Kraftnätets frekvens glider ofta över på rött. Det är inte nödvändigtvis ett problem. Dagens oberäkneliga systembalans behöver buffertzoner där störningar kan bromsas.
–Utmaningen blir att säkra reservkapacitet i förväg när frivilliga bud inte räcker till, säger Anna Jäderström på Svenska kraftnät.

Det är mycket snack om färgen på Svenska kraftnäts frekvensmätare. Normalt ska frekvensen ligga inom det gröna intervallet 49,9 Hz till 50,1 Hz med möjlighet till något tiondels snedsteg över på gult. Gränsen för vad som är normalt håller emellertid på att flyttas.

Bild: Anna Jäderström, enhetschef för balansmarknad på Svenska kraftnät. Foto: Johan Alp.

Under en timmes tid onsdag förmiddag den 2 december 2020 dippade kraftsystemets frekvens ned med 0,2 Hz (hertz) till 49,8 Hz. Det är allvarligt. Just därför har Svenska kraftnät rödmarkerat området på sin frekvensmätare, som kan följas dygnet runt här. Rödfärgen visar med all tydlighet när något går fel i balansen mellan elproduktion och konsumtion.

Frekvens i realtid i Svenska kraftnäts ”Kontrollrummet”.

Dramatiken ökar
Den här onsdagen accelererade produktionsunderskottet av att endast två av sju kärnkraftsreaktorer kunde köra för fullt. Det såg dramatiskt ut. Under en drifttimme på förmiddagen gick kraftsystemet från ett överskott på 2000 MW till ett underskott på 1000 MW. Enligt Svenska kraftnäts driftchef Pontus de Maré genomfördes några ”kraftfulla regleringar” och under drifttimmen återgick frekvensen till grönt. Händelsen höll sig ändå inom normalen, menar Pontus de Maré, då situationen långt ifrån var unik. Det kan förekomma ”då och då”.

Röd rätt färg?
Varför det har blivit ”normalt” att vara på rött är en komplex historia. Orsakerna finns i energiomställningen, elmarknadens uppföljning och elsystemet tekniska utveckling. Det ena ger det andra och utbyggnaden av vindkraft spelar en stor roll, men inte enbart. Kombinerad med flaskhalsar i transmissionsnäten och fler utlandsförbindelser som transporterar allt större leveranser ut ur landet så blir resultatet att balansen och därmed frekvensen snabbt kan förändras. Frekvensmätarens pil glider då allt oftare över på rött.

Rödfärgen är ett arv från tiden då vattenkraften regerade ensam i näten och flödena var enklare att förutsäga. I dagens elsystem är det röda också en signal på att frekvenshållningsreserverna har aktiverats.

Frekvensens frizon
Rött betyder däremot inte alltid att det stora larmet går eller att elsystemet hotas. En allvarlig störning som kan påverka leveransen till slutkunden kräver att frekvensen faller ner mot 49,0 Hz. Då börjar systemet stegvis koppla in automatisk bortkoppling av större anläggningar och systemet bryter samman.

Det scenariot ligger dock väldigt långt från vardagens glidande på rött. Spannet ned mot 49,8 Hz har istället blivit en nödvändig buffertzon för en ständigt flexibel frekvens i ett allt mer svajigt kraftsystem.

Ökad risk på rött
Kraftsystemet har designats för att klara en frekvens gott under 49,9 Hz. Avvikelsen måste då återställas till normalintervallet inom 15 minuter för att stå redo för nya störningar, berättar Anna Jäderström, enhetschef för balansmarknad på Svenska kraftnät.

– Den största faran med att ligga på rött är att säkerhetsutrymmet blir mindre. Om det då tillkommer ännu en störning så har vi redan betat av en del av reserven och en ny störning kan få stora konsekvenser. Därför vill vi snabbt ha frekvensen åter till grönt, säger Anna Jäderström.

– Men att frekvensen ibland sjunker under 49,9Hz räknas i dagens elsystem som en del av normaldriften.

Men området är ändå färgat rött?

