Ny metodikk sparer energi og minsker tap i nettet

Tensio AS i Trondheim har i en tid arbeidet med et prosjekt der hensikten er å prøve ut en ny metode for regulering av spenning i distribusjonsnett.

Dersom funnene er representative for Norge, vil dette årlig tilsvare tre TWh, eller innsparte kostnader på tre milliarder kroner per år. Tiltaket vil direkte kunne bidra til en reduksjon av nettleien, samt redusere flaskehalser og nettleie ved at investeringsbehov i kraftnettet på alle nettnivå begrenses.

Signifikant reduksjon

En forstudie basert på modellering og målinger i et 11kV og 230/400 V distribusjonsnett i Trondheim, viser at den nye metoden gir en signifikant reduksjon av nettapene gjennom å regulere spenningen i nettet på en hensiktsmessig måte i forhold til effektflytens følsomhet for spenning. En operativ test viser at innmatet energi årlig til det aktuelle nettet kan reduseres med opptil 3 % per år, samt at maksimal innmatet effekt kan reduseres med opptil 6 % ved dimensjonerende utetemperatur.

Redusert effekt og energi er gunstig for alle parter:

• Netteier er interessert i å redusere maksimal effekt i nettet for å utnytte levetiden til komponenter, samt å redusere utgiftene til innkjøp av elektriske tap som i perioder kan være svært høye.
• For sluttkundene oppnås lavere nettleie, fordi tapskostnadene og behovene for nettinvesteringer reduseres, i tillegg til at kundene får bedre spenningskvalitet.
• Storsamfunnet har nytte av at det frigjøres store mengder regulerbar kraft når behovene for kraft er store.
• Metodikken kan bidra til bedre utnyttelse av nettkapasiteten og følgelig øke mulighetene for tilkobling av ny last og produksjon –  et nyttig element i forbindelse med det grønne skiftet.

Forklaring av metodikken

Spenningsregulering i distribusjonsnettet skjer i dag automatisk via trinnkoblerregulatorer på krafttransformatorene mellom regionalnett og høyspennings distribusjonsnett, som vist i figur 1. Denne reguleringen endrer omsetningsforholdet til krafttransformatoren som da påvirker spenningsforholdene. Reguleringen benytter spenningsmåling på krafttransformatorens sekundærside (11-22 kV), som indikert i figuren.

Med den normale spenningsregulerings-strategien holdes spenningen konstant på sekundærsiden av kraft-transformatoren, noe som fører til at spenningen hos sluttkundene vil kunne variere mye, for eksempel fordi spenningsfall i nettet er mye høyere om vinteren når forbruket er større enn i andre årstider.

Spenningsregulering

Ifølge Forskrift om Leveringskvalitet (FoL) tillates stasjonær spenning (gjennomsnitt over 1 minutt) hos sluttbrukere i lavspenningsnettet å variere innenfor +/- 10% av nominell spenning (normalt 230 V, evt. 400 V).

Spenningsreguleringen bør bidra til at disse restriksjonene overholdes. Spenningen i nettet varierer normalt med forbruket over døgnet og med årstiden, og spenningen målt hos forbrukerne, vil normalt være lavere vinterstid enn sommerstid, ettersom forbruket er høyere om vinteren. Spenningen hos kunden avhenger også av avstanden fra krafttransformator og nettstasjon, slik at langt ute i nettet, spesielt i svake nett, vil det tidvis være problemer med for lave spenninger.

Åpenbart potensiale

Det er åpenbart et potensiale for tapsreduksjon og reduksjon av last til kunder gjennom å justere driftsspenningen mer dynamisk enn i dag, ettersom både tap og kunders belastning er påvirket av spenningen.

Dersom lasten f.eks. har nær null i spenningsfølsomhet (dvs. at effekten er uavhengig av spenningen), vil økt spenning gi redusert strøm og dermed reduserte overføringstap. Dersom lasten derimot har positiv spenningsfølsomhet (dvs. at effekten øker med økende spenning) vil økt spenning gi større effektflyt, og dermed øke overføringstapene. Magnetiseringstapene i fordelingstransformatorenes jernkjerne øker med kvadratet av spenningen – dvs. økende spenning gir større tap her.

Komplisert samspill

Det er altså mange faktorer i et komplisert samspill som fører til endret spenning. I prosjektet er det derfor gjennomført en analyse der data for energiflyt og spenning i krafttransformatoren er registrert for hver time gjennom et helt år – sammen med utetemperatur for området. Analysen har gitt underlag for å vurdere hvordan spenningen påvirker effektforbruket, og for å foreslå best mulige spenningsprofil.

Vinteren 2023-2024 er slike spenningsprofil benyttet operativt i et nett drevet av TENSIO på Huseby i Trondheim. Spenningsprofilene angir hvilken spenning som skal holdes for hver time, avhengig av utetemperatur og døgntype (hverdag/helg/fridag). I den operative testen sammenlignes resultatet av å bruke ny metodikk med dagens metodikk, ved å endre spenningsprofil annen hver dag, samt å temperatur-korrigere målingene.

Figur 2 viser innmatet gjennomsnittlig effekt per time i svært kaldt vær i det aktuelle nettet der den nye metodikken er sammenlignet med dagens praksis.

Redusert effekt og energi

I det viste tilfellet er spenningen endret moderat time for time, basert på estimert spenningsvirkning for last og tap. Figuren viser at maksimal effekt er redusert med 1,4 %, og at energiforbruket er redusert med 1 %.

Estimering av optimal spenningsprofil gjøres ved hjelp av en utviklet softwarealgoritme som overvåker forholdene i nettet en periode – og «lærer» seg en hensiktsmessig endring av spenningen for å oppnå reduksjon av innmatet effekt på gunstige tidspunkt.

Gir andre spenningsforhold

Forklaringen på endringen av effekt og energi, er at tap og forbruk er redusert og flyttet i tid, fordi den nye  spenningsmetodikken gir andre spenningsforhold i nettet enn den tradisjonelle. Hvis endringen av spenningsforholdene tillates å utnytte hele området spesifisert i FoL (+/- 10%), vil innsparingen av effekt og energi øke tilsvarende, slik at en kan forvente besparelser på opp mot 6 % for makseffekt ved dimensjonerende utetemperatur og 3 % for energi.

SmartVoltage AS har utviklet et  analyseprogram som er benyttet i prosjektet til å bestemme optimal styring av spenningen. I programmet analyseres timevise data for energiflyt, spenning og utetemperatur som grunnlag for å estimere spenningsfølsomheten for hvert timeintervall avhengig av årstid og døgntype. Spenningsfølsomhetene benyttes så som underlag for å bestemme optimal spenningsprofil for reduksjon av  effekt og energiflyt i nettet.

Videre arbeid

I samarbeid med NTNU, SmartVoltage og SafeBase har Tensio satt i gang et operativt testprosjekt der hensikten er å verifisere den nye spenningsreguleringsmetodikken.  I prosjektet skal blant annet tap ved ulike spenningsforhold kartlegges, sammen med spenningskvaliteten hos ulike kundetyper. I prosjektet vil spenningsforholdene hos sluttkundene undersøkes for å forsikre seg om at spenningen tilfredsstiller kravene i forskriftene. Denne oppgaven vil bli utført av SafeBase.

Et testprosjekt i Smartgrid-laboratoriet ved NTNU er i gang for å kartlegge/måle virkningen av det nye spenningsreguleringsmetodikken på apparatnivå, installasjonsnivå (smarthus-nivå) og på nettnivå.

Testprosjektet vil bidra til å vise hvordan effekt og energiforbruk i ulike apparater vil bli påvirket av endret spenning. Det knytter seg stor interesse til å kunne forklare hvorfor lavere spenning i perioder ser ut til å effektivisere forbruket av effekt i ulike apparater f.eks. som styres av kraftelektronikk og termostater.