EXAMENSARBETE - pure.ltu.se - Luleå tekniska universitet
EXAMENSARBETE Reaktiv effektbalans i Öresundkrafts Elnät Johan Lundkvist 2015 Högskoleingenjörsexamen Elkraftteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik Reaktiv effektbalans i Öresundskrafts elnät Johan Lundkvist, Luleå tekniska universitet 25 maj 2015 Reaktiv effektbalans i Öresundskrafts elnät Johan Lundkvist, Luleå tekniska universitet 25 maj 2015 Arbetet utfördes på Öresundskraft i Helsingborg, mars - maj 2015 Handledare på företag: Anders Höglund och Olle Corfitsson Examinator: Math Bollen Förord Det finns många som ska ha tack för hjälp och stöttning i arbetet med mitt examensarbete och det kan därför anses lämpligt att slänga sig med parollen ”Ingen nämnd, ingen glömd”. Men, förutom mina handledare vill jag även tacka Adam Matulaniec på Öresundskraft som med stort tålamod guidat mig och mina ibland förvirrade tankar runt i Öresundskrafts elnät för att placera mätutrustning på både möjliga och omöjliga ställen. I regn såväl som i ingenjörsväder… Sammanfattning Under de senare åren har det skett en markant förändring vad gäller Öresundskrafts reaktiva effektbalans gentemot regionnätet. Tidigare problem med underskott av reaktiv effekt har istället bytts mot problem med överskott. Under vissa perioder tvingas Öresundskraft idag att köpa till sig rätten att mata in reaktiv effekt till regionnätet trots att deras egna kondensatorbatterier kopplas ur. För regionnätet innebär inmatad reaktiv effekt problem att hålla spänningen konstant. Det är inte tillåtet för Öresundskrafts kunder att vara nettoproducenter av reaktiv effekt, men eftersom den reaktiva effekten inte mäts hos alla kunder är detta svårt att kontrollera. Undersökningarna har begränsats till att omfatta Helsingborgsnätet eftersom det är där Öresundskraft har de största problemen med sin reaktiva effektbalans. Förändringen är till övervägande del en konsekvens av den uppgradering av Helsingborgs elnät som skett under senare år och som kommer att fortsätta något år framöver. De 132 kV-kablar som ersätter äldre 50 kV-kablar genererar betydligt mer reaktiv effekt, till följd av den högre spänningsnivån. Den pågående förändringen innebär också att antalet fördelningsstationer minskas från 17 till 7, men detta påverkar inte den reaktiva effektbalansen i någon större utsträckning. Genom analys av egna mätningar och mätdata från fast installerade mätare, för åren 2010 – 2015, har det visat sig att Öresundskrafts misstankar om en förändrad reaktiv effektbalans hos deras kunder har varit befogad. Framför allt är det deras hushållskunder som visar en tydlig tendens att förbruka allt mindre reaktiv effekt och en del har till och med blivit nettoproducenter av reaktiv effekt. Bland Öresundskrafts företagskunder går det inte att se samma tydliga trend som för hushållskunderna. Ungefär hälften av kunderna visar en ökad förbrukning av såväl aktiv som reaktiv effekt, samtidigt som endast en tredjedel visar på en trend mot minskad förbrukning av såväl aktiv som reaktiv effekt. Resterande visar en i stort sett oförändrad förbrukning under perioden. Det är vanskligt att dra några slutsatser om hur företagskundernas reaktiva effektbalans förändrats eftersom många har faskompensationsutrustning som kopplas in och ur. Till viss del kan Öresundskraft förmodligen förbättra sin reaktiva effektbalans genom bättre rutiner för hur befintliga kondensatorbatterier kopplas in och ur. Genom förbättrad mätning av reaktiv effekt för företagskunderna kan Öresundskraft kontrollera att ingen inmatning sker utöver vad som är avtalat. Avtalen med företagskunder kan bli tydligare framför allt gällande inmatning av reaktiv effekt och en tariff för inmatning, liknande den i E.ONs abonnemang, skulle ge kunder med effektabonnemang ekonomiska incitament att vara mer noggranna med sin reaktiva effektbalans. Uppgraderingen av kabelnätet i Helsingborg är utan tvekan det som ger största kapacitiva tillskottet till den reaktiva effektbalansen. Denna förändring är bestående och kommer dessutom att öka ytterligare något i och med att projektet slutförs. På lång sikt bör därför en investering i en faskompensationsutrustning av typen Variable Shunt Reactor (VSR) vara ett mer fördelaktigt alternativ än att fortsätta med det inmatningsabonnemang som idag finns med E.ON. Innehållet Förord 1 Inledning....................................................................................................................... 1 1.1 Bakgrund ........................................................................................................................ 1 1.2 Mål och omfattning ......................................................................................................... 1 1.3 Metod ............................................................................................................................. 1 1.4 Resultat .......................................................................................................................... 2 2 Uppdragsgivare ............................................................................................................. 3 3 Teori ............................................................................................................................ 4 3.1 Reaktiv effekt ................................................................................................................. 4 3.1.1 Vad är reaktiv effekt ?...................................................................................... 4 3.1.2 Reglering av den reaktiva effektbalansen ....................................................... 4 3.1.3 Problem med reaktiv effekt .............................................................................. 5 3.1.4 Aktiva och reaktiva förluster. ........................................................................... 7 3.1.5 Vad säger abonnemangen om reaktiv effekt? ................................................. 8 3.1.6 Att mäta reaktiv effekt ...................................................................................... 9 3.2 Kablar ............................................................................................................................. 9 3.3 Transformatorer ........................................................................................................... 10 3.4 Ekonomi ....................................................................................................................... 10 3.4.1 Räntesatser ................................................................................................... 10 3.4.2 Ekonomisk livslängd ...................................................................................... 10 3.4.3 LCC – Life Cycle Cost ................................................................................... 10 3.4.4 Nuvärdesmetoden ......................................................................................... 11 3.4.5 Investeringskostnader ................................................................................... 11 3.4.6 Abonnemangskostnader................................................................................ 11 4 Metod ........................................................................................................................ 13 4.1 Undersökningsmetoder ................................................................................................ 13 4.1.1 Egna mätningar ............................................................................................. 13 4.1.2 Fast installerade mätare ................................................................................ 13 4.1.3 Mätningar på lågenergilampor ....................................................................... 13 4.2 Urval ............................................................................................................................. 14 4.3 Genomförande ............................................................................................................. 14 4.4 Etiska överväganden ................................................................................................... 14 4.5 Reliabilitet och validitet ................................................................................................ 14 5 Resultat ..................................................................................................................... 15 5.1 Egna mätningar ............................................................................................................ 