– Därför att det samtidigt innebär att frekvensen är utanför det område där vi med säkerhet vet att vi klarar av en störning.

Måste skilja på orsakerna
En dipp kan bero på flera sammanfallande mindre lokala orsaker som uppstår samtidigt. Frekvensen är synkron i de flesta nordiska elområdena och vad som orsakar dippar kan vara svårt att omedelbart identifiera. Generellt minskar marginalerna oftare nu än tidigare.

– Sett inifrån driften är det stor skillnad på en händelse som uppstår på grund av ett oförutsett tekniskt fel eller om det ”bara” var så att vädret spelade ett spratt, att det blev kallare än man trodde eller att vinden plötsligt drog någon annanstans. Väderomslag är ju en del av elsystemets normala balansering och ska kunna hanteras utan att frekvensen blir röd alltför länge, säger Anna Jäderström.

Mer reglerkraft behövs
Bakom frekvensmätarens röda fält finns ett antal sofistikerade och automatiska säkerhetsanordningar. Larm och krisberedskap måste dessutom alltid värderas tillsammans med andra parametrar som dippens orsak, hur länge den pågår och återställningsreservernas resurser.

– I takt med elsystemets förändring ökar utmaningarna för normaldriften. Det blir svårare att prognosticera och behovet för stödtjänster blir större. Vi behöver mer resurser för reglering och får behov för fler bud på̊ reglerkraftmarknaden, säger Anna Jäderström.

Kräver fakta och statistik
Tillräckliga reserver för störningar säkerställs alltid, men för att hålla frekvensen i balans i normaldrift har det räckt att basera dimensioneringen på fasta värden, kompletterade med frivilliga bud på balansenergi. Framöver kommer det inte att räcka, menar Anna Jäderström.

– Istället kommer dimensioneringen i framtiden att baseras på historiska obalanser och inkludera både störningar och normala variationer. Därefter får man göra en bedömning av hur mycket som kan säkerställas via frivilliga bud och hur mycket som behöver upphandlas i förväg, säger Anna Jäderström.

Överfrekvens ökar
De flesta frekvensavvikelser sker neråt då problemet ofta är för hög förbrukning i förhållande till produktionen. Historiskt har utmaningen därför varit underfrekvens. I framtiden förväntas frekvenser över 50,1 Hz att öka i takt med överproduktion av exempelvis vindkraft, eller på grund av flaskhalsar för exporten.

Det är nämligen inte akut nedgång i svensk förbrukning som framöver kan orsaka överfrekvensstörningar utan att det uppstår fel på en utlandsförbindelse som exporterar el. ”Fel” betyder sällan att kabeln slits av. Flödet kan istället proppas igen eller styras om av exempelvis marknadsorsaker, som snabba prisändringar.

Krafthandeln påverkar
Det är lätt att peka på den intermittenta vindkraften som den klassiska störningsboven, men det är endast en del av sanningen, menar Anna Jäderström. En orsak till frekvensförändring som ofta glöms bort är just handelns utveckling på den vanliga elmarknaden.

– En effektiv elmarknad genererar flöden som är ekonomiskt optimala, men som kan bli utmanande för den operativa driften att hantera. Till exempel har krafthandeln på utlandsförbindelser blivit mer effektiv, och snabba ändringar i flöden mellan länderna utmanar balansen momentant, säger Anna Jäderström.

Snabba priser stör
Med fler och större HVDC-förbindelser till utlandet ökar risken för överproduktion och överfrekvens. En ny balanseringsmodell i Norden blir därför viktig för fortsatt integrering av förnybar energi och elsystemets omställning i Norden och Europa.

– Också prisändringar mellan elområden kan störa frekvensen. På timbasis kan stora prisskillnader resultera i tvära kast mellan flödena på bara några minuter. Därmed påverkas frekvensen då de manuella åtgärderna på reglerkraftmarknaden tar 15 minuter att aktivera, säger Anna Jäderström.

* * *

Elens flöde: Frekvensen i det nordiska synkronområdet kan följas i realtid. Scrolla ned och du ser även en karta över Norden med aktuella priser och flöden mellan olika elområden.

