INOM
EXAMENSARBETE ELEKTROTEKNIK,
GRUNDNIVÅ, 15 HP ,
STOCKHOLM SVERIGE 2020
Batteridrivna gruvmaskiner och
dess påverkan på elkvalitet
Battery powered mining machines
and their effect on the electricity
quality
AXEL SÖDERBERG
KTH
Batteridrivna gruvmaskiner och dess
påverkan på elkvalitet
Battery powered mining machines and
their effect on the electricity quality
Axel Söderberg
Examensarbete inom Elektroteknik Grundnivå, 15hp
Handledare på KTH:Lars Olov Carlheim och Gunno von Zweigbergk Examinator: Elias Said
TRITA-CBH-GRU-2020:047 KTH
Sammanfattning
Detta examensarbete utfördes i samarbete med LKAB. I LKAB:s produktion används idag dieseldrivna lastbilar och hjullastare. För att minska sina koldioxidutsläpp är ambitionen att byta ut dessa mot batteridrivna fordon. När mer och mer elektrisk utrustning börjar användas i gruvan uppstår frågor om hur detta kommer att påverka elkvaliten. I dagsläget utförs mätningar av elkvaliten på LKAB, men några djupare analyser av elkvaliten görs sällan. Målet med detta arbete är att analysera hur batteriladdning kommer att påverka elkvaliten i LKAB:s testgruva Konsul. Detta kommer förhoppningsvis hjälpa till att lägga grunden för fortsatt arbete med elkvalitet inom LKAB.
Studien inleds med en teoretisk beskrivning av elkvalitet och hur den kan mätas. Fokus har lagts på spänningövertoner och total harmonisk distorsion (THD) eftersom de är de mest relevanta måtten för de laddare som rapporten berör. Mätningen av elkvaliteten har utgått från Energimarknadsinspektionens föreskrift EIFS 2013:1 och standarden IEC TR 61000-2-6:1995 från Internationella Elektrotekniska Kommissionen (IEC).
I studien simuleras övertonsstörningar i testgruvan Konsul i programmet NEPLAN. Dessa störningar jämförs, både med de tidigare nämnda standarderna och med de redan befintliga övertonsstörningar, som finns i LKAB:s elnät.
Resultatet visar att de övertoner som genereras av en enskild batteriladdare befinner sig inom de krav som ställs i standarderna. Det visade också att övertonerna som genererades av laddarna skilde sig från de övertoner som finns i LKAB:s elnät under normala omständigheter. Laddarnas inverkan på elkvaliteten visade sig visserligen vara liten, men ändå så pass stor att den kommer att behöva tas i beräkning när elektrifieringen av gruvan fortsätter.
Nyckelord
Abstract
This bachelor's thesis was done in collaboration with LKAB. LKAB are currently using diesel powered trucks and wheels loaders in their production. In order to reduce their carbon dioxide emissions, the diesel powered vehicles are planned to be replaced by battery driven vehicles. When more electrical equipment is used in the mine, questions about their effect on power quality arises. In the current situation power quality measurements are being done, however the data is rarely analysed. This thesis aims to analyse how battery charging may affect the power quality in LKABs test mine Konsul. This will hopefully help lay the foundation for future power quality work within LKAB.
The thesis starts with a theoretical description of power quality and how it can be measured. The focus has been placed on voltage and current harmonics and the Total Harmonics Distortion (THD) since it is considered to be one of the most important measurements of power quality. The measurement of power quality is based on the Swedish energy markets inspectorate’s regulation EIFS 2013:1 and the IEC TR 61000-2-6:1995 standard from the International Electrotechnical Commission (IEC)
A simulation of harmonic distortion have been done in the program NEPLAN. The distortion is compared with both with the above-mentioned standards as well as with already existing harmonic distortions within LKAB:s power gird. The result shows that the harmonic distortion caused by the chargers is well within the boundaries set by the standards. It also shows that the harmonics generated by the chargers where different from the harmonics that currently presents in LKAB:s power grid. The chargers effect on the power quality is small but needs to be taken into consideration when the electrification of the mine continues.
key words
Förord
Detta examensarbete har utförts på uppdrag av LKAB och är det avslutande momentet i högskoleingenjörsutbildningen i Elektroteknik på KTH. Arbetet kräver grundläggande kunskap inom ellära, elkraftteknik och signalbehandling.