15 5.2 Fast installerade mätare............................................................................................... 24 5.3 Kablar ........................................................................................................................... 27 5.4 Transformatorer ........................................................................................................... 28 5.5 Filbornaverket – synkronmaskin .................................................................................. 29 5.6 Lågenergilampor .......................................................................................................... 29 5.7 Ekonomi ....................................................................................................................... 30 6 Analys/diskussion...................................................................................................... 31 7 Slutsatser .................................................................................................................. 34 8 Referenser ................................................................................................................ 35 1 Inledning 1.1 Bakgrund Under de senare åren har det skett markant förändring vad gäller Öresundskrafts reaktiva effektbalans gentemot regionnätet. Tidigare har Öresundskraft behövt köpa till sig rätten att ta ut mer reaktiv effekt från regionnätet än vad abonnemanget tillåter, trots egna installerade kondensatorbatterier. Idag tvingas istället Öresundskraft att under vissa perioder betala avgifter för att reaktiv effekt matas in till regionnätet även om kondensatorbatterierna kopplats ur. För regionnätet innebär inmatad effekt bland annat problem att hålla spänningen konstant. Förändringen av den reaktiva effektbalansen i nätet kan till viss del förklaras med att nätet i sig producerar mer reaktiv effekt som en direkt följd av att allt fler 132 kV-kablar installerats samtidigt som ett antal transformatorer tagits bort. Troligtvis har även effektbalansen hos Öresundskrafts kunder förändrats och de har inte längre samma behov av reaktiv effekt som tidigare. Möjligtvis har en del kunder till och med börjat producera reaktiv effekt. Abonnemangsmässigt är det inte tillåtet vare sig för Öresundskraft eller för deras kunder att vara nettoproducenter av reaktiv effekt. Eftersom den reaktiva effekten normalt inte mäts hos alla kunder är detta svårt att kontrollera. 1.2 Mål och omfattning Examensarbetet syftar till att mäta den reaktiva effektbalansen hos ett antal kundkategorier och genom analys av utförda mätningar förklara varför den är som den är. Även mätdata från fast installerade mätare i nätstationer och på företag analyseras för att undersöka hur den reaktiva effektbalansen förändrats under de senare åren. Vilka möjligheter finns för Öresundskraft att komma till rätta med problemen i den reaktiva effektbalansen gentemot regionnätet? Eftersom det framför allt är i Helsingborgsnätet som Öresundskraft har problem med den reaktiva effektbalansen begränsas studierna till detta nät. 1.3 Metod Mitt uppdrag hos Öresundskraft är att undersöka deras reaktiva effektbalans som har förändrats under de senare åren. En del av denna förändring beror på den uppdatering av högspänningskablar och transformatorer som genomförts i Helsingborgsnätet. Samtidigt finns det en misstanke om att kundernas last har ändrat karaktär och blivit mer kapacitiv. Till att börja med har studier gjorts av de förändringar som utförts i kabelnätet för att beräkna hur mycket kapacitiv reaktiv effekt som högspänningskablarna tillför Helsingborgsnätet. En undersökning av hur kunderna belastar nätet idag har genomförts med ett antal mätningar på olika kundtyper. För att få en uppfattning om kundernas effektuttag har förändrats något under senare år har egna mätningar även kompletterats med mätdata från ett större antal fasta mätare som finns installerade dels i ett antal nätstationer och dels hos större företagskunder med effektabonnemang. 1 1.4 Resultat Undersökningarna har visat att det är uppgraderingen av kabelnätet i Helsingborg är det som ger störst nettobidrag till den reaktiva effektbalansen mot regionnätet. Det är de 132 kV-kablar som ersätter äldre 50 kV-kablar som genererar betydligt mer reaktiv effekt, till följd av den högre spänningsnivån. Tidigare problem med underskott av reaktiv effekt har istället bytts mot problem med överskott. För regionnätet innebär inmatad reaktiv effekt problem att hålla spänningen konstant. Den pågående förändringen innebär också att antalet fördelningsstationer minskas från 17 till 7, men detta påverkar inte den reaktiva effektbalansen i någon större utsträckning. Öresundskrafts misstankar om en förändrad reaktiv effektbalans hos deras kunder har varit befogad. Framför allt är det deras hushållskunder som visar en tydlig tendens att förbruka allt mindre reaktiv effekt och en del har till och med blivit nettoproducenter av reaktiv effekt. Bland Öresundskrafts företagskunder går det inte att se samma tydliga trend som för hushållskunderna, vilket gör det svårt att dra några slutsatser om företagskunderna. Genom ekonomiska incitament och förbättrade rutiner för kontroll av företagskunders reaktiva effektinmatning kan Öresundskraft förbättra sin reaktiva effektbalans till en viss del, men eftersom det stora nettobidraget från kablarna i nätet är permanent bör en investering i kompensationsutrustning övervägas. 2 2 Uppdragsgivare Öresundskraft, med huvudkontor i Helsingborg, är ett av Sveriges större energibolag och har idag ca 100 000 nätkunder i nordvästra Skåne. Kunderna är geografiskt fördelade i fyra olika nät, Helsingborg, NVS, Ängelholm och Höganäs. Framför allt är det i Helsingborgsnätet som problemen med reaktiva effektbalansen har uppstått och mitt arbete är därför begränsat till att endast omfatta det nätet. Helsingborgsnätet omfattar hela Helsingborgs stadskärna, men även dess omgivningar med varierande bostadsområden och olika typer av industrier. Traditionellt sett har Öresundskrafts olika nät förbrukat reaktiv effekt och det finns ett antal kondensatorbatterier installerade i näten för att kompensera för denna förbrukning. Även en hel del företagskunder har kondensatorbatterier installerade. Trots detta har Öresundskraft genom åren haft behov av att teckna extra abonnemang för uttag av reaktiv effekt utöver de 15 % (av uttagen aktiv effekt) som ingår i grundabonnemanget. Under de senare åren har det skett en tydlig förändring i Öresundskrafts reaktiva Figur 1 – Karta över Öresundskrafts effektbalans och idag tvingas istället Öresundskraft att nätområden under vissa perioder av året betala avgifter för att reaktiv effekt matas in till regionnätet även om kondensatorbatterierna kopplats ur. I Helsingborgsnätet sker en ombyggnad för att ersätta befintliga 50 kV-kablar med 132 kV-kablar och dessutom minskas antalet fördelningsstationer från 17 till 7. Som en direkt konsekvens av denna förändring producerar nätet i sig mer reaktiv effekt än tidigare. Troligtvis har även effektbalansen hos Öresundskrafts kunder förändrats så att de inte längre har samma behov av reaktiv effekt som tidigare. Möjligtvis har en del kunder till och med börjat producera reaktiv effekt. Figur 2 - Diagram över Öresundskrafts reaktiva effektbalans 2014. Under perioderna januari - april och oktober - december är uttaget begränsat till 32,25 MVAr. Under perioden maj – september är inmatningen begränsad till 30,5 MVAr. 3 3 Teori 3.1 Reaktiv effekt 3.1.1 Vad är reaktiv effekt ? När el överförs i våra elnät brukar vi tala om överföring av aktiv och reaktiv effekt. Aktiv effekt ses som nyttig effekt och utför ett nyttigt arbete när den förbrukas i lasten. Reaktiv effekt ses oftast som onyttig effekt som transporteras fram och tillbaka i kablar och ledningar utan att utföra något arbete. Vid en diskussion i fikarummet liknade någon den reaktiva effekten vid skummet i ett glas öl. Skummet blir vi inte av med helt, men vi vill ha så lite som möjligt så att mängden öl i glaset kan ökas. Den reaktiva effekten behövs för att spänningssätta ledningar eller kablar och för att skapa magnetfält i transformatorer och elmotorer, men vi vill begränsa överföringen av reaktiv effekt eftersom den då upptar plats i ledningarna som istället hade kunnat användas för att överföra aktiv effekt. Den reaktiva effekt som behövs för att skapa magnetfält måste inte överföras från den generator som producerar den aktiva effekten. Det går precis lika bra att producera reaktiv effekt nära förbrukaren i kondensatorbatterier och på så sätt minska den onödiga överföringen av aktiv effekt. Det bör påpekas att reaktiv effekt inte är någon effekt i fysikalisk bemärkelse, utan endast en räknestorhet som har införts för att underlätta beräkningar [1]. Det som vi kallar reaktiv effekt handlar i själva verket om den fasvridning som uppstår när en last förskjuter spänningen och strömmen relativt varandra. När vi säger att reaktiv effekt förbrukas av en induktiv last sker alltså en induktiv fasvridning så att strömmen kommer efter spänningen. Det motsatta händer när vi säger att reaktiv effekt produceras av en kapacitiv last. Då sker en kapacitiv fasvridning så att strömmen kommer före spänningen. Faserna för en rent induktiv last och en rent kapacitiv last är förskjutna 180 grader relativt varandra. Detta innebär att en induktiv fasvridning och en kapacitiv fasvridning motverkar varandra och kan till och med släcka ut varandra helt. Det är alltså inte reaktiv effekt som tillverkas i kondensatorbatterier i närheten av förbrukaren, i själva verket görs en faskompensering för att fasvridningen mellan ström och spänning ska bli så liten som möjligt. Givetvis fungerar detta även tvärt om så att en reaktor kan kopplas in för att faskompensera åt andra hållet. Vi brukar då tala om att reaktiv effekt förbrukas i reaktorn. 