar, generatorer, förbrukningsanläggningar, transformatorer och ställverk, som tillsammans bildar ett system, ett elkraftsystem. Dess syfte är att omvandla en energikälla (till exempel vind) till elektricitet och därefter överföra denna till förbrukningen (till exempel en LED-lampa). Elkraftsystemet kan indelas i delsystem, såsom generering, transmissionsystem, regionnät och distributionssystem.

Spänningsnivåer

Högspänning och lågspänning

Allmänt sätt indelas ett elkraftsystem i hög- och lågspänning. Högspänning är en elektrisk spänning större än 1000 Volt (V) växelspänning eller 1500 V likspänning. Lågspänning är en elektrisk spänning om högst 1000 V växelspänning eller högst 1500 V likspänning. Båda benämningarna på hög- respektive lågspänning finns definierade i svenska elsäkerhetsbestämmelser. I elbranschen förekommer ibland begreppet mellanspänning som används för att beteckna växelspänningar mellan 1 kilovolt (kV) och runt 70 kV. När man inom elkrafttekniskt sammanhang anger en spänningsnivå, så är det alltid dess effektivvärde av huvudspänningen, om inget annat anges.

Transmission och distribution

Ett elnät är i sin enklaste form uppbyggd av transmission (överföring) och distribution. Till transmissionsnätet finns anslutna kraftstationer som genererar elektricitet. Elektriciteten omvandlas sedan från en hög till en lägre spänningsnivå via transformatorer. Denna omvandling blir en övergång från transmissionsnätet till distributionsnätet. Till distributionsnätet finns anslutna förbrukare såsom konsumenter och företag som använder elektriciteten.

Transmissionsnät

I Sverige är elnätet indelat i transmissionsnät (eller stamnät), regionnät och lokalnät. Transmissionsnätet är ett landsomfattande nät av kraftledningar som har de högsta nominella spänningarna och som knyter ihop stora produktionsanläggningar/kraftstationer, regionnät och nät i grannländerna. Det svenska transmissionsnätet, som ägs av staten och förvaltas och drivs av Affärsverket svenska kraftnät, består av ledningar med en spänning om 220 eller 400 kV och även ledningar för högspänd likström. Ett transmissionsnät definieras i den svenska ellagen som ett tekniskt och driftsmässigt sammanhängande ledningsnät som har en spänning om 220 kV eller mer, sträcker sig över flera nätregioner i Sverige och länkar samman det nationella elnätet med elnät i andra länder. Ett transmissionsnätsföretag som Svenska kraftnät ska vara oberoende av företag som producerar eller handlar med el eller naturgas.

Regionnät

Ett regionnäts funktion är att överföra el mellan stam- och lokalnäten. I många länder finns inget regionnät, utan överföringen sker direkt från ett transmissions- till ett distributionsnät. Regionnäten har vanligen spänningsnivåer på mellan 40 och 130 kV. I ellagen definieras ett regionnät som en ledning eller ett ledningsnät som inte ingår i ett transmissionsnät och som omfattas av en nätkoncession för linje eller av en nätkoncession för område med en lägsta tillåtna spänning.

Lokalnät

Ett lokalnät förbinder regionnäten med förbrukarna som tex kan vara konsumenter och företag. Lokalnäten har normalt en spänning från 400/230 V (som i bostäder i Sverige) upp till 20 kV.

I den svenska ellagen definieras ett lokalnät som ett ledningsnät som omfattas av en nätkoncession för område utan en lägsta tillåtna spänning. Ett elnätsföretag får som utgångspunkt inte bedriva någon annan verksamhet än elnätsverksamhet. När det gäller företag som innehar ett lokalnät eller ett regionnät (distributionsnätsföretag) finns krav på så kallad funktionell åtskillnad, som avser fall då ett nätföretag ingår i samma koncern som företag som bedriver produktion eller handel. Ett distributionsnätsföretag som ingår i en koncern vars samlade elnät har minst 100 000 elanvändare ska till sin organisation och sitt beslutsfattande vara åtskilt från företag som producerar eller handlar med el. Det innebär att många energibolag har ett nätbolag och ett elbolag för elektricitetsleveransen, alltså juridiskt skilda.

