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

KTHSKOLAN FÖR KEMI, BIOTEKNOLOGI OCH HÄLSA

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

Skolan för kemi,bioteknologi, och hälsa

141 52 Huddinge, Sverige

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

Elkvalitet, elektromagnetisk kompatibilitet, övertonsstörningar

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

power quality, electromagnetic compatibility, harmonic distortion

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.

Jag vill tacka alla på LKAB som möjliggjort detta arbete, framförallt min handledare Magnus

Emanuelsson. Jag vill också tacka mina handledare på KTH, Lars Olov Carlheim och Gunno

von Zweigberk. Till sist vill jag tacka vänner och familj som varit med och diskuterat alla

möjliga frågeställningar kring detta examensarbete.

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

6 Slutsatser ........................................................................................................................... 27

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.

LKAB vill kunna bedriva en hållbar järnmalmsbrytning då det ses som en konkurrensfördel.

För att på ett strukturerat sätt kunna arbeta med hållbar utveckling har LKAB valt att förhålla

sig till FN:s globala mål, dvs Agenda 2030. De har också initierat partnerskapet Sustainable

Underground Mining (SUM) och de deltar även i EU projektet Sustainable Intelligent Mining

Systems (SIMS).

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

LKAB:s del i SIMS är att de bidrar med utveckling av gruvteknologi samt bidrar med fysiska

testmiljöer för projekt inom SIMS.

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

På grund av att den avsatta tiden för examensarbetet inte sammanfaller med den tid som LKAB

planerat att utföra fysiska tester av laddningsstationerna i testgruvan kommer inga fysiska tester

att kunna utföras. Arbetet kommer istället att vara helt teoretiskt. Den information som hämtas

om den befintliga elkvaliten hämtas från en elkvalitetsmätare som sitter vid ett ställverk som

heter CA50. När batteriladdarna senare börjar användas kommer ett nytt ställverk, med namn

CA27, att vara installerat vid Konsuln. Då bör elkvalitetsmätningar även tas från detta ställverk.

4

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.

Figur 4 - Trefasspänning med grundfrekvens och de fem första övertonerna. Vid överton 2 och 5 ligger de tre spänningarna

i fas.

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% =√∑ 𝑈𝑛

2∞𝑛=2

𝑈1∗ 100

Formel 1 - total harmonic distortion i procent

𝑈𝑛 − 𝑛: 𝑡𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑣𝑣ä𝑟𝑑𝑒)

𝑈1 = 𝑓ö𝑟𝑠𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑣𝑣ä𝑟𝑑𝑒)

I denna rapport kommer inga beräkningar att göras för hand utan THD tas direkt från de el-

kvalitetsmätare som används i LKABS gruvor. De mätare som används heter UP-2210 och de

beräknar övertoner med Fast Fourier Transform (FFT). [10]

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%.

Tabell 1 - relativ övertonsghalt för spänningsövertoner enligt EIFS 2013:1

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

Precis som för områdena för kortvariga spänningssänkningar så är störningar som sker

inom område C oacceptabla och måste åtgärdas. Störningar som ligger inom område B

ska nätleverantören åtgärda i den mån det anses rimligt och störningar inom område A

kan generellt sett accepteras. Hur denna tabell faktiskt kommer att användas om en

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

Under de senaste tjugo åren har utvecklingen av litiumjonbatterier möjliggjort utvecklingen av

mobiltelefoner, bärbara datorer och elektriska fordon. Litiumjonbatterier har en högre

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]

En litiumjonbattericell laddas i olika steg. Under det första steget är strömmen till batteriet

konstant medan spänningen ökar linjärt. Efter ett tag nås batteriets laddningsspänning och då

inleds steg två. I steg två hålls spänningen konstant medan strömmen sänks. Steg 1 kallas oftast

”Constant current stage” och steg 2 för ”Constant Voltage stage”. Figur 10 visas hur detta kan

se ut.

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 12-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.

I en något äldre rapport från september 2004 vid namn ” Harmonic distortion caused by EV

battery chargers in the distribution systems network and its remedy” diskuterar Malabika Basu,

Kevin Gaughan och Eugene Coyle hur övertonsdistorsion orsakad av batteriladdare kan

minskas [17]. Rapporten föreslår en ny design för batteriladdarna och påstår då att ett sätt att

motarbete övertonsstörningar från batteriladdare är att förbättra designen på självaste

laddningsstationen.

12

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

De första batteriladdarna som installeras kommer att placeras i Konsuln. Därför kommer också

alla simuleringar att utgå från elnätet som finns i Konsuln. Nedanstående figur visar en

överskådlig bild över hur Konsuln är uppbyggd. Varje rektangel symboliserar ett ställverk.

Några av ställverken refereras ibland till med den nivå de är placerade på istället för deras

namn. Därför är både ställverkets namn och den nivå de är placerade på beskrivna i

nedanstående bild.

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

UF53.

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

NEPLAN är ett program som syftar till att planera, optimera och simulera elektriska nätverk.

Alla simuleringar som utfördes i denna rapport gjordes i NEPLAN. Simuleringarna utfördes

av ABB efter att de olika fallen specificerats.

16

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 Tabell 4 - THD för ställverken UE52, CA25 och CA27, vid simulering 1

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

Ställverk THD (%)

UE52 1,1

CA25 0,4

CA27 0,1

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

Simuleringen visar att övertonerna ligger väl inom de gränser som definieras av både EIFS

2013:1 och IEC 61000-3-6 för både simulering 1 och 2. I simulering 3 överstiger däremot

övertonsgränserna för tonerna 11,13,23,25,35,37,47 och 49. I figur 16, 17 och 18 visas

gränserna för EIFS 2013:1 i grönt och gränserna för IEC 61000-3-6 i rött.

20

Simulering 1

Figur 14 – Övertonerna från simulering 1 och gränserna från standarderna

Simulering 2

Figur 15 – Övertonerna från simulering 2 och gränserna från standarderna

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.

Figur 17 – Simulerade övertoner (orange) och verkliga normala övertoner (blått)

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.

Figur 19 - Mätpunkter för strömövertoner

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.

Figur 20 – Strömövertoner vid fall 2

24

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..

Störningarna från laddarna har en korrelationskoefficient på 0,69 till övertonsstörningarna som

uppstod vid CA1 den 27/9-17 mellan kl 2:00 och 4:00. 0,69 ses som ett ganska starkt samband.

Alltså skulle en analys av övertonsstörningen från den 29/9 2017 kunna ge fler svar på hur

övertonsstörningar från laddarna kommer påverka elnätet.

26

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

övertonsstörningar också spänningstransienter och spänningssäkningar analyseras. Det skulle

även vara av intresse att undersöka vad dessa elkvalitetsstörningar skulle få för inverkan i

praktiken. Alltså skulle det kunna utföras praktiska mätningar när elnätet i Konsuln utsätts för

stora elkvalitetsstörningar.

28

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/.

[12] Morén G. Energimarnadsinspektionen. [Online] 2013 [citerad 3 April 2020]. Hämtad

från: https://www.ei.se/Documents/Publikationer/foreskrifter/El/EIFS_2013_1.pdf.

[13] Boudreault F. [Power Point].; 2019-06-18 [citerad 15 April 2020].

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:

https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries.

31

32

TRITA 2020:047

www.kth.se