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Uppdragsgivaren ... 1
1.1.1 Agenda 2030 ... 2
1.1.2 SUM – Sustainable Underground Mining ... 2
1.1.3 SIMS – Sustainable Intelligent Mining Systems ... 2
1.2 Problemformulering ... 3
1.3 Målsättning ... 3
1.4 Avgränsningar ... 3
2 Teori och bakgrund ... 5
2.1 Positiv, negativ och nollsekvens ... 5
2.2 Övertoner ... 6
2.3 THD - Total Harmonic Distoriton ... 6
2.4 Elkvalitet och standarder ... 7
2.4.1 EIFS 2013:1 ... 7
2.4.2 IEC 61000-3-6 ... 9
2.5 Batteriladdning ... 9
2.6 Likriktning ... 11
2.7 Tidigare arbeten... 11
3 Metod och genomförande ... 13
3.1 Arbetsprocessen ... 13
3.2 Val av elkvalitetsparametrar... 13
3.3 Testgruvan Konsuln ... 13
3.4 Simuleringar ... 14
3.5 Befintliga störningar i LKAB:s nät ... 15
3.6 PQ secure... 15
3.7 NEPLAN ... 15
4 Resultat ... 17
4.1 Spänningsövertoner ... 17
4.1.1 Jämförelse med standarderna ... 19
4.1.2 Jämförelse med befintliga övertoner ... 21
4.2 Strömövertoner ... 22
5 Analys och diskussion ... 25
1
1 Inledning
I Norrbottens län äger och driver det statliga företaget LKAB ett flertal gruvor. I gruvorna utvinns järnmalm som omvandlas till pellets. Denna produktion genererar mycket koldioxidutsläpp och det finns idag flera planer på hur dessa ska minskas. En av dessa är att byta ut de dieseldrivna produktionsmaskiner som idag används i gruvorna mot batteridrivna maskiner. De maskiner som planeras att bytas ut är en typ av anläggningsbil och en typ av hjullastare, se figur 1.
Figur 1 - De maskiner som kommer att drivas med batterier. Till vänster anläggningsbilen MT42 och till höger ST18, båda från Epiroc
1.1 Uppdragsgivaren
LKAB står för ”Luossavaara Kiirunavaara Aktiebolag”. Företaget är en gruvdriftskoncern som ägs av svenska staten och har sedan 1890 bedrivit järnmalmsbrytning i Norrbottens län. Förutom att äga och driva ett flertal gruvor äger LKAB också pelletverk, där järnmalmen omvandlas till pellets, som sedan säljs vidare.
2
1.1.1 Agenda 2030
Agenda 2030 kallas de mål som FN satt upp för att uppnå en hållbar utveckling [1]. Målen antogs 2015 och planeras vara uppnådda till 2030. Målen kan delas in i sociala, ekonomiska och miljörelaterade mål. Figur 2 visar de olika målen.
Figur 2 - FN:s sjutton globala mål för hållbar utveckling
LKAB ställer dig bakom samtliga av FN:s mål för hållbar utveckling [2]. Kärnverksamheten är däremot starkare kopplad till några specifika mål. Dessa är mål 5,7,8,9,11,13,15 och 17. Detta arbete är fokuserat på teknik som eventuellt kommer att tillämpas och är därför mer relaterat till mål 9 och 13.
1.1.2 SUM – Sustainable Underground Mining
SUM är ett samarbetsprojekt mellan LKAB, ABB, Epiroc, Combitech och Volvokoncernen. Målet med SUM är att dessa företag tillsammans ska bedriva teknisk utveckling som ska leda till en mera hållbar gruvdrift. Projektet har fått statligt stöd och den 30 mars 2020 kunde LKAB meddela att man beviljats ett finansiellt stöd på 207 miljoner SEK från Energimyndigheten för SUM initiativet [3].
1.1.3 SIMS – Sustainable Intelligent Mining Systems
SIMS är ett delprojekt av EU-projektet Vision 2020, som syftar till att främja teknisk utveckling inom Europa genom att ge ekonomiskt stöd till projekt som bedriver teknisk utveckling [4]. Vision 2020 har en budget på nästan 80 miljarder euro. Av dessa har 12,7 miljoner euro gått till SIMS. SIMS har även fått 3,5 miljoner i stöd från andra källor [5]. Målen för SIMS enligt Europeiska kommissionen är, på engelska, följande.
• Efficiency – To increase resource efficiency and competitiveness
• Safety – To reduce the risk of rock falls and exposure of workers to hazardous situations • Environment – To minimize environmental impact of mining operations
• Trust – To increase public trust, awareness and acceptance for mining
3
1.2 Problemformulering
Med LKAB:s engagemang i SIMS och SUMS som grund framgår det tydligt att det finns en vilja att förbättra företagets hållbara utveckling, och därför görs nu tester med batteridrivna fordon.
I ett tidigare arbete från Lunds universitet visas att batteridrivna fordon genererar färre koldioxidekvivalenter under sin livstid jämfört med fordon som drivs med förbränningsmotorer, även när produktionen av batterier och förväntad livslängd togs med i beräkningen [6]. Trots de positiva effekter som batteridrivna fordon har på koldioxidutsläppen, kan dessa påverka ett elnäts elkvalitet negativt [7]. Innan de batteridrivna produktionsmaskinerna implementeras i gruvan är det därför önskvärt att göra en studie i hur dessa kan tänkas påverka elkvaliten. Problemformuleringen definierades som följande.
”Hur påverkar laddningen av batteridrivna fordon elkvaliteten i elnätet hos LKAB:s testgruva ”Konsuln”
1.3 Målsättning
Målet med studien var följande:
1. Undersöka hur elkvalitet kan mätas och hur laddning av fordonsbatterier påverkar elkvaliten
2. Relatera elkvaliten till en eller flera standarder/regelverk
3. Jämföra elkvalitetstörningar orsakade av batteriladdarna med befintliga elkvalitetstörningar i nätet
4. Föreslå fortsatta fördjupningsområden för fortsatt arbete med elkvalitet
1.4 Avgränsningar
5
2 Teori och bakgrund
I detta kapitel presenteras den teori som anses relevant för att få en full förståelse för vad som utförts. Teorin beskriver vad övertoner är och varför de kan orsaka problem. I 2.4 beskrivs även två standarder som kan användas för att mäta elkvalitet.
2.1 Positiv, negativ och nollsekvens
I ett balanserat trefassystem är summan av fasspänningen alltid noll [8]. Detta beror på att faserna är 120° förskjutna i förhållande till varandra. Elnätets tre spänningar benämns ofta U1, U2 och U3. Om U1 är referensspäningen så är U2, 120 graders fasförskuten och U3, 240 graders fasförskjuten gentemot U1. Detta kallas för positiv sekvens. Om U2 och U3byter plats kallas det istället för negativ sekvens. Alla tre faser kan också ligga i fas dvs att det inte finns någon inbördes fasförskjutning. Detta kollas för nollsekvens. En grafisk representation av detta finns i figur 3.
Figur 3 – De tre olika fasföljderna som ett trefassystem kan ha. Till vänster visas positiv sekvens, i mitten negativ sekvens och till vänster nollsekvens
Om ett trefassystem med en bestämd grundfrekvens multipliceras med ett heltal kommer faserna att byta ordning. Detta visas i figur 4. Om systemet från början har positiv sekvens så kommer den första övertonen ha negativ sekvens, den andra övertonen nollsekvens, tredje positivsekvens, fjärde övertonen negativ sekvens och så vidare.
6
2.2 Övertoner
Växelspänningen i ett elnät är inte alltid en perfekt sinusformad våg. I många fall uppstår deformationer som beror på övertonsstörningar. Övertonerna som orsakar störningarna är multipler av grundfrekvensen i nätet. Om grundfrekvensen är 50 Hz är alltså de första övertonerna 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz och så vidare. Oftast är de mest intressanta övertonerna de udda multiplerna av tre. Alltså ton nummer 3,6,9,12 osv. Anledningen till att tremultiplar är viktigare än övriga multipler beror på två saker. För det första är udda övertoner vanligare i ett trefassystem. Dessutom så får tredje multipeln av ett system som från början har positiv sekvens, nollsekvens. I ett system med nollsekvens är summan av de tre faserna inte noll utan amplituderna summeras. Detta kan skapa oönskade spänningar och strömmar i elnätet. Exempelvis kommer en Y-kopplad lasts nollpunkt inte längre att ha nollpotential.
Övertonsstörningar uppkommer vid laster som har ett ojämnt förhållande mellan hur mycket spänning och hur mycket ström den förbrukar, denna typ av last kallas för en olinjär last. De laster som innehåller dioder och tyristorer är vanliga olinjära laster. Till dessa tillhör AC-DC likriktare, som används bland annat vid laddning av fordonsbatterier. En hög andel övertoner i nätet kan bland annat orsaka en förkortad livslängd och maskinhaveri. [9]
I en del litteratur används begreppet överton istället för ton. Överton refererar till en multipel av grundtonen. Första övertonen är alltså grundtonen gånger två. Denna ton kan också kallas för andra tonen, eller andra frekvensen. I standarden EIFS 2013:1 defineras gränser för övertoner men numreringen beskriver tonnummer.
2.3 THD - Total Harmonic Distoriton
För att mäta hur mycket en signal påverkas av övertonsstörningar använts THD, Total Harmonic distortion. THD kan beskrivas med följande samband.
𝑇𝐻𝐷
%=
√∑
𝑈
𝑛2 ∞
𝑛=2
𝑈
1∗ 100
Formel 1 - total harmonic distortion i procent
𝑈𝑛− 𝑛: 𝑡𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑣𝑣ä𝑟𝑑𝑒) 𝑈1 = 𝑓ö𝑟𝑠𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑣𝑣ä𝑟𝑑𝑒)
7
2.4 Elkvalitet och standarder
Det finns ett flertal olika standarder för vilka parametrar som ska mätas vid arbete med elkvalitet och inom vilka gränser dessa ska befinna sig. En kort beskrivning av vad elkvalitet är ges av elsäkerhetsverket, som säger att ”Elkvalitet innebär att elanvändaren kan använda elen utan störningar eller avbrott” [11]. Denna definition kommer att göras bredare med hjälp av två olika föreskrifter. Dessa är Energimarknadsinspektionens författning EIFS 2013:1 [12] och IEC TR 61000-2-6 från Internationella Elektrotekniska Kommissionen, IEC.
2.4.1 EIFS 2013:1
EIFS standard följs i stor utsträckning av LKAB, eftersom den också används av nätleverantören till gruvan. Standarden definierar sju parametrar för att uppnå god elkvalitet. Dessa är enligt följande.
• Långsamma spänningsändringar
Samtliga tiominutersvärden av spänningens effektivvärden ska ligga inom ±10% av referensspänningen
• Övertoner
Standarden ställer krav på hur stor amplituden av varje överton får vara. Amplituden anges i procent och om huvudspänningen då är 6 kV så får överton 5 max vara 6% av det värdet, dvs 0,36 kV. Alla relativa övertonshalter går att se i tabell 1. Tabellvärdena gäller för spänningar upp till 36 kV och inget tiominutersvärde av den totala övertonshalten (THD) får vara större än eller lika med 8%.
8 • Spänningsosymmetri
Spänningsosymmetri innebär att effektivvärdena och/eller fasvinklarna mellan närliggande faser inte är lika. Detta mäts i procent, alltså om en fas har effektivvärdet 230 V så ska de andra faserna ha ett effektivvärde som är ± två procent. Alltså ska deras effektivvärde ligga mellan 225,4 och 234,6 V. Under en vecka får inget tiominutersvärde befinna sig utanför detta intervall.
• Kortvariga spänningssänkningar
Om referensspänningen i nätet är 45 kV eller lägre har nätleverantörer skyldighet att åtgärda dessa spänningssänkningar. Spänningssänkningarna delas in i olika områden beroende på tid och magnitud. Vertikalaxeln visar procent av huvudspänningen och den horisontella axeln visar hur länge denna spänningssänkning sker.
Figur 5 - Kortvariga spänningssänkningar enligt EIFS 2013:1
• Kortvariga spänningshöjningar
Spänningshöjningar behandlas på samma sätt som spänningssänkningar. Tabellen för hur områdena delas upp ses i figur 7. Enligt EIFS 2013:1 gäller denna tabell endast för spänningar upp till 1 kv. LKAB har trots detta valt att använda denna tabell.
Figur 6 - Kortvariga spänningshöjningar enligt EIDS 2013:1
9 spänningshöjning inträffar är fortfarande okänt eftersom den bara gäller upp till 1 kV medan LKAB tar mäter kortvariga spänningshöjningar vid en 6 kV ledning.
• Snabba spänningsändringar (RVC – Rapid Voltage Change)
För att en spänningsändring ska räknas som snabb måste förändringen var 0,5% per sekund och effektivvärdet måste stanna inom gränserna för spänningsvariationen. Det får inte förekomma fler än 24 snabba spänningsändringar per dygn.
2.4.2 IEC 61000-3-6
Internationella elektrotekniska kommissionen (IEC) är, som namnet antyder, en internationell kommission som ger ut standarder för elektrotekniska produkter och system. IEC består av representanter från olika länder där Svensk Elstandard (SEK) representerar Sverige. Standarden IEC 61000-3-6 berör hur övertoner ska mätas för att uppnå hög elkvalitet. Många övertoner stämmer överens med de som sätts upp i EIFS 2013:1. Dessutom är gränsen för THD densamma som i EIFS. Standarden täcker spänningar upp till 35 kV. Dessa gränser går att se i Tabell 2.
Tabell 2 - spänningsövertoner enligt IEC 61000-3-6
2.5 Batteriladdning
10 energitäthet än dess föregångare, vilket betyder att det går att lagra mycket energi utan att batteriet blir speciellt tungt. Litiumjonbatterier finns i olika utformningar beroende på vilken kemisk förening den positiva elektroden består av. Två av de karaktäriserande parametrarna för litiumjonbatterier är dess energitäthet som mäts i Wh/kg och ”Thermal runaway” som är ett mått på hur varmt batteriet kan bli innan en kemisk process startar, som orsakar en okontrollerad värmeutveckling i batteriet. I nedanstående tabell visas några av de vanligaste litiumjonbatterierna som använda i batteridrivna fordon.
Tabell 3 - Nominell spänning, energitäthet och Thermal Runaway för de tre vanligaste typerna av batterier
Batterityp Nominell spänning (V)
Energitäthet (Wh/kg) Thermal Runaway (°C) Litium-nickel-kobolt-aluminiumoxid (NCA) 3.60 260 150 Litium-nickel-mangan-koboltoxid (NMC) 3.70 220 210 Litium-järn-fosfat (LFP) 3.30 120 270
De enskilda battericellerna kopplas sedan ihop till att skapa större enheter, så kallade batteripack. Batteripacken kan utformas på olika sätt för att ge olika effekter. Ett batteripack innehåller förutom självaste battericellerna också ett Battery Manegment System (BMS). BMS övervakar bland annat batteriets uteffekt, temperatur och State of Charge (SOC).
Figur 7 - Från presentationen "Electrification Trends and Challenges in Underground mining" [13]
11
Figur 8 - Spänning och ström karaktäristik för ett litiumjonbatteri [14]
I skiftet mellan steg 1 och steg 2 är både strömmen och spänningen nära sitt maximala värde. Det betyder att batteriet laddar på nära full effekt.
2.6 Likriktning
Då batterierna laddas med likström är en viktig komponent i laddningsstationerna likriktaren. En likriktare kan designas på flera olika sätt beroende på i vilken situation den är tänkt att användas i. För detta arbete kommer de laddare som simuleras använda pulslikriktare. 12-pulslikriktare likriktare genererar övertoner i tonerna av ordningen 11, 13, 23, 25, 35, 37… [15].
2.7 Tidigare arbeten
I examensarbetet ”Inverkan av laddstolpar för elfordon i Jönköpings energis elnät” analyserar Benjamin Mooshtak bland annat de spänningsvariationer som uppstår i Jönköpings elnät när upp till 50% av invånarna byter från bilar med förbränningsmotorer till batteridrivna bilar [16]. I arbetet utförs simuleringar där fordonsladdare ansluts till antingen en och samma fas eller jämnt fördelade till de tre faserna i ett trefassystem. Simuleringarna utförs för ett flertal olika områden i Jönköping. Ett av dessa är området Dalvik, där 70 kunder simuleras att använda elbilsladdare på 1,85kW var. Resultatet visar att fasspänningen på 230 V varierar mellan 213 och 232. Detta ligger under den kritiska gränsen som ligger på 215 V.
13
3 Metod och genomförande
3.1 Arbetsprocessen
Följande punkter beskriver i korthet hur arbetet utförts. 4.2 fungerade som en reservplan ifall 4.1 inte gick att utföra.
1. Göra en studie av störningstyper och dess inverkan på elnätet.
2. Söka upp de standarder som finns och vilka krav de sätter på elkvaliten. 3. Undersöka eventuella störningar orsakade av batteriladdningen
4. Simulera dessa störningar i programmet NEPLAN antingen genom att 4.1. Simulera de störningar som identifierats
4.2. Simulera generella störningar i form av 4.2.1. Spänningstransienter
4.2.2. Spänningsövertoner
5. Jämföra dessa störningar med redan befintliga störningar i systemet 6. Ge förslag på åtgärder för störningarna
3.2 Val av elkvalitetsparametrar
Utifrån laddningsstationernas konstruktion valdes elkvalitetsparametrar. I många fall är laddarna utrustade med säkringar som förhindrar snabba spänningshöjningar. Dessutom finns det i elnätet i Konsuln reläer och jordfelsbrytare som också förhindrar spänningstransienter. Alltså återstår de övertoner som genereras av en 12-pulslikriktare som eventuell källa till elkvalitetsstörningar. Därav togs bestulet att analysera övertonsstörningar orsakade av laddarna. Elkvaliteten kommer att mätas i både individuella övertoner och total övertonsdistortion (THD). Dessa kommer att jämföras både mot EIFS 2013:1 och IEC 61000-3-6
3.3 Testgruvan Konsuln
14
Figur 9 - Överskådlig ritning över de olika ställverken i konsuln, varje rektangel representerar ett ställverk
Ställverken består i sin tur av transformatorer och laster. Figuren nedanför visar hur ett ställverk kan vara uppbyggt.