Nätnivå för elförbrukare och producenter

Elförbrukare och producenter kan finnas på alla nätnivåer. Det finns exempelvis stora industrier och fabriker som får sin elektricitet direkt levererade från ett regionnät. Även mer småskalig elproduktion från exempelvis ett vindkraftverk kan vara direkt ansluten till ett regionnät. Solceller på bostäder och byggnader levererar ut sin överskottsel på det elnät de är ansluta vilket normalt är lokalnätet.

Elkvalitet

Elkvalitet beskriver hur väl spänning, frekvens och vågform i elnätet överensstämmer med nominella värden. God elkvalitet innebär stabil spänning, korrekt frekvens och ren sinusform utan störningar. Avvikelser kan påverka känslig utrustning, orsaka störningar eller leda till driftproblem.

Nätfrekvens

Större delen av elkraftnätet utgörs av Växelström. En del av framförallt transmissionsnätet utgörs av Högspänd likström (HVDC) och saknar till sin natur nätfrekvens.

I större delen av världen är 50 Hertz (Hz) normalfrekvens, där Nordamerika är det stora undantaget med 60 Hz. De nätområden som sitter ihop galvaniskt, ledning mot ledning, har exakt samma frekvens och bildar ett nätfrekvensområde. Det nordiska elnätet (Sverige, halva Danmark, Finland och Norge) är ett nätfrekvensområde. Kontinentala västra Europa är ett annat och västra Ryssland ett tredje. Elöverföring mellan dessa nät måste ske utan att ledningarna sitter ihop direkt då de inte har exakt samma frekvens momentant. Ett sätt är att använda högspänd likström, HVDC som länk. Två elmotorer/generatorer på samma axel är en annan metod.

Aktiv effekt

Aktiv effekt (P), mätt i watt (W), är den del av eleffekten som utför verkligt arbete i ett växelströmssystem. Det är denna effekt som omvandlas till nyttig energi, såsom värme, ljus eller mekaniskt arbete i motorer. Aktiv effekt beror på spänning, ström och fasvinkel och kan beskrivas som:

P = U · I · cos(φ)

Till skillnad från reaktiv effekt belastar aktiv effekt nätet genom att faktiskt överföra energi från producent till förbrukare. En hög andel aktiv effekt i förhållande till reaktiv effekt innebär bättre nyttjande av nätets kapacitet och lägre överföringsförluster.

Reaktiv effekt

Reaktiv effekt (Q), mätt i var eller kvar, uppstår i växelströmssystem när ström och spänning är fasförskjutna. Den utför inget mekaniskt eller termiskt arbete, men är nödvändig för att hålla spänningsnivåerna stabila i elkraftsystem. Reaktiv effekt cirkulerar mellan källa och last vilket därmed ökar belastningen på nätet vilket minskar utrymmet för aktiv effekt. Även reaktiv effekt ger transmissionsförluster.

Spänningsreglering

Spänningsreglering syftar till att hålla spänningen inom tillåtna nivåer i elnätet. Detta sker främst genom att producera eller absorbera reaktiv effekt lokalt, exempelvis via generatorers spänningsreglering, kondensatorbanker eller reaktorer. Eftersom reaktiv effekt inte kan överföras långa sträckor utan förluster behöver regleringen ske nära belastningen. En god balans i reaktiv effekt är central för nätets stabilitet och för att undvika spänningsvariationer.

Frekvensreglering

I ett elkraftsystem måste det alltid mycket nära balans mellan produktion och förbrukning (momentan balans) annars kollapsar systemet (black-out). I Sverige ansvarar en systemansvarig myndighet för frekvensregleringen vilket är myndigheten Svenska kraftnät, SVK..

Balanskravet betyder att när en ökning sker i förbrukningen (till exempel en LED-lampa tänds) måste produktionen ökas i lika hög grad. I Sverige sker detta bland annat genom reglering av vattenkraftverk, där effekten snabbt kan både ökas och minskas genom att variera vattenflödet genom turbinerna.