3.1.2 Reglering av den reaktiva effektbalansen Som tidigare nämnts går det att faskompensera för både induktiv och kapacitiv reaktiv effekt genom att koppla in kondensatorbatterier respektive reaktorer nära källan. Ett annat namn är reaktiv effektkompensering. Kompenseringsanordningen kan antingen kopplas i serie med ledningen, seriekompensering, eller parallellt med ledningen, shuntkompensering. Det är framför allt shuntkompensering som är av intresse för faskompensering i lokalnät. Här följer en beskrivning av några varianter som finns på marknaden. Shuntkondensator För en kapacitiv faskompensering, där vi säger att reaktiv effekt produceras lokalt, kopplas ett kondensatorbatteri in parallellt med den induktiva lasten. Genom att den reaktiva effekten, som den induktiva lasten förbrukar, genereras på plats avlastas överföringen och det går att föra över mer aktiv effekt. För kunden kan detta vara ett sätt att slippa höga taxor för överuttag av reaktiv effekt. 4 Shuntreaktor En reaktor är motsatsen till en kondensator när det gäller faskompensering. Även shuntreaktorn kopplas in parallellt med lasten, men ger en induktiv faskompensering och vi säger att reaktiv effekt förbrukas i en reaktor. Variable Shunt Reactor (VSR) I många fall varierar behovet av faskompensering t.ex. över dygnet eller över året. I fall där den kapacitiva reaktiva effekten har en långsam variation kan en VSR användas. Induktansen i en VSR kan ställas in i steg med en lindningsomkopplare på samma sätt som i en transformator. Static Var Compensation (SVC) SVC är lämplig i de fall där det finns behov av snabba förändringar i faskompenseringen. Static Var Compensation kan beskrivas som en kombination av både kondensatorbatterier och reaktorer som styrs av tyristorer. Därmed finns möjlighet till både induktiv och kapacitiv faskompensering. Static Compensator (StatCom) Precis som en SVC kan en StatCom användas för både induktiv och kapacitiv faskompensering. Eftersom en StatCom använder sig av aktiva komponenter, som IGBT eller GTO istället för tyristorer, är den snabbare och mer exakt än SVC samtidigt som den ger en betydligt mindre mängd övertoner. En StatCom tar mycket mindre plats än en SVC, men är också dyrare [2]. Synkronmaskin En synkronmaskin kan användas för både induktiv och kapacitiv faskompensering. Om synkronmaskinen undermagnetiseras kommer den att verka som en induktor och vi säger att den konsumerar reaktiv effekt från nätet. Ökas istället magnetiseringsströmmen övermagnetiseras synkronmaskinen som då verkar som en kapacitans och vi säger att den avger reaktiv effekt till nätet. Eftersom synkronmaskiner kan användas för både motordrift och generatordrift är det viktigt att tänka på att de ovanstående förhållandena för faskompensering är de samma i båda driftfallen. Det vill säga att en övermagnetiserad synkronmaskin alltid är kapacitiv och avger reaktiv effekt till nätet [3]. Synkronkompensator Synkronkompensator kallas en synkronmaskin som inte producerar eller konsumerar aktiv effekt utan endast används för att producera reaktiv effekt. I princip handlar det om en synkronmaskin på tomgång som antingen under- eller övermagnetiseras. 3.1.3 Problem med reaktiv effekt Problem i lokalnät Om den reaktiva effekten i lokalnätet blir för kapacitiv, det vi kallar för ett överskott av reaktiv effekt, kan det t.ex. bli problem att koppla in reservkraft. Reservkraften har en synkronmaskin som antingen kan övermagnetiseras eller undermagnetiseras. Oftast är möjligheterna att undermagnetisera mer begränsade eftersom magnetiseringsströmmen närmar sig noll och det då finns risk att spänningen skjuter i höjden. Vid drift med reservkraft ansluts den direkt till lågspänning och det är då inte kablarna som orsakar problem utan det är om kunderna är för kapacitiva. Vid extrema situationer finns det möjlighet för Öresundskraft att använda synkronmaskinen i Västhamnverket för ö-drift. I detta fall är det de kapacitiva kablarna som kan 5 vålla problem. Figur 3 visar ett exempel på ett kapabilitetsdiagram som är unikt för varje maskin. Diagrammet visar tydligt att arbetsområdet är betydligt mer begränsat om maskinen är undermagnetiserad och konsumerar reaktiv effekt. Det vill säga när lasten är kapacitiv. Figur 3 - Exempel på ett kapabilitetsdiagram Problem i regionnät När det lokala nätet blir för induktivt eller för kapacitivt och vi säger att reaktiv effekt tas ut från, respektive matas in till regionnätet, kan det uppstå problem att hålla nere spänningen i regionnätet. Vid ett underskott av reaktiv effekt sjunker spänningen och vid ett överskott stiger spänningen i nätet. Problemen att hålla spänningen stabil är som störst vid inmatning av reaktiv effekt när lasten är låg. Förutom problem med spänningen kan det också bli problem med effektöverföringen. Den reaktiva effekten ”tar plats” i överföringen, vilket minskar förmågan att överföra aktiv effekt. I båda fallen ovan drar den reaktiva överföringen extra ström och bidrar till ökade överföringsförluster. 6 3.1.4 Aktiva och reaktiva förluster. Vid överföring av el genom ledningar och transformatorer uppstår såväl aktiva som reaktiva förluster. I trefasiga ledningar med resistansen R per fas och fasströmmen I, blir [1]: 𝑃! = 3 ∙ 𝑅 ∙ 𝐼 ! Eftersom 𝐼 = 𝑃! = ! !∙! och 𝑆 ! = 𝑃 ! + 𝑄 ! kan ekvationen skrivas om till 𝑅 ∙ 𝑃! + 𝑄! 𝑈! Vi ser då att den del av Pf som beror på den reaktiva effekten, 𝑄, minskar med kvadraten av överförd 𝑄. På samma sätt blir reaktiva förlusterna i trefasiga ledningar med reaktansen X per fas: 𝑄! = 3 ∙ 𝑋 ∙ 𝐼 ! vilket kan skrivas om till 𝑄! = 𝑋 ∙ 𝑃! + 𝑄! 𝑈! 3.1.5 Överförbar effekt I en ideal överföring, där enbart aktiv effekt överförs, skulle den maximalt överförda effekten Pmax vara: 𝑃!"# = !! !! , där X = ledningens reaktans Men på grund av den reaktiva effekten kan elnätet inte utnyttjas ända upp till sin teoretiska gräns och den maximalt överförda effekten Pmax vara: 𝑃!"# = 𝑈! 4𝑋 1−𝑄 ! 2𝑋 𝑈 Tabell 1 visar hur Pmax beror på hur stor andelen reaktiv effekt är. Q/P 0% 10 % 20 % 30 % 40 % Cos fi 1,000 0,995 0,980 0,960 0,930 Pmax 0,5*U2/X 0,45*U2/X 0,41*U2/X 0,37*U2/X 0,34*U2/X Tabell 1 - Maximalt överförd effekt som funktion av andelen reaktiv effekt [4] 7 3.1.6 Vad säger abonnemangen om reaktiv effekt? I E.ONs Tillämpningsbestämmelser regionnät normalleverans finns följande information angående reaktiv effekt: ”Reaktiv effekt I anslutningspunkten äger Kunden rätt till uttag av reaktiv effekt (från Nätägarens nät) upp till procenttal enligt tabell. Uttagsrätten anges som förhållandet mellan högsta värdet under perioderna januari-april och oktober-december för uttagen reaktiv timmedeleffekt i kVAr och motsvarande helårsabonnemang i kW. I de fall särskilda skäl föreligger kan efter prövning reaktivt uttagsabonnemang tecknas. För inmatning av reaktiv effekt (till Nätägarens nät) gäller att ingen inmatning får ske kostnadsfritt under perioden maj-september. Reaktivt inmatningsabonnemang kan tecknas. Tecknas abonnemang kompenserar Nätägaren centralt för inmatningen.” […] Överuttag av reaktiv effekt föreligger när uttaget av reaktiv effekt överskrider angiven gräns och medför debitering av överuttagsavgift på den andel som överskrider fritt uttag. Överinmatning av reaktiv effekt föreligger när inmatning av reaktiv effekt överskrider noll eller tecknat abonnemang. Detta medför debitering av överinmatningsavgift. För att kunden ska få rimlig tid att koppla ifrån eller koppla in kondensatorbatterier kommer ingen överinmatningsavgift att debiteras för perioden 1/5-7/5 och 24/9-30/9.” [5] I informationstexten om Öresundskrafts Effektabonnemang 2015 finns följande information angående reaktiv effekt: ”(5) Överuttag föreligger då den uttagna reaktiva effekten i kVAr per timme överstiger tillåtet reaktivt effektuttag. För det högsta överuttaget under året erläggs avgift enligt ovan.” [6] Och i Öresundskrafts Allmänna avtalsvilkor högspänningsanläggningar.., kan man läsa: för anslutning av elektriska ”3.18 Inmatning av reaktiv effekt till elnätsföretagets anläggningar får, om inget annat avtalats, endast förekomma tillfälligt och oavsiktligt. På elnätsföretagets begäran ska kunden anpassa driften av sina anläggningar för produktion av reaktiv effekt efter förhållandena beträffande reaktiv effekt på elnätsföretagets anläggning om detta kan ske utan nämnvärd kostnad eller olägenhet för kunden.” [7] I grunden får varken Öresundskraft eller deras kunder mata in någon reaktiv effekt till överliggande nät. För Öresundskraft finns möjlighet att teckna ett inmatningsabonnemang med E.ON som täcker överskottet av reaktiv effekt. Även Öresundskrafts kunder har möjlighet att avtala om den reaktiva effektbalansen. Öresundskraft har enligt de allmänna villkoren också vissa möjligheter att begära att kunden ska anpassa sin reaktiva effektbalans efter sina behov. 8 3.1.7 Att mäta reaktiv effekt I en trefaskrets med sinusformad ström och spänning är den reaktiva effekten 𝑄 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ sin 𝜑 Den reaktiva effekten mäts med en modifierad wattmeter, där strömmen i spänningsspolen ligger 90 ° fasförskjuten efter spänningen över belastningen. Instrumentet visar då [1] 𝑄 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ cos 𝜑 − 90° = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ sin 𝜑 Denna princip används i de fast installerade mätare, av typen Landis & Gyr ZMD400, som finns en del av Öresundskrafts nätstationer, men där fasförskjuts spänningen och strömmen +45 ° respektive -45 ° innan de multipliceras för att få det momentanta värdet för 𝑄. Det momentana värdet för 𝑄 integreras sedan med interval på en sekund för att få ett digitalt värde för 𝑄 [8]. Vid mätningar med ett datorbaserat analysinstrumment som Dratnetz mäts samtidigt linjeströmmar och fasspänningar. Med hjälp av dessa beräknar den inbyggda programvaran de flesta storheter med vi har att göra med i elnätet. 3.2 Kablar Alla isolerade ledare, ledningar eller kablar, placerade nära jord utgör en kondensator vars ena belägg är ledaren själv och det andra är jordytan. Befinner sig ledaren dessutom i närheten av andra ledare, t.ex. övriga faser i ett trefassystem fås även kapacitanser inbördes mellan ledarna. Den totala kapacitansen för en ledning eller kabel brukar kallas driftkapacitansen. Driftkapacitansen ger upphov till en kapacitiv tomgångsström oberoende av om ledningen i övrigt är belastad eller ej. För en kabel är kapacitansen och därmed även den kapacitiva tomgångsströmmen betydligt större än hos friledningar. Det beror dels på att fasavstånden är mindre och dels på att isoleringsmaterialet som omger ledarna har större kapacitivitetstal än luft. Beräkningar av kapacitansen är komplicerade, men noggranna värden kan fås ur tillverkarnas kataloger [1]. 𝐼! = 𝜔 ∙ 𝑐 ∙ 𝑈! (i A/km/fas), där c = kapacitans per fas och 𝑈! = fasspänningen 𝑄 = 𝑘𝑎𝑏𝑒𝑙𝑙ä𝑛𝑔𝑑𝑒𝑛 𝑖 𝑘𝑚 ∙ 9 !∙!! ∙!! !"! (i MVAr) 3.3 Transformatorer En belastad transformator är induktiv till sin karaktär och kan därför sägas förbruka reaktiv effekt. Hur mycket beror på transformatorns egenskaper, men också på hur hårt den är belastad. För att få en uppfattning om hur mycket transformatorerna bidrar till den reaktiva effektbalansen i Helsingborgsnätet och hur stora förändringar det blir när antalet fördelningsstationer reduceras har jag gjort en grov överslagsberäkning. 𝐼= ! !∙!! 𝑄 = 𝑄! ∙ , där 𝑈! är märkspänningen ! ! !! , där 𝐼! är märkströmmen och 𝑄! = 𝑈 ∙ 𝑢! ∙ 𝐼 3.4 Ekonomi 3.4.1 Räntesatser Att göra ekonomiska bedömningar över tid är förenat med en del problem. Vid beräkningar bakåt i tiden finns indexserier att tillgå, men framåt i tiden måste en del antagande göras. Ofta görs ekonomiska kalkyler i fast penningvärde istället för i löpande penningvärde. I en kalkyl innebär detta att alla, även framtida, kostnader justeras till en viss angiven prisnivå. För att de olika typerna av ekonomiska kalkyler ska få samma resultat måste real ränta användas i stället för den vanliga nominella räntan om fast penningvärde används. När ett företag ska bedöma olika investeringar använder de sig av kalkylränta, som förutom den nominella räntan och inflationen även påverkas av t.ex. den beräknade risken som företaget tar. Kalkylräntan bestäms av företagsledningen och ska göra investeringen minst lika lönsam som alternativa satsningar [1]. 3.4.2 Ekonomisk livslängd Vid olika typer av tekniska investeringar skiljer man på två typer av livslängd, den tekniska livslängden och den ekonomiska livslängden. I kalkyler och beräkningar används den ekonomiska livslängden som begrepp för den tid som det är ekonomiskt försvarbart att använda en komponent jämfört med andra alternativ [1]. 3.4.3 LCC – Life Cycle Cost Life Cycle Cost är den totala kostnaden för ett investeringsalternativ under hela dess livslängd [9]. LCCtot = Investeringskostnad + LCCenergi + LCCunderhåll – Restvärde, där LCCenergi = årlig energikostnad x nuvärdesfaktorn och LCCunderhåll = årlig underhållskostnad x nuvärdesfaktorn 10 3.4.4 Nuvärdesmetoden För att avgöra om en investering är lönsam i jämförelse andra alternativ förekommer en mängd ekonomiska metoder, så som exempelvis annuitetsmetoden, pay off-metoden och nuvärdesmetoden. På Öresundskraft används vanligtvis nuvärdesmetoden som innebär att alla, även framtida, kostnader i samband med en investering omvandlas till summan av nuvärdena (NUS) vid en viss tidpunkt, exempelvis då kalkylen görs [1]. 𝑁𝑈𝑆 = 𝐾 ∙ 𝑘!"# , där 𝑘!"# nuvärdesummefaktorn, även kallad kapitaliseringsfaktorn 𝑘!"# = !!! !! !!! , där n = antalet år och q = 1 + r/100, r = kalkylräntan 3.4.5 Investeringskostnader Investeringskostnaderna är den så kallade särkostnaden för en anläggning plus nuvärdesumman (NUS) för drift, underhåll och förluster. Där särkostnaden är den kostnad som följer direkt av projektet, t.ex. material och externa entreprenörer [1]. Öresundskrafts kalkylerade investeringskostnader för en 40 MVAr variabel shunt reaktor utgår från en offert från ABB 2012-10-31, men även kostnader för tillhörande ställverk och nuvärdesumman för förlusterna är medräknade och ingår alltså i särkostnaden. En eventuell investering ställs i kalkylen mot alternativet att fortsätta betala för det befintliga inmatningsabonnemanget hos E.ON. 3.4.6 Abonnemangskostnader E.ON Öresundskraft har ett avtal med E.ON, som äger regionsnätet, om elleverans via 130 kV ledning, N130L. I anslutningpunkten har Öresundskraft rätt till 15 % uttag av reaktiv effekt. Uttagsrätten anges som förhållandet mellan högsta värdet för uttagen reaktiv timmedeleffekt i kVAr och motsvarande helårsabonnemang i kW. Detta gäller under perioderna januari-april och oktoberdecember. När det gäller inmatning av reaktiv effekt får ingen inmatning ske kostnadsfritt under perioden maj-september, men ett reaktivt inmatningsabonnemang kan tecknas. Resten av året finns för närvarande ingen begränsning i inmatning av reaktiv effekt. Öresundskraft hade 2014 ett inmatningsabonnemang för 30,5 MVAr men har sänkts till 27 MVAr för 2015. Elnätsabonnemang Fritt uttag (%) Abonnemang uttag (kr/kVAr) Överuttag (kr/kVAr) Abonnemang inmatning (kr/kVAr) Överinmatning (kr/kVAr) Tabell 2 - Elnätsabonnemang hos E.ON [5] 11 N130L 15 20 80 33 132 N50S 25 25 100 33 132 N50L 50 25 100 33 132 N20S 50 30 120 33 132 N20T 50 30 120 33 132 Öresundskraft Mätning och debitering av reaktiv effekt sker för Öresundskrafts företagskunder med effektabonnemang, men endast uttag av reaktiv effekt mäts och debiteras. Det finns fem olika tariffer för effektabonnemang N1, N2, T2, N3 och N4. Tariff Leveransspänning Tillåtet reaktivt effektuttag i % av abonnerad effekt Överuttagsavgift reaktiv effekt kr/kVAr, år N1 130 kV 15 % N2 50 kV 50 % T2 20-6 kV 50 % N3 20-6 kV 50 % N4 0,4 kV 50 % 40 80 100 100 125 Tabell 3 - Effektabonnemang hos Öresundskraft [6] Det görs alltså ingen debitering för inmatad reaktiv effekt och följaktligen sker i många fall inte heller någon mätning av inmatad reaktiv effekt. 12 4 Metod 4.1 Undersökningsmetoder Den reaktiva effektbalansen hos ett antal kundkategorier har undersökts dels genom egna mätningar och dels genom analys av data från de fast installerade mätare i Öresundskrafts nät som mäter reaktiv effekt i båda riktningar. 4.1.1 Egna mätningar I Öresundskrafts nät i Helsingborg har ett antal mätningar genomförts i nätstationer inom olika typer av områden. Framför allt är det hushållskunder som har undersökts eftersom det finns anledning att tro att hushållens förbrukningskaraktär förändrats under de senare åren. Mätningarna täcker in olika typer av hushåll såsom äldre/nyare villor, äldre/nyare hyreshus, villor med/utan värmepumpar osv. Mätinstrument Mätningarna är utförda med två stycken Dranetz-BMI PX5. Instrumentet har åtta separata kanaler där fyra mäter spänning och fyra mäter ström. PX5 kan bl.a. mäta effekt, transienter, flimmer och klarar övertonsanalys upp till den 60:e övertonen. Den europeiska standarden EN 50160 beskriver hur mätningar ska utföras. PX5 är anpassad till EN 50160, men även till IEEE 1159 och IEC 61000-4-30 [10]. 4.1.2 Fast installerade mätare Utöver mätningar i olika nätstationer har en sammanställning gjorts och mätvärden analyserats från de fast installerade mätare som finns i 47 olika nätstationer i Helsingborg. Även många av Öresundskrafts större företagskunder med effektabonnemang har timvis mätning av reaktiv effekt i båda riktningar. Mätvärden från dessa mätare lagras i en databas, vilket möjliggör analys av äldre mätningar och på så sätt se om det skett några förändringar över längre tid. Perioden 200101-01 till 2015-01-01 ansågs vara en passande tidsperiod att studera med utgångspunkt från de mätdata som finns lagrade. De två grupperna har delats upp och redovisas var för sig. Mätinstrument Mätarna som finns installerade i en del nätstationer och hos vissa företag är av modell Landis & Gyr ZMD400. Mätning av reaktiv effekt görs genom att spänningen och strömmen fasförskjuts +45 ° respektive -45 ° innan de multipliceras för att få det momentanta värdet för 𝑄. Det momentana värdet för 𝑄 integreras sedan med interval på en sekund för att få ett digitalt värde för 𝑄 [8]. 4.1.3 Mätningar på lågenergilampor En anställd på Öresundskraft har tidigare gjort mätningar på några olika lågenergilampor som jag tagit del av. Genom att studera hur kurvorna för spänning och ström ser ut går det att avgöra om lampan är induktiv eller kapacitiv. Detta är intressant för att få en djupare förståelse för vad som orsakar det som kallas för reaktiv effekt. 13 4.2 Urval I undersökningen har ambitionen varit att hinna genomföra så många egna mätningar som möjligt. Öresundskraft har i uppdraget gett förslag på ett antal kundgrupper vars reaktiva effektbalans bör undersökas och tillsammans har vi utökat antalet och kommit fram till de mätningar som finns i listan nedan. Nyare lägenheter 1 Nyare lägenheter 2 Nyare lägenheter 3 Äldre lägenheter 1 Äldre lägenheter 2 Nyare villor 1 Nyare villor 2 Äldre villor 1 Äldre villor 2 Villor med gasvärme Villor med värmepumpar Hemelektronikhandel 1 Hemelektronikhandel 2 Detaljhandel Dagligvaruhandel Tillverkningsindustri Logistikföretag Solceller 4.3 Genomförande De mätningar som utförts har i alla fall utom ett gjorts på lågspänningssidan i Öresundskrafts nätstationer. I det fall som avviker från de övriga har mätutrustningen kopplats in direkt på utgående kablar från växelriktaren i en solcellsanläggning. Tiden för att utföra mätningarna har varit begränsad, och dessutom har en del helg- och klämdagar infallit under perioden för examensarbetet. För att utnyttja tiden så effektivt som möjligt har vi tagit fasta på varje tillfälle till att mäta. En konsekvens av detta är att alla mätningar inte har gjorts under exakt lika långa perioder eller under liknande förhållande vad gäller exempelvis veckodagar. Det hade givetvis varit önskvärt med mer likvärdiga mätperioder på t.ex. hela veckor. Även möjlighet att ha göra mätningar vid flera tillfällen under året, eftersom både årstid och väder ger upphov till variationer i elförbrukningen, hade varit att föredra. 4.4 Etiska överväganden Vid mättillfällena har mätutrustning placerats i Öresundskrafts nätstationer. Mätningarna har för hushållkunder antingen gjorts på hela bostadsområden, med en homogen kundtyp, eller ett helt flerbostadshus. På företag har mätningarna gjorts på det enskilda företagets servisledning. Varken hushållskunder eller företag har meddelats om mätningarna eftersom jag i samråd med Öresundskraft kommit fram till att samtycke från enskilda kunder inte är nödvändigt eftersom mätningarna gjorts i Öresundskrafts nät och inte i kundens anläggning. Mätningarna har inte utförts så att det går att spåra enskilda kunders beteende. Alla inblandade kunder och kundtyper i undersökningen är helt avidentifierade. 4.5 Reliabilitet och validitet Reliabilitet är ett mått på mätningens noggrannhet och visar om undersökningen kan anses tillförlitlig eller inte. Även om den studerande oftast inte har möjlighet att mäta reliabiliteten för sitt examensarbete, går det ändå att bilda sig en uppfattning om den är hög eller låg. Validitet är ett mått på hur studien har undersökt det som var avsett att undersökas. Begreppen reliabilitet och validitet korrelerar med varandra och målet är att sträva efter både hög reliabilitet och validitet [11]. 14 5 Resultat 5.1 Egna mätningar Figur 4 - Mätning av nyare lägenheter 1 Den reaktiva effekten är alltid kapacitiv och det finns en svag tendens att den reaktiva effekten följer variationen i aktiv förbrukning. Det kan vara någon form av grundlast som exempelvis allmänbelysning eller ventilation. Hushållen i sig verkar vara svagt induktiva. Figur 5 - Mätning av nyare lägenheter 2 Resultatet liknar det för Nya lägenheter 1. Här finns svag en tendens att den reaktiva effekten följer den aktiva effekten i dygnsvariationen. Även här finns det förmodligen en kapacitiv grundlast, exempelvis ventilation eller allmänbelysning och den last som står för dygnsvariationen är svagt induktiv. 15 Figur 6 - Mätning av nyare lägenheter 3 Husållen här är alltid induktiva och den reaktiva effekten följer den aktiva effekten till viss del. Det verkar finnas en svagt kapacitiv grundlast. Hushållen är svagt induktiva. Figur 7 - Mätning av äldre lägenheter 1 Den reaktiva effekten är alltid induktiv och följer inte den aktiva effekten. Det finns en induktiv grundlast som kan vara ventilation och belysning. Hushållen verkar vara resistiva. 16 Figur 8 - Mätning av äldre lägenheter 2 Här finns en induktiv grundlast på ca. 5 kVAr som förmodligen är gatubelysning. När den aktiva effekten ökar minskar den reaktiva effekten, vilket tyder på att hushållskunderna är kapacitiva. Figur 9 - Mätning av nyare villor 1 Dessa hushåll är så gott som alltid något kapacitiva. I detta område värms villorna med fjärrvärme som inte bör ha någon påverkan på hur elförbrukningen ser ut. Det finns en svagt kapacitiv grundlast, men den aktiva lasten verkar vara resistiv eftersom den inte påverkar uttaget av reaktiv effekt. 17 Figur 10 - Mätning av nyare villor 2 Den reaktiva effekten är till största delen induktiv och följer variationerna i den aktiva effekten ganska exakt. I grunden verkar dessa hushåll vara något kapacitiva, men den last som står för stor del av den aktiva effekten är förmodligen värmepumpar som är induktiva. Figur 11 - Mätning av äldre villor 1 Här blir den reaktiva effekten aldrig kapacitiv. Villorna i detta område värms av värmepumpar som kan vara induktiva, men i grunden är de nog rätt så resistiva. Precis som för äldre lägenheter 2 ser det ut som det även finns någon form av gatubelysning. 18 Figur 12 - Mätning av Äldre villor 2 Den reaktiva effekten är så gott som alltid något kapacitiv och följer inte den aktiva effektens variationer. Det tyder på någon form av svagt kapacitiv grundlast men att hushållen i sig är resistiva. Villorna i området har värmepumpar som uppvärmning. Figur 13 - Mätning av villor med gasvärme 19 Figur 14 - Mätning av villor med värmepumpar I utkanten av Helsinborgsnätet finns det två områden med villor som är i det närmsta identiska, förutom att det ena området installerat värmepumpar som ersättning för den gasuppvärmning som fortfarande används i det andra området. Med anledning av detta har Öresundskraft förstärkt elnätet i området med värmepumpar. Någon signifikant skillnad mellan områdena verkar inte finnas, men möjligtvis är området med värmepumpar en aning mer induktiva. I båda områdena verkar det finnas en grundlast som är något induktiv och som inte påverkas av variationer i den aktiva effekten. Det skulle kunna vara någon form av ventilation eller allmänbelysning. Figur 15 - Mätning av hemelektronikvaruhus 1 20 Figur 16 - Mätning av hemelektronikvaruhus 2 Figur 17 - Mätning av detaljhandel Det är lätt att tro att det är TV-apparater och all annan elektronik på Hemelektronikvaruhus 1 som genererar reaktiv effekt under öppettiderna när den aktiva effekten är som högst. Dock visar resultatet från mätningen på Hemelektronikvaruhus 2 en förbrukning som är precis tvärtemot den i Elektronikvaruhus 1. När Hemelektronikvaruhus 2 förbrukar som mest aktiv effekt ökar även förbrukningen av reaktiv effekt. Skillnaden i utställning och utbud av hemelektronik i de båda affärerna är mycket små och kan inte förklara den stora skillnaden i deras reaktiva effektbalans. Som referens gjordes även en mätning på en Detaljhandel som inte har några TV-apparater eller annan elektronik alls. Resultatet därifrån är snarlikt det på Hemelektronikvaruhus 1. Slutsatsen av detta är att det måste vara något annat än elektroniken som avgör om kunden blir induktiv eller kapacitiv och det ligger nära till hands att misstänka belysningen i lokalen. 21 Figur 18 - Mätning av dagligvaruhandel Den reaktiva effekten följer precis den aktiva effektens variationer, men har en hög induktiv lägstanivå som troligvis kommer av ventilation och framför allt kyl- och frysanläggningar. Både den aktiva och den reaktiva effekten ökar under öppettiderna vilket tyder på en induktiv belysning. Förmodligen ökar belastningen på såväl ventilation som på kylar och frysar när det är kunder i affären. Figur 19 - Mätning av logistikföretag Logistikföretagets har lager med kyl- och frysanläggningar. Det finns en induktiv grundlast som förmodligen är ventilation. Den reaktiva effekten följer den aktiva i de korta variationer som kan orsakas av kyl- och frysanläggningarnas kompressorer. Dagligen ökar uttaget av aktiv effekt, vilken troligtvis är belysning. Belysningen är resistiv. 22 Figur 20 - Mätning av tillverkningsindustri Det finns en svagt induktiv grundlast som kan vara ventilation. Under dagtid ökar såväl aktiv som reaktiv effekt. Lasten är tydligt induktiv och består förmodligen av elmotorer eller liknande utan allt för mycket frekvensomriktare. Figur 21 - Mätning av solcellsanläggning Mätningen på en solcellsanläggning visar en varierande produktion som beror på hur stor instrålningen av solljus är. Den producerade reaktiva effekten är låg, vilket kan bero på en aktiv power factor correction. 23 5.2 Fast installerade mätare För att få en uppfattning om hur många av nätstationerna och företagen som har förändringar i den reaktiva effektförbrukningen och i så fall hur mycket det ändrats har en jämförelse gjorts mellan den januari 2010 och januari 2015. Från databasen har ett medelvärde tagits fram för aktiv respektive reaktiv effekt och på så sätt räknas det fram hur stor förändring det har varit från 2010 till 2015. Nästan alla nätstationer visar en minskning av både aktiv och reaktiv effekt varför det även är intressant att få en uppfattning om hur andelen reaktiv (Q/P) effekt i förhållande till den aktiva effekten har förändrats. På så sätt går det att se om båda två har förändrats lika mycket. Eftersom stationerna är av olika storlek och har olika typer av förbrukare har en förändring i aktiv respektive reaktiv effekt per kund räknats fram och ett genomsnittligt värde för dessa presenteras. 101 Företag med mätning 30 % minskar aktiv effekt 12 % ingen signifikant ändring av aktiv effekt 58 % ökar aktiv effekt 34 % minskar reaktiv effekt 17 % ingen signifikant ändring av reaktiv effekt 49 % ökar reaktiv effekt 5 % har kapacitivt lägstavärde 2015 49 % har en minskad andel reaktiv effekt 5 kW genomsnittlig ökning av aktiv effekt 19 kVAr genomsnittlig minskning av reaktiv effekt 47 Nätstationer med mätning 96 % minskar aktiv effekt 4 % ingen signifikant ändring av aktiv effekt (villor och lägenheter) 94 % minskar reaktiv effekt 4 % ingen signifikant ändring av reaktiv effekt (industri och landsbygd) 2 % ökad reaktiv effekt (villaområde) 15 % har kapacitivt lägstavärde 2015 87 % har en minskad andel reaktiv effekt (Q/P), med i genomsnitt 5 % 0,35 kW genomsnittlig minskning av aktiv effekt per kund 0,13 kVAr genomsnittlig minskning av reaktiv effekt per kund 24 Figur 22 – Exempel på nätstation trend mot lägre konsumtion av reaktiv effekt, men kunderna är fortfarande helt induktiva. Figur 23 – Exempel på nätstation trend mot lägre konsumtion av reaktiv effekt, men kunderna har blivit delvis kapacitiva och producerar reaktiv effekt. 25 Figur 24 – Exempel på nätstation där kundernas konsumtion av reaktiv effekt inte visar någon tydlig trend jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec 2009 1 0 3 9 11 13 18 17 14 7 6 0 2010 -4 -1 2 7 8 14 19 17 12 7 3 -3 2011 -1 -1 2 9 11 15 17 16 14 9 6 4 2012 2 -1 4 6 12 13 16 17 14 8 5 0 2013 0 0 -1 6 12 15 18 17 13 10 6 4 2014 1 3 5 9 12 15 20 17 14 11 7 3 2015 2 1 4 Tabell 4 - genomsnittlig temperatur månadsvis 2009 - 2015 [12] Vid studier av variationer i elförbrukningen för hushåll över längre tid kan temperaturen vara en faktor som kan påverka mätningarna. I tabell 4 ser vi den genomsnittliga temperaturen för varje månad under perioden 2009 – 2015. 26 5.3 Kablar Från tillverkarnas tabeller och faktablad [13] hämtas värdena för den kapacitiva tomgångsströmmen. Tabell 5 visar att tomgångsströmmen är betydligt högre för en 132 kV-kabel än för en 50 kV-kabel, 6,8 respektive 2,5 A/km/fas. Dessutom ökar den reaktiva effekten med kvadraten på märkspänningen. Därmed inser vi att det genereras en större kapacitiv reaktiv effekt i en 132 kV-kabel än i en 50 kV-kabel. I tabell 5 visas en sammanställning av de 50 kV- och 132 kV-kablar som finns i Öresundskrafts nät idag. Kabel Nr Typ Area Längd (km) A/km/fas A/fas Q (MVAr) 132 kV Kabel 1 FCTJO 3 x 240 3,845 5,4 20,76 4,75 132 kV Kabel 2 FCTJO 3 x 240 3,809 5,4 20,57 4,70 132 kV Kabel 3 AXKJ 3 x 1 x 400 2,563 4,2 10,76 2,46 132 kV Kabel 4 AXKJ 3 x 1 x 400 3,565 4,2 14,97 3,42 132 kV Kabel 5 AXKJ 3 x 1 x 400 2,125 4,2 8,93 2,04 132 kV Kabel 6 AXKJ 3 x 1 x 500 2,855 4,6 13,13 3,00 132 kV Kabel 7 AXLJ 3 x 1 x 1200 0,165 6,8 1,12 0,26 132 kV Kabel 8 AXLJ 3 x 1 x 400 2,123 4,2 8,92 2,04 132 kV Kabel 9 AXLJ 3 x 1 x 1200 4,649 6,8 31,61 7,23 132 kV Kabel 10 AXLJ 3 x 1 x 1200 3,563 6,8 24,23 5,54 132 kV Kabel 11 AXLJ 3 x 1 x 1200 2,661 6,8 18,09 4,14 132 kV Kabel 12 AXLJ 3 x 1 x 1200 4,75 6,8 32,30 7,38 50 kV Kabel 13 FCTJO 3 x 240 2,186 5,7 12,42 1,08 50 kV Kabel 14 FCTJO 3 x 150 1,478 3,3 4,90 0,42 50 kV Kabel 15 FCTJO 3 x 240 1,984 4,0 8,00 0,69 50 kV Kabel 16 FCTJO 3 x 240 3,878 3,8 14,60 1,26 50 kV Kabel 17 AXKJ 3 x 1 x 300 1,398 2,5 3,50 0,30 50 kV Kabel 18 AXKJ 3 x 1 x 300 1,432 2,5 3,58 0,31 50 kV Kabel 19 AXKJ 3 x 1 x 300 0,41 2,5 1,03 0,09 50 kV Kabel 20 AXKJ 3 x 1 x 300 3,03 2,5 7,58 0,66 Total kapacitiv reaktiv effekt, maj 2015 (MVAr) 51,78 Tabell 5 - Egenskaper för befintliga kablar i Helsingborgsnätet 27 Öresundskrafts planerade uppgradering av kablarna i Helsingborgsnätet är inte klar ännu. I tabell 6 visas både de kablar som tillkommer och de som avgår efter 2015. När hela projektet är klart kommer de nya kablarna att generera ytterligare 11,70 MVAr kapacitiv reaktiv effekt. Kablarnas totala kapacitiva bidrag till den reaktiva effektbalansen kommer då att vara 51,78 + 11,70 ≈ 63,5 MVAr. Tillkommande kablar 2015 => Kabel Nr Typ Area Längd (km) A/km/fas A/fas Q (MVAr) 132 kV Kabel 21 AXLJ 3 x 1 x 1200 4,000 6,8 27,20 6,22 132 kV Kabel 22 AXLJ 3 x 1 x 1200 4,000 6,8 27,20 6,22 132 kV Kabel 14 AXLJ 3 x 1 x 1200 1,600 6,8 10,88 2,49 132 kV Kabel 18 AXLJ 3 x 1 x 1200 1,600 6,8 10,88 2,49 132 kV Kabel 20 AXLJ 3 x 1 x 1200 3,300 6,8 22,44 5,13 Tillkommande kapacitiv reaktiv effekt (MVAr) 22,54 Avgående kablar 2015 => Kabel Nr Typ Area Längd (km) A/km/fas A/fas Q (MVAr) 130 kV K1 FCTJO 3 x 240 3,845 5,4 20,76 4,75 130 kV K2 FCTJO 3 x 240 3,809 5,4 20,57 4,70 50 kV K7 FCTJO 3 x 150 1,478 3,3 4,90 0,42 50 kV K19 AXKJ 3 x 1 x 300 1,432 2,5 3,58 0,31 50 kV K22 AXKJ 3 x 1 x 300 3,03 2,5 7,58 0,66 Avgående kapacitiv reaktiv effekt (MVAr) 10,84 Total tillkommande kapacitiv reaktiv effekt 11,70 Tabell 6 - egenskaper för tillkommande och avgående kablar i Helsingborgsnätet 5.4 Transformatorer Förutom att en hel del kabel kommer att bytas ut kommer även fördelningen av transformatorer att se annorlunda ut när antalet fördelningsstationer i Helsingborgsnätet reduceras. För att få en uppfattning om hur mycket transformatorerna bidrar till den reaktiva effektbalansen i nätet har en grov överslagsberäkning gjorts. I beräkningarna antas att spänningen är lika med märkspänningen och att transformatorerna under ett värsta scenario sommartid är belastade med 30 % av märkeffekt. Resultatet blir att förändringen minskar den induktiva reaktiva effektförbrukningen i storleksordningen 2 MVAr. Före Efter Antal Storlek 𝑈! (kV) 𝑈! (%) Q (kVAr) Antal Storlek 𝑈! (kV) 𝑈! (%) Q (kVAr) 2 90 MVA 132 kV 14 % 1134 6 40 MVA 132 kV 14 % 504 2 40 MVA 132 kV 14 % 225 2 25 MVA 132 kV 10 % 225 10 25 MVA 50 kV 10 % 504 5526 Total induktiv reaktiv effekt efter Total induktiv reaktiv effekt före Tabell 7 - tillskott av reaktiv effekt till följd av färre transformatorer 28 3474 5.5 Filbornaverket – synkronmaskin I Öresundskrafts Helsingborgsnät finns ett kraftvärmeverk som producerar både el och fjärrvärme till Öresundskrafts kunder. Synkronmaskinen i Filbornaverket kan köras antingen över- eller undermagnetiserad och på så sätt bidra till både kapacitiv eller induktiv faskompensering i Helsingborgsnätet. I dagsläget körs den så gott som alltid undermagnetiserad för att på så sätt hjälpa till och minska kapacitiviteten i nätet. Synkronmaskinen kan faskompensera för ca 5 MVAr antingen induktivt eller kapacitivt. 