Frekvensens fallskärm: Först ut av frekvenshållningsreserverna är FCR-N (Frequency Containment Reserve-Normal) som opererar i intervallet mellan 49,9 och 50,1 Hz, alltså inom grönt och gult område. Vid kraftigare och mer akut frekvensfall ned mot 49,5 Hz aktiveras FCR-D (Disturbance). På en halv minut kan FCR-D aktivera runt 400 MW reservkraft i Sverige och cirka 1500 MW i Norden, främst vattenkraft varav hälften körs igång på endast 5 sekunder. FCR-D är då fallskärmen som dämpar och stabiliserar det akuta frekvensfallet på mätarens röda fält.

Automatisk rehab: Därefter körs aFRR igång  (automatic Frequency Restoration Reserve), en automatisk frekvensåterställningsreserv vars kapacitet på 300 MW i Norden ska nås inom två minuter. Då har Svenska kraftnäts driftcentral 15 minuter på sig att följa upp med den manuella versionen mFRR som återställer frekvensen till 50 Hz. Allt detta går på rutin och baseras på redan beställd eller inköpt produktionskapacitet på reglerkraftmarknaden, en frivillig nordisk handelsplats som tar in bud dagen före drift. Också aFRR säkerställs före driften och upphandlas per vecka.

Överfrekvensens buffert: Det fina med just aFRR är att den kan reglera både ned och upp, alltså även vid överfrekvens när det finns mer kraftproduktion än förbrukningen klar att svälja undan. Men även vid överfrekvens måste frekvensen ha ”säkerhetszoner” där avvikelserna kan fångas in och dämpas ”med fallskärm”. Därför har de nordiska TSO:erna startat projektet FCR-D Ned som ska ta ett snabbare grepp om överfrekvensen. FCR-D Ned-konceptet är dock så nytt att Svenska kraftnät knappt har hunnit skicka in förslag på tekniska krav till Energimarknadsinspektionen.

Frekvenskvalitet: Begreppet frekvenskvalitet utgör en egen nisch i frekvensdebatten. Kvaliteten definieras av antal minuter per år som frekvensen inte ska vara utanför standardintervallet 49,9–50,1 Hz. De nordiska TSO:erna har satt gränsen vid 10 000 minuter. Under i tjugo års tid har frekvenskvaliteten försämrats. De senaste åren har den befunnit sig utanför standardintervallet i mer än 13 000 minuter per år. Å andra sidan kräver EU:s riktlinjer System Operation Guideline (SOGL) att det räcker om man håller sig under 15 000 minuter. Det innebär att Svenska kraftnät kan sänka axlarna även om man formellt inte frångått 10 000-målet. Vilken gräns som framöver ska gälla diskuteras nu i berörda korridorer. Det som dock är ett faktum är att Svenska kraftnäts frekvenskvalitet hittills under 2020 för första gången på många år har blivit bättre.

Störningsreserven: När reglerkraftmarknaden inte räcker till sätts störningsreserven in, frekvenshållningens tungviktare. I SE3 och SE4 finns en total installerad effekt på 1450 MW. Det ska inte förväxlas med effektreserven. Störningsreserven ska hantera större störningar som till exempel ett kärnkraftsblock löser ut eller det blir fel på en HVDC-kabel till utlandet. Utöver gasturbiner ingår även vattenkraft och viss förbrukningsreduktion.

Nordiskt samarbete: Det kan se dramatiskt ut när störningsreserven kör igång även om allt går som planerat. Torsdag 10 september 2020 sjönk frekvensen som en sten i hela det nordiska kraftsystemet. Den nya sjökabeln mellan Norge och Tyskland skulle testas och enligt Statnett var planen att börja med 100 MW. Genom ett misstag körde man istället hela kapaciteten på 1400 MW in i kabeln, som fick till följd att frekvensen svängde kraftig mellan 50,5 och 49,5 Hz. Överdoseringen pågick endast en minut men störningsreserven hann ändå starta tre av Unipers gasturbiner i Skåne så frekvensen kunder återställas.