Avvikelser i denna balans avspeglar sig i att frekvensen avviker från normalfrekvensen (50 Hz). Vissa generatorer och motorer är elektromekaniskt kopplade till frekvens så att deras rotationshastigheten alltid är linjär med frekvensen. Dessa kallas för synkrona. Vid underskott av produktion i förhållande till förbrukningen reduceras frekvensen när dessa generatorer och motorer roterar långsammare. Anledningen är att mer effekt tas ut från från elnätet än den effekt som produceras av de generatorer som är inkopplade i nätet samtidigt. Rörelseenergin i dessa synkrona maskiner hjälper till att hålla emot de ständiga små obalanser som uppstår slumpartat. En högre roterande massa (vikt) ger ett mindre känsligt systemet och frekvens blir stabilare. Rotationsenergin i alla dessa roterande maskiner fungerar som ett massivt svänghjul och får funktionen av ett mycket kortvarigt energilager.

Då frekvensen fortsätter sjunka vid obalans mellan produktion och konsumtion behöver åtgärder sättas in för att balansera nätet igen samt återställa frekvensen till normalläget. Om den underliggande underskottet av produktion i relation till förbrukningen inte återställs kommer frekvensen sänkas tills systemet kollapsar.

Vid överskott av produktion sker det motsatta. Förbrukningens frekvensanpassning är i praktiken begränsad och därför krävs att produktionen anpassar sig. Produktionen är i vissa kraftverk försedd med automatisk reglering för frekvenshållning. Den automatiska reglerutrustningen är ansluten till turbinregleringen i vattenkraftverken som anpassar pådaget beroende på frekvensens avvikelse från normalfrekvensen. Styrkan i den automatiska frekvensregleringen varierar mellan olika produktionsanläggningar. Reglerstyrkan uttrycks i MW/Hz, det vill säga för varje ändring av frekvensen förändras effekten. Denna reglering är endast proportionell.

Den automatiska frekvensregleringen på produktionen har emellertid begränsningar eftersom automatiken enbart kan arbeta inom det effektband som finns tillgängligt på varje generator. Av den anledningen behöver man tillgripa så kallad sekundär frekvensreglering (sekundärreglering). Sekundärregleringen syftar till att återställa normalläget hos elsystemets reglerförmåga där den automatiska regleringen har tillräcklig effektkapacitet för både upp- och nedreglering. För att avgöra vilka anläggningar som ska användas vid sekundärregleringen används de så kallade reglermarknaderna.

Se även

Referenser

  1. ↑ 7 § 3 stycket elsäkerhetsförordningen (2017:218).
  2. ↑ 9 § 3 stycket elsäkerhetsförordningen (2017:218).
  3. ↑ ”Elnätets struktur”. Finsk Energiindustri. Arkiverad från originalet den 17 juni 2018. https://web.archive.org/web/20180617115814/https://energia.fi/sv/basfakta_om_energibranschen/energinat/elnat. Läst 13 juni 2018.
  4. 1 2 3 4 1 kap. 4 § ellagen (1997:857).
  5. ↑ 3 § förordningen (2007:1119) med instruktion för Affärsverket svenska kraftnät.
  6. ↑ 3 kap. 30 § ellagen (1997:857).
  7. ↑ ”Elnätet”. Energimyndigheten. http://www.energikunskap.se. Arkiverad från originalet den 17 juni 2018. https://web.archive.org/web/20180617115828/http://www.energikunskap.se/sv/FAKTABASEN/Vad-ar-energi/Energibarare/Elektricitet/Elnatet/. Läst 15 juni 2018.
  8. ↑ 3 kap. 12 § ellagen (1997:857).
  9. ↑ 3 kap. 21 § ellagen (1997:857).
  10. ↑ Hans Blomqvist, red (1997). ”5: Sveriges Energiförsörjning”. Elkraftsystem 1. Elkrafthandboken. Stockholm: Liber. ISBN 978-91-47-05176-2
  11. ↑ 8 kap. 1 § ellagen (1997:857).
  12. ↑ 6 § förordningen (2023:241) om det nationella elsystemet.