5.6 Lågenergilampor För att få en bättre förståelse för den förändring som verkar ske, där kunderna blir allt mindre induktiva och alltså förbrukar mindre reaktiv effekt, har ett antal mätningar på lågenergilampor tidigare utförda av en anställd på Öresundskraft analyserats. En stor del av den elektriska utrustning som kopplas till elnätet utvecklas mot ett allt större innehåll av elektroniska komponenter i jakten på framför allt energieffektivisering. Detta gäller inte minst belysning där den rent resistiva glödlampan får lämna över till olika typer av lågenergilampor som alla har det gemensamt att de alla kräver en mängd elektronik för att fungera. Lågenergilampans ström- och spänningskurvor kan därför användas för att förklara vad det är som orsakar en del av förändringen i det reaktiva effektbehovet. Det finns en uppsjö olika tekniker, märken och modeller av lågenergilampor som alla verkar ha liknande karaktäristik. I figur 23 visas några lampor som är representativa för lågenergilampor i allmänhet. Kurvan för spänning är i stort sett sinusformad, men är lite tillplattad i toppen, vilket tyder på att lampan innehåller en kapacitans som laddas som mest när spänningen närmar sig toppvärdet. Strömmens kurvform är till skillnad från glödlampan inte sinusformad utan är ganska spetsig och ligger före spänningen. Det vill säga att den har en kapacitiv fasvinkel. Figur 25 – Exempel på ström- och spänningskurvor för lågenergilampor 29 5.7 Ekonomi Kalkylränta: 6 % Kalkylperiod: 30 år Förlustpris effekt: 155 kr/kW Förlustpris el: 30 öre/kWh Abonnemangspris inmatning: 33 kr/kVAr/år Abonnemangsbehov: 30500 kVAr Årlig kostnad för abonnemang: 1006500 kr Planerad storlek på kompensation: 40 MVAr Belastningsgrad: !"#"" !"""" = 76 % Belastningens utnyttjningstid: 2000 h Förlusternas utnyttjningstid: 8760 ∙ 0,13 ∙ !""" !"#$ + 0,87 !" !"#$ = 657 ℎ ∙ 657 ∙ 0,76! = 12283 𝑘𝑟 Pcu: 0,15 % = 60 kW => 60 ∙ 155 + Pfe: 0,05 % = 20 kW => 20 ∙ 20 ∙ 115 + 20 ∙ !"" !""" ! !" !"" ∙ 8760 = 55660 𝑘𝑟 Investering reaktor Abonnemang Reaktor: 10 Mkr 𝑘!"# = Ställverk: 2,5 Mkr 𝑁𝑈𝑆 = (12283 + 55660) ∙ 𝑘!"# ≈ 0,9 𝑀𝑘𝑟 𝑁𝑈𝑆 = 1006500 ∙ 𝑘!"# ≈ 13,9 𝑀𝑘𝑟 Totalt: 13,4 Mkr Totalt: 13,9 Mkr 30 ! !!" ) !"" ! !! !! !"" !!(!! = 13,76 6 Analys/diskussion Totalt producerar Öresundskrafts 132 kV- och 50 kV-kablar i dagsläget nästan 52 MVAr kapacitiv reaktiv effekt. Eftersom 132 kV-kablarna genererar i storleksordningen 7 gånger mer reaktiv effekt än de 50 kV-kablar de ersätter, ökar alltså den reaktiva effektgenereringen och nätet blir allt mer kapacitivt ju mer kabel som byts ut. Öresundskrafts uppgradering av Helsingborgsnätet kommer att fortsätta och ytterligare knappt 12 MVAr reaktiv effektgenerering tillkommer framöver. I det uppgraderade Helsingborgsnätet finns betydligt färre transformatorer än tidigare. De grova överslagsberäkningar som gjorts tyder på att det minskade antalet transformatorer endast bidrar marginellt till den ökade kapacitansen i nätet. Förändringen minskar den reaktiva effektkonsumtionen i storleksordningen 2 MVAr, vilket motsvarar mindre än två kilometer utbytt kabel eller 3 % av kablarnas totala reaktiva tillskott. Öresundskrafts misstankar om att kunderna ändrat förbrukningskaraktär verkar vara befogade och det finns en genomgående trend hos hushållskunderna mot en minskad induktivitet. Av de analyserade mätningarna visar ca 94 % en tydlig trend mot att bli allt mindre induktiva under perioden 2010-2015. I 15 % av fallen har kunderna blivit helt eller delvis kapacitiva. I en del av fallen minskar förbrukningen av såväl aktiv som reaktiv effekt. Det ligger därför nära till hands att tro att den minskade reaktiva förbrukningen kommer av en minskning i lasten, men eftersom 87 % av nätstationerna har en minskad andel reaktiv effekt i förhållande till den aktiva effekten (Q/P) tyder det på en förändrad fasförskjutning. Denna förändring beror förmodligen på den ökade användningen av kraftelektronik i olika apparater. Allt fler apparater förses dessutom med ett EMC-filter som är kapacitivt. Vädret är en faktor som inte kan försummas när elförbrukningen studeras över en längre tid. I tabell 4 framgår det att 2010 hade den lägsta genomsnittstemperaturen för januari och 2015 hade en av de högsta för perioden. Vid en analys av mätvärdena verkar trenden mot en minskad förbrukning av reaktiv effekt vara i det närmaste linjär och beror troligen inte på den högre medeltemperaturen. För detta talar även att andelen reaktiv effekt minskar. I genomsnitt har förbrukningen av aktiv effekt sjunkit med 0,35 kW/kund och reaktiv effekt sjunkit med 0,13 kVAr per kund. Enligt SCB finns det ca 42000 lägenheter och ca 23000 villor i Helsingborg. Om de uppmätta genomsnittsvärdena extrapoleras för alla hushåll i Helsingborg innebär det en minskning av den aktiva effekten med nästan 23 MW och av den reaktiva effekten med 8,5 MVAr. Hushållens nettotillskott till den reaktiva effektbalansen är lika stort som 13 % av vad de uppgraderade kablarna ger. När det gäller hushållskundernas förändring mot att bli allt mer kapacitiva är det svårt att göra någonting konkret. Det gäller givetvis att vara medveten om problemet och följa utvecklingen för att se om det fortsätter i samma takt eller förändras. I de första mätningarna som gjordes i undersökningen tycktes det finnas en tydlig tendens där nyare villor och lägenheter verkade vara kapacitiva, men äldre villor och lägenheter verkade vara induktiva. Det är nog inte orimligt att utgå från att det förhåller sig så, men att det kan finnas gott om undantag. Vid nyproduktion installeras moderna och energisnåla apparater som vitvaror, ventilation, belysning, uppvärmning och så vidare, som i princip alla innehåller kraftelektronik i någon form. Att äldre villor och lägenheter är induktiva skulle i så fall kunna orsakas av äldre värme och ventilationssystem, vitvaror, värmepumpar och andra apparater som inte innehåller så mycket kraftelektronik. Äldre lägenheter 2 verkar vara ett undantag från detta antagande eftersom hushållen trots de äldre husen är induktiva. En teori som kan förklara detta är att området består av bostadsrätter som är mycket populära bland yngre par och familjer och att det i många fall 31 gjorts omfattande renoveringar under senare år. Nyare villor 2 är också ett undantag där villorna är kapacitiva, men där värmepumparna ser ut att vara en induktiv last. Villor med gasvärme och villor med värmepumpar är i stort sett identiska, men visar ingen tydlig skillnad i reaktiv effektbalans trots de olika uppvärmningsformerna. I detta fall kan den varma väderleken påverkat elförbrukningen och minskat skillnaderna. Bland företagskunderna finns inte samma tydliga trend som hos hushållskunderna. Nästan hälften av företagen visar ingen trend alls utan har en i princip oförändrad förbrukning under perioden 2010-2015. Endast en tredjedel av företagen visar på en minskad induktivitet. Det är inte så säkert att dra några slutsatser av företagskundernas reaktiva effektbalans eftersom många har kompensationsutrustning som kopplas in och ur. Den markanta skillnaden i reaktiv effektbalans mellan Hemelektronikvaruhus 1 och Hemelektronikvaruhus 2 är intressant och beror sannolikt på skillnader i belysningsanläggningarna eftersom utbudet av TV-apparater och annan elektronik är i stort sett identiskt. Denna teori stöds också av att Detaljhandel är så likt Hemelektronikvaruhus 1 trots total avsaknad av elektronik. Slutsatsen blir alltså att det kan vara mycket stora skillnader i hur olika belysningstyper påverkar den reaktiva effektbalansen. Resultatet från mätningarna på Hemelektronikvaruhus 1 visar att de producerar ca 20 kVAr kapacitiv reaktiv effekt under affärens öppettider. Det kan verka mycket, men jämfört med att en kilometer uppdaterad kabel genererar ca 1,2 MVAr skulle det motsvara 60 st Hemelektronikvaruhus 1. När mätdata från de företagskunder som har fast installerade mätare studerats har några fall upptäckts där företag vid något tillfälle kopplat in ett kondensatorbatteri och sedan glömt bort eller någon anledning låtit bli att koppla ur det när det inte behövs. Naturligtvis kan detta vara ett problem för Öresundskraft eftersom de får betala dyrt för inmatningen av reaktiv effekt till regionnätet. Efterhand som kablarna står för en allt större del av den totala produktionen av reaktiv effekt kan det tyckas spela allt mindre roll vad företagen matar in. Men med ett räkneexempel ser vi att om Öresundskrafts inmatning till regionnätet ligger precis på gränsen kan t.ex. ett kondensatorbatteri på 200 kVAr i värsta fall kosta 200 kVAr * 132 kr/kVAr = 26400 kr i straffavgift för överinmatning. Den kostnaden bör rimligtvis föras över till företaget som inte kopplat ur sitt kondensatorbatteri. Det finns förmodligen möjligheter att med enkla medel förbättra både såväl interna rutiner som dialogen med företagen för att få bättre kontroll på att de befintliga kondensatorbatterierna används så att Öresundskraft har bästa möjliga nytta av dem. Vid de tidpunkter på året när produktionen av reaktiv effekt är ett problem i Öresundskrafts nät, bör induktiva kunder kunna nyttjas för att förbättra nätets reaktiva effektbalans. Genom förbättrad mätning av reaktiv effekt hos kunderna kan Öresundskraft kontrollera att ingen inmatning sker utöver det som är avtalat. Eftersom Öresundskraft tidigare haft nytta av den reaktiva effekt som matats in på lokalnätet har kontrollen av inmatning historiskt sett inte varit lika viktig. I takt med att både kunderna och framför allt elnätet som helhet ändrar karaktär är det viktigt för Öresundskraft att följa med i utvecklingen så att onödiga kostnader eller förlorade intäkter kan undvikas. Avtalen med företagskunder kan bli mer tydliga när det gäller uttag, men framför allt inmatning av reaktiv effekt och en tariff för inmatning, liknande den i E.ONs abonnemang, skulle kunna ge 32 kunder med effektabonnemang ekonomiska incitament att vara mer noggranna med sin reaktiva effektbalans. Som situationen är idag och eftersom en stor del av den tillkomna genererade effekten är permanent i form av nya eller uppgraderade högspänningskablar anser jag att det är lämpligt att investera i en anläggning för i första hand induktiv faskompensering. Eftersom behovet av faskompensering varierar kan det vara lämpligt att välja en Variable Shunt Reactor som kan regleras med lindningsomkopplare på liknande sätt som en transformator. Kalkylen beräknas på ett 30,5 MVAr inmatningsabonnemang, med samma avgifter som idag och med en 40 MVAr VSR. Kalkylen visar att skillnaden mellan alternativen inte är så stora. Det finns dock en betydligt större osäkerhetsfaktor när det gäller alternativet att fortsätta med inmatningsabonnemanget. Förutom att priserna för el och aktiv effekt kan påverka i båda alternativen, finns det även en risk i att både priserna och villkoren i inmatningsabonnemanget förändras över tid. Därför bör alternativet att investera i egen kompensationsutrustning vara det mest fördelaktiga ur ett långsiktigt perspektiv. Det är inte alltid så lätt att veta vad som undersöks i en mätning. I två mätningar, Äldre lägenheter 2 och Äldre villor 1, har mätningarna troligtvis innehållit någon form av gatubelysning förutom de hushåll som var meningen att undersöka. Detta påverkar givetvis validiteten i undersökningen och på samma sätt som i dessa exempel går det inte heller att vara helt säker på att det är endast är hushållskunder i övriga mätningar. Det kan mycket väl finnas samfällighets- eller bostadsrättsföreningar som har gemensamma anläggningar för exempelvis ventilation och belysning. Mer likartade mätningar vid ett flertal mättillfällen utspridda över året hade kunnat öka reliabiliteten i undersökningen eftersom kundernas förbrukning kan variera mycket beroende på exempelvis uppvärmning och belysning. 33 7 Slutsatser Under senare år har Öresundskrafts reaktiva effektbalans, framför allt i Helsingborgsnätet, förändrats och de har nu en situation med stort överskott av reaktiv effekt under vissa perioder. Uppgraderingen av kabelnätet i Helsingborg är det som ger störst tillskott till den reaktiva effektbalansen. Denna förändring är bestående och kommer dessutom att öka ytterligare något innan projektet är slutfört. Totalt kommer kablarna att tillföra 63 MVAr till den totala reaktiva effektbalansen i Helsingborgsnätet. Det minskade antalet transformatorer bidrar endast marginellt till förändringen i den reaktiva effektbalansen och motsvarar inte mer än ca två kilometer uppdaterad kabel. Det går att se en tydlig trend där hushållskunder förbrukar allt mindre effekt, både aktiv och reaktiv och där vissa till och med börjat producera reaktiv effekt. Så många som 94 % visar en minskad förbrukning av reaktiv effekt. Att även andelen reaktiv effekt i förhållande till aktiv effekt minskar hos en stor del av hushållskunderna tyder på en förändrad fasförskjutning. Anledningen till denna förändring förklaras av att det blir allt vanligare att apparater i våra hem innehåller kraftelektronik av olika slag. Dessutom förses allt fler apparater med EMC-filter som är kapacitiva. Hushållskundernas förändring mot att bli allt mer kapacitiva är svårt att påverka och förutse, men för Öresundskraft är det viktigt att följa utvecklingen och att se om förändringen fortsätter i samma takt. Bland företagskunder går det inte att se samma tydliga trend som för hushållskunderna. Ungefär hälften av kunderna visar en ökad förbrukning av såväl aktiv som reaktiv effekt, samtidigt endast en tredjedel visar på en trend mot minskad förbrukning av såväl aktiv som reaktiv effekt. Trots detta har hälften av företagskunderna en minskad andel reaktiv effekt i förhållande till den aktiva effekten. Det är vanskligt att dra några slutsatser om hur företagskundernas reaktiva effektbalans förändrats eftersom många har faskompensationsutrustning som kopplas in och ur. Till viss del kan Öresundskraft förmodligen förbättra sin reaktiva effektbalans genom bättre rutiner för hur befintliga kondensatorbatterier kopplas in och ur. Genom förbättrad mätning av reaktiv effekt för företagskunderna kan Öresundskraft kontrollera att ingen inmatning sker utöver vad som är avtalat. Avtalen med företagskunder kan bli tydligare framför allt gällande inmatning av reaktiv effekt och en tariff för inmatning, liknande den i E.ONs abonnemang, skulle ge kunder med effektabonnemang ekonomiska incitament att vara mer noggranna med sin reaktiva effektbalans. En del av förändringarna i Öresundskrafts reaktiva effektbalans mot regionnätet är bestående. På lång sikt bör därför en investering i en faskompensationsutrustning av typen Variable Shunt Reactor (VSR) vara ett mer fördelaktigt alternativ än att fortsätta med det inmatningsabonnemang som idag finns med E.ON. 34 8 Referenser [1] Hans Blomqvist, Ed., Elkraftsystem 2, Tredje upplagan ed. Stockholm, Sverige: Liber, 2012. [2] ABB. (2015, maj) abb.com. [Online]. http://new.abb.com/facts/statcom [3] Anders Cronqvist, Elmaskiner s. 94-95, Anders Cronqvist, Ed. Kina: Liber AB, 2012. [4] Math Bollen. (2015, maj) http://vimeo.com/elkraft. [Online]. https://vimeo.com/album/2510382/video/73461846 [5] E.ON, E.ON normalleverans, januari 1, 2014. [6] Öresundskraft. (2015, maj) www.oresundskraft.se. [Online]. http://oresundskraft.se/foeretag/produktertjaenster/elnaet/elnaetspriser/lokalnaet/effektabonnemang/ [7] Öresundskraft. (2015, maj) www.oresundskraft.se. [Online]. http://oresundskraft.se/media/48066/elnat_allmannaavtalsvillkor_nat2012h_130505.pdf [8] Landis & Gyr, ZMD300/ZMD400/ZFD400 -Functional Description.: Landis & Gyr, Utdrag ur manual skickat från mätbolaget. [9] Energimyndigheten. (2015, maj) www.energimyndigheten.se. [Online]. https://www.energimyndigheten.se/Foretag/Energieffektivisering-i-foretag/Finansiering-ochinkop/Livscykelkostnad/ [10] Dranetz-BMI, Power Xplorer PX5 users guide. New Jersey, USA: Dranetz-BMI, 2005. [11] Bo Johansson & Per-Olof Svedner, Examensarbetet i lärarutbildningen. Uppsala, Sverige: Kunskapsförlaget i Uppsala AB, 2001. [12] SMHI. (2015, maj) www.smhi.se. [Online]. www.smhi.se/klimatdata/meterologi/temperatur/1.809 [13] ABB, XLPE Cable Systems - User's guide. Västerås, Sverige: ABB, 2005, Dessutom diverse datablad från kabelleverantörer från åren 1940 - 1990. 35 36
© Copyright 2024