Figur 10 - Överskådlig ritning över de laster som kan finnas i ett ställverk, i detta fall är det ställverk UE52 på nivå 486
3.4 Simuleringar
För att analysera hur övertonerna propagerar i nätet gjordes simuleringar i programmet NEPLAN. Simuleringarna efterliknar de verkliga installationer som kommer att genomföras år 2020. Mätningarna som gjordes utgår från en av faserna, då elnätet till stor del är symmetriskt belastat.
Spänningsövertonerna mäts i procent av grundfrekvensen. Detta är möjligt att göra eftersom spänningen är förhållandevis stabil. Strömmarna varierar däremot mycket mer än vad spänningen gör. Det gör att det är opraktiskt att mäta strömövertoner i procent av grundfrekvensen. Stora variationer i strömförbrukning skulle då också orsaka stora variationer i strömövertoner. Därför mäts strömövertoner oftast i ampere, eller som procent mot ett förbestämt värde. I denna rapport mäts dem i Ampere.
För att analysera laddarnas beteende i olika situationer utfördes tre simuleringar. Dessa var enligt följande.
Simulering 1: En laddare på nivå 486, ställverk UE52
Simulering 2: En laddare på nivå 486, ställverk UE52 och en laddare på nivå 536, ställverk
15
Simulering 3: Denna simulering syftade till att testa hur många laddare som kunde installeras
innan någon överton blev större än vad de fick vara enligt standarderna.
I kapitel 2.6 beskrevs hur ett litiumbatteri laddas. Eftersom både strömmen och spänningen kan variera har simuleringarna utgått från ett ”värsta fall” scenario, dvs det läge då både spänningen och strömmen är som högst. I NEPLAN ställdes en effekt in på 345 kW och ett strömspektrum baserat på den typ av laddare som kommer att installeras. Simuleringarna har inte tagit hänsyn till långsamladdning utan utgår från att batterierna laddas med full effekt.
3.5 Befintliga störningar i LKAB:s nät
Förutom att jämföra övertonsstörningarna med EIFS 2013:1 och IEC 61000-3-6 jämfördes också övertonerna med redan befintliga övertonsstörningar i LKAB:s nät. Övertonsstörningarna togs från en elkvalitetsmätare som sitter vid ställverk CA50. Denna elkvalitetsmätare valdes eftersom det är den som sitter närmast de tänkta första installationerna. Det elektriska avståndet mellan elkvalitetsmätaren och de tänkta installationerna är däremot så pass stort att övertonsstörningar inte kommer att sprida sig så långt. Syftet var att undersöka ifall det finns liknande störningar för att kunna ge underlag för eventuella åtgärder mot dessa övertoner.
Vid ett annat ställverk som heter CA1 uppstod den 27 september 2017 mellan klockan 2:00 och 4:00 ovanligt stora övertonsstörningar. Datan för dessa samlades också in och jämfördes med simuleringsresultatet. Syftet med detta var att se om det fanns någon likhet mellan dessa störningar och de simulerade. Om det finns någon likhet så skulle eventuella åtgärder som användes för denna störning också kunna användas för störningarna orsakade av laddarna.
3.6 PQ secure
Alla verkliga mätningar är tagna från PQ secure. PQ secure är en programvara som ges ut av företaget UNIPOWER. Programmet syftar till att övervaka elkvaliteten och varna vid de störningar som kan förekomma i nätet. Programmets huvudfunktioner är, elkvalitetsövervakning, transientövervakning, belastningsövervakning, störningsskrivare automatiskt larm och automatiska analyser [18]. Varje uppmät storhet sparas som ett tiomintersvärde.
3.7 NEPLAN
17
4 Resultat
4.1 Spänningsövertoner
Simulering 1
I de nedanstående figurerna visas de individuella övertoner som genererats från fall 1, dvs en laddare på nivå 486. Resultatet visar tonerna 2 till 50 (alltså överton 1 till 49) och deras värde presenteras som procent av den totala spänningen. Tre mätningar har gjorts, en vid UE54, en vid CA25 och en vid CA27. Se figur 11 för förtydligande av ställverken. I tabell 2 visas den totala övertonsdistortionen (THD) vid de tre ställverken.
Figur 11 - Simuleringsfall 1, en laddare på nivå 486
Ställverk THD (%) UE52 0,9 CA25 0,2 CA27 0,2
18
Simulering 2
Nedanstående figur visar samma som vid simulering 1, men nu har en till laddare på nivå 536 placerats. Totalt används alltså två laddare, en vid nivå 486 och en vid nivå 536.
Figur 12 - Simulering 2, en laddare på nivå 486 och en på 536 Tabell 5 - THD för ställverken UE52, CA25 och CA27, vid simulering 2
19
Simulering 3
Nedanstående figur visar samma som vid simulering 1 men med sjutton laddare placerade på nivå 486.
Figur 13 - Resultatet av 17 laddare placerade på nivå 486 Tabell 6 - THD för ställverken UE52, CA25 och CA27, vid simulering 3
Ställverk THD (%) UE52 8,3 CA25 3,7 CA27 3,8
4.1.1 Jämförelse med standarderna
20
Simulering 1
Figur 14 – Övertonerna från simulering 1 och gränserna från standarderna Simulering 2
21
Simulering 3
Figur 16 - Övertonerna från simulering 3 och gränserna från standarderna
4.1.2 Jämförelse med befintliga övertoner
Jämförelse med normala förhållanden
Det simulerade resultatet jämfördes med de övertonsstörningar som finns i nätet under normala omständigheter. Övertonsstörningarna från nätet togs från perioden 4 maj 2020 kl 00:00:00 till 10 maj kl 23:59:59. Denna period valdes efter som den inte bestod av några ovanliga övertonstörningar. Ett medelvärde för varje överton beräknades och resultatet presenteras i figur 19. Korrelationskoefficienten mellan verkligheten och simuleringen är 0,14. Vilket visar på att det inte finns något samband.
22
Jämförelse med stora övertonsstörningar.
Den 27 september 2017 mellan kl 2:00 och 4:00 uppmättes det på CA1s 6 kV sida övertonsstörningar där THDn översteg 8%. Jämförelsen mellan medelvärdet av dessa och de simulerade övertonsstörningarna genererade från simulering 1 ses i figur 20. Korrelationskoefficienten mellan dess är 0,69.
Figur 18 - Simulerade övertoner (orange) och verkliga onormala övertoner (blått)
4.2 Strömövertoner
Eftersom det finns restriktioner angående vilken information tillverkare av laddningsstationer kan dela med sig av så analyseras inte strömövertoner från simulering ett, då det skulle gå att härleda laddningsstationens egna strömspektrum från dessa. I standarderna definieras inte heller vad som räknas som för höga strömövertoner, vilket betyder att simulering 3 inte kan utföras med hänsyn på strömövertoner. Alltså kommer enbart simulering 2 att utföras. Mätvärdena från simuleringen kommer från tre punkter som är markerade i nedanstående figur.
23
Simulering 2
Nedanstående figur visar resultatet för simulering av strömspektret. Figur 22 visa tonerna 2 till 50 (dvs överton 1 till 49). Värdet för dessa toner visas i Ampere istället för procent som det gjordes vid spänningsövertoner.
25
5 Analys och diskussion
Utifrån det utförda arbetet går det att dra slutsatsen att installationen av laddningsstationerna till en början kommer att kunna utföras utan större förhinder. I dagsläget planeras det att enbart att installera en eller eventuellt två laddningsstationer för att testa de batteridrivna fordonen. Arbetet visar att dessa kommer att ge en liten inverkan på elkvaliteten, men att denna inverkan är så pass liten att den inte kommer att orsaka några större problem med elkvaliten. Arbetet visar däremot att det finns en övre gräns på ungefär 17 laddare vid samma ställverk innan nätet börjar få problem med övertonsstörningar.
I arbetet gjordes valet att fokusera på övertonsstörningar. Detta val gjordes eftersom det ansågs vara en lämplig parameter för elkvalitet. Ett alternativ hade varit att analysera förändringar i spänningsnivån. Enligare ett tidigare examensarbete visar det sig att spänningsnivån kan påverkas av batteriladdare [16]. Anledningen till att spänningsnivåerna inte analyserades i detta arbete är för att det i norra Sverige produceras mer el än vad som förbrukas. Detta gör att elnätet blir mer resistent mot spänningssänkningar orsakade av en hög förbrukning.
Resultaten visade att några övertoner var starkare än andra. Dessa var övertonerna nummer 11, 13, 23,25,35,37,47 och 49. Dessa övertoner är karakteristiska för 12-pulslikriktare. Den största övertonen i simuleringarna ligger på 0,64% vilket är långt under gränsen på 3,5% som ställs på denna överton.
Det som däremot kan vara mer intressant är att övertonerna som genererades av laddarna inte sammanfaller med de övertoner som producerades vid normala förhållanden. Alltså kommer det gå att avläsa när problem från batterierna uppstår genom att kolla på exempelvis tonerna 11 och 13..
27
6 Slutsatser
Arbetet har gett en första inblick i ett förhoppningsvis fortsatt elkvalitetsarbete. Det har visat att installationen av en eller två batteriladdare inte kommer att orsaka några större problem med elkvaliteten. Däremot kommer det att kunna orsaka problem när flera batteriladdare installeras. I dagsläget använder sig LKAB av filter som kan anslutas till elektrisk utrustning för att filtrera bort övertonsstörningar orsakade utrustningen. Denna typ av filter skulle kunna anslutas till batteriladdarna för att möjliggöra att flera laddare installeras.
I framtida studier av elkvalitetsstörningar orsakade av batteriladdare kan utöver
29
Referenser
[1] SWEDEN FfU. fn.se. [Online] 2019 [citerad 19 Maj 2020]. Hämtad från:
https://fn.se/vi-gor/utveckling-och-fattigdomsbekampning/agenda-2030/.
[2] Communications LismR. lkab.com. [Online] 2019 [citerad 6 April 2020]. Hämtad från:
https://www.lkab.com/sv/SysSiteAssets/documents/publikationer/broschyrer/det-har-ar-lkab.pdf.
[3] Johansson N. www.lkab.com. [Online] 2020 [citerad 6 April 2020]. Hämtad från:
https://mb.cision.com/Main/11419/3073204/1219506.pdf.
[4] Comission E. europa.eu. [Online] 2014 [citerad 20 April 2020]. Hämtad från:
https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/what-horizon-2020.
[5] European Comission. [Online] 2017 [citerad 21 April 2020]. Hämtad från:
https://cordis.europa.eu/project/id/730302.
[6] Nilsson J. How good are eletric cars? - An enviromental assessment of the electric car in Sweden from a life cycle perspective. Master's Thesis. Lund: Faculty of Engineering at Lund University, Department of Technology and Society; 2016.
[7] SAHOO S. Elkvalitetsarbete i Sverige 2019. Energiforsk AB; 2019. Report No.: ISBN 978-91-7673-633-3.
[8] Karlström B. Kretsanalys. 2nd ed. Lund: Studentlitteratur AB; 2018.
[9] ABB. Hur mår din eldistribution och dina kondensatorer? Mätning analys och underhåll för bättre elkvalitet. [Online] [citerad 6 maj 2020]. Hämtad från: https://search-ext.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=9AKK105713A8684&LanguageCo de=sv&DocumentPartId=&Action=Launch.
[10] Maklin C. towardsdatascience. [Online] 2019 [citerad 26 Maj 2020]. Hämtad från:
https://towardsdatascience.com/fast-fourier-transform-937926e591cb.
[11] Olsson H. Elsäkerhetsverket. [Online] 2015 [citerad 3 April 2020]. Hämtad från:
https://www.elsakerhetsverket.se/om-oss/vi-arbetar-med/tillsyn-och-marknadskontroll/EMC/EMC-och-elkvalitet/.
30 [14] Inc., Battery University - sponsored by Cadex Electronics. Battery University. [Online]
2019 [citerad 15 April 2020]. Hämtad från:
https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion.
[15] Bingham RP. dranets.com. [Online] 2014 [citerad 16 Juli 2020]. Hämtad från:
https://www.dranetz.com/wp-content/uploads/2014/02/harmonics-understanding-thefacts-part3.pdf.
[16] Mooshtak B. Inverkan av laddstolpar för elfordon i jönköping Energis elnät. Examensarbete för Högskoleingenjör. Sundsvall: Mittuniversitetet; 2019.
[17] Basu M, Gaughan K, Coyle E. Harmonic distortion caused by EV battery chargers in the distribution systems network and its remedy. Dublin: Dublin Institute of Technology; 2004. Report No.: 1-86043-365-0.
[18] UNIPOWER. unipower.se. [Online] 2020 [citerad 15 Maj 2020]. Hämtad från:
https://unipower.se/sv/produkter-och-tjanster/elkvalitet-overvakning/pq-secure-system/.
[19] Woodford C. explainthatstuff.com. [Online] 2019 [citerad 15 April 2020]. Hämtad från:
https://www.explainthatstuff.com/how-lithium-ion-batteries-work.html.
[20] IEC. iec.ch. [Online] 2020 [citerad 7 maj 2020]. Hämtad från:
https://www.iec.ch/about/globalreach/partners/iso/.
[21] Batteriföreningen. batteriforeningen.se. [Online] 2019 [citerad 10 Maj 2020]. Hämtad från: https://batteriforeningen.se/laddningsbara/.
[22] University B. Battery University. [Online] 2020 [citerad 11 Maj 2020]. Hämtad från:
TRITA 2020:047
