Kompensacja mocy biernej w obwodach z asymetrią obciążenia
![Rys. 5. Schemat blokowy statycznego generatora mocy biernej [9]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202106/kompensacja-mocy-biernej-w-obwodach-z-asymetria-obciazenia.jpg)
Rys. 5. Schemat blokowy statycznego generatora mocy biernej [9]
Występowanie asymetrii obciążenia prowadzi do pojawienia się dodatkowych negatywnych zjawisk w układzie zasilającym, związanym przede wszystkim z problemem kompensacji mocy biernej. Stosowanie tradycyjnego układu kompensacyjnego może nie być rozwiązaniem właściwym. Wykorzystanie statycznych generatorów mocy biernej pozwala na realizację kompensacji w układach z asymetrią obciążenia. Przedstawione zostały wyniki pomiarów w obiekcie biurowym, w którym był zainstalowany kompensator SVG.
Zobacz także
ASTAT Sp. z o.o. Wykonywanie pomiarów w przemyśle i energetyce zawodowej analizatorami przenośnymi PQ-Box
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
ASTAT Sp. z o.o. Komunikacja zdalna ze stacjonarnymi analizatorami jakości energii PQI-DA Smart
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim...
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim przez dwa dokumenty. Pierwszy to norma PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Drugi to Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. 819).
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Transformacja energetyczna z wykorzystaniem produktów WAGO
Wytwarzanie, dystrybucja, magazynowanie i zużycie energii – tylko współdziałanie wszystkich podmiotów odpowiedzialnych za te działania sprawi, że transformacja energetyczna stanie się możliwa. Wraz ze...
Wytwarzanie, dystrybucja, magazynowanie i zużycie energii – tylko współdziałanie wszystkich podmiotów odpowiedzialnych za te działania sprawi, że transformacja energetyczna stanie się możliwa. Wraz ze wzrostem stopnia rozproszenia i wahań w produkcji energii instalacje wchodzące w skład systemu energetycznego muszą być zintegrowane w ramach jednej inteligentnej sieci energetycznej. WAGO oferuje rozwiązania, które wspierają ten proces zarówno wśród wytwórców, dostawców, jak i odbiorców energii.
Występowanie asymetrii obciążenia prowadzi do pojawienia się dodatkowych negatywnych zjawisk w układzie zasilającym, związanych przede wszystkim z problemem kompensacji mocy biernej. Stosowanie tradycyjnego układu kompensacyjnego może nie być rozwiązaniem właściwym. Wykorzystanie statycznych generatorów mocy biernej pozwala na realizację kompensacji w układach z asymetrią obciążenia. W artykule przedstawione zostały wyniki pomiarów w obiekcie biurowym, w którym był zainstalowany kompensator SVG. Wykazano, że urządzenie pozwala na skuteczną kompensację mocy biernej przy asymetrycznym obciążeniu i jednocześnie symetryzuje obciążenie oraz redukuje wyższe harmoniczne prądu.
W artykule:
|
StreszczenieWystępowanie asymetrii obciążenia prowadzi do pojawienia się dodatkowych negatywnych zjawisk w układzie zasilającym, związanym przede wszystkim z problemem kompensacji mocy biernej. Stosowanie tradycyjnego układu kompensacyjnego może nie być rozwiązaniem właściwym. Wykorzystanie statycznych generatorów mocy biