Netteiere bør se til jernbanen i den grønne omstillingen

Som del av den grønne omstillingen og elektrifiseringen av samfunnet har mengden forespørsler for nettilknytning økt betraktelig.

En stor andel av nye kunder kobler seg til nettet gjennom kraftelektronikk, som for eksempel vindkraft og HVDC-forbindelser, som fører med seg nye utfordringer for nettstabilitet.

På jernbanen har det i over 30 år blitt benyttet kraftelektroniske omformere som innmatingskilder til tog med kraftelektroniske motordrifter. Det har derfor blitt utviklet bred erfaring og systematiske arbeidsmetoder for håndtering av kraftelektronikk i nettet som aktører ellers i kraftbransjen kan dra nytte av.

Togstans i Sveits en vekker

I påsken 1995 i Sveits opplevdes det gjentatte hendelser hvor alle tog i Zürich-området stoppet, tilsynelatende uten noen grunn. Senere samme år ble tilsvarende hendelser rapportert i andre deler av Sveits.

I løpet av feilanalysene ble det etter hvert tydelig at nyere tog med kraftelektroniske motordrifter var utløsende årsak for hendelsene.

Ytterliggere undersøkelser viste at rotårsaken til problemene var uheldig samspill mellom de nye togene og kraftsystemet, da de nye togene hadde eksitert en resonans. Togene og kraftsystemet var altså ikke kompatible med hverandre.

Hendelsene i Sveits ble en motiverende faktor hos aktørene i jernbanesektoren for å kartlegge og analysere alle sider ved problemer knyttet til kompatibilitet mellom de ulike komponentene i kraftsystemet på jernbanen.

Hvilke fenomener er jernbanen bekymret for?

På grunn av at jernbanen opererer på en annen frekvens enn det øvrige kraftsystemet, er det et behov for å omforme strømmen som utveksles fra 50 Hz-nettet til jernbanen sitt 16 2/3 Hz-nett.

I nyere tid blir dette i økende grad gjort ved bruk av kraftelektroniske omformere. I tillegg er også togene kraftelektroniske laster. Dette fører med seg en utfordring for kompatibilitet ved introduksjon av nye kraftelektroniske komponenter i kraftsystemet.

Det er spesielt to fenomener som fører til problemer: Resonanser og overharmoniske emisjoner.

Kan ødelegge komponenter

Hvis en resonans blir eksitert, kan det skape store overspenninger som i verste fall kan ødelegge komponenter og overspenningsvern. For å unngå eksitasjon av resonanser er det generelt sett viktig at resonansfrekvensen holdes så høy som mulig.

Resonansfrekvensen kan defineres på følgende måte:

Kilder til eksitasjon av resonanser, som for eksempel negative dempebidrag fra kraftelektroniske laster, befinner seg typisk lavere ned i frekvensspekteret.

Ved å sørge for at resonansfrekvensen er høy kan en forsikre seg om at resonansen og kilden til eksitasjon holdes separate fra hverandre i frekvensplanet.

Overharmoniske emisjoner fører til problemer enten ved at den totale mengden emisjoner er så høy at det vil redusere effektfaktoren i nettet, som igjen vil påvirke spenningskvalitet og tap i systemet, eller ved å eksitere resonanser i systemet.

Løsninger i konflikt

Grunnen til at disse fenomenene har vist seg som utfordrende å ta hensyn til er at løsningen på problemene fundamentalt er i konflikt med hverandre.

For eksempel vil den enkleste løsningen på å redusere harmoniske emisjoner være å introdusere et harmonisk filter som fjerner deler av de harmoniske emisjonene. Men dette filteret vil som konsekvens forverre resonansforholdene ved å introdusere mer induktans og kapasitans og dermed redusere resonansfrekvensen i kraftsystemet.

På den andre siden, hvis en aldri innfører filtre, blir det vanskelig å ivareta spenningskvaliteten i systemet på grunn av mengden harmoniske emisjoner.

Saken blir ytterligere komplisert av at for store harmoniske emisjoner i seg selv kan eksitere resonanser. Det vil derfor alltid være en avveining når en ny komponent skal introduseres til kraftsystemet.

Lokasjonsspesifikke forhold vil i stor grad avgjøre om resonanser eller reduksjon av harmoniske emisjoner veier tyngst. Av den grunn er det helt nødvendig med en standardisert og systematisk fremgangsmåte for å forsikre at alle hensyn ivaretas når kompatibilitet skal vurderes.

Må gjennomføre kompatibilitetsstudie

Det er forskriftsregulert at overharmoniske og dynamiske fenomener, som beskrevet over, ikke skal være til hinder for at tog kan kjøre på norske jernbaner. Det er den europeiske spesifikasjonen TSI-ENE , som gjelder som norsk forskrift gjennom EØS avtalen.

TSI-ENE-forskriften stiller krav til at faste anlegg i jernbanens elektriske system; omformerstasjoner, kontaktledningsanlegg, med mer, skal være kompatibelt med tog.

Et av flere tekniske aspekter som dekkes av kravene er overharmoniske og dynamiske fenomener. For å håndtere risikoen for at slike fenomener skaper problemer for togtrafikken, stiller TSI-ENE krav til at det gjennomføres en kompatibilitetsstudie i henhold til den europeiske standarden EN 50388.

En slik studie skal gjøres når det innføres en ny komponent i systemet som kan forringe stabiliteten. Bane NOR følger denne prosessen for eksempel når en ny omformerstasjon med kraftelektronikkbaserte omformerenheter skal forsyne jernbanenettet.

Tre trinn

En kompatibilitetsstudie deles hovedsakelig i tre trinn, se illustrasjonsbildet.

Det første trinnet innebærer beskrivelse og karakterisering av den eksisterende infrastrukturen og av kjøretøy. Deretter skal det gjennomføres en teoretisk studie som skal undersøke fenomener som kan hindre kompatibilitet.

Målet er å etablere krav til det nye elementet som skal settes inn i systemet.

I det neste trinnet gjennomføres prosjektering og karakterisering av det nye elementet. Når et forslag er klart, skal en teoretisk studie gjennomføres med det nye elementet plassert inn i jernbanesystemet for å verifisere oppfyllelse av krav.

Til sist testes det nye elementet i det virkelige jernbanenettet.

Sentralt verktøy

Simuleringsmodeller er et sentralt verktøy i arbeidet med å karakterisere det elektriske jernbanesystemet og gjennomføre teoretiske studier. For å undersøke overharmoniske og dynamiske fenomener er det behov for simuleringsmodeller som er nøyaktige over et stort frekvensspekter.

Simuleringsmodellene gjør det mulig å kartlegge resonansene i kraftsystemet, og hvor på frekvensspekteret de befinner seg. Dette gjøres ved å beregne den frekvensavhengige admittansen til kraftsystemet for relevante driftsscenarioer.

Bane NOR har jobbet over tid med å utvikle slike modeller av jernbanenettet. Kontaktledningsanlegget modelleres med distribuerte og frekvensavhengige parametere. Type leder og kabel beskrives i modellen, samt geometrien til kontaktledningsanlegget.

For komplekse komponenter som omformerenheter er Bane NOR avhengig av å få modellene fra leverandørene.

Erfaringsoverføring til 50 Hz-nettet

Forskrift om leveringskvalitet i kraftnettet (FoL) stiller krav til spenningskvalitet i 50 Hz-nettet, blant annet er det gitt grenseverdier til overharmoniske for spenningen.

Fol setter generiske krav som kun tilpasses lokalt ved at netteiere beregner fordelingsnøkler for kundene.

Slike generiske krav vil ikke kunne ta hensyn til at det er i interaksjonen mellom lokasjonsspesifikke forhold at ulike fenomener kan oppstå og medføre brudd med krav. Uten innsikt i de faktiske fenomenene og de bakenforliggende årsakene, vil dermed generiske krav kunne bli for strenge i noen tilfeller og for svake i andre.

Å følge en kompatibilitetsprosess gir mulighet til å systematisk kartlegge og styre risikoen ved innføring av en ny komponent i nettet. En slik tilnærming gjør det også mulig å håndtere situasjoner hvor oppfyllelse av forskjellige krav står i motsetning til hverandre som beskrevet over for overharmoniske emisjoner og resonansstabilitet.

Utfordrende uten kompabilitetsprosess

Uansett hvilken prosess som benyttes ved innføring av kraftelektroniske komponenter, viser erfaringen fra jernbanesektoren at det er utfordrende å møte kravene til spenningskvalitet i forskriften uten å ha gjennomført deler av kompatibilitetsprosessen beskrevet over.

Beskrivelse og karakterisering av nettet og av den nye komponenten, samt teoretiske studier og målinger, er ansett som nødvendige.

Infrastruktureiere må dermed utvikle modeller som nøyaktig kan beregne frekvensavhengig admittans over et stort frekvensspekter. Dette er nødvendig for å sikre kontroll på systembærende egenskaper nå og i fremtidige scenarioer, og sikre bærekraftig innføring av kraftelektroniske komponenter.

	Nathalie Holtsmark er prosjektingeniør i Bane NOR Energi, der hun jobber med nettkompatibilitet og omformerteknikk. Holtsmark har en PhD-grad innen elkraftteknikk ved NTNU.
	Lars-Kristian Njåstad er prosjektingeniør i Bane NOR Energi. Også han har nettkompabilitet og omformerteknikk som sitt spesielle fagområde. Njåstad er sivilingeniør i elkraft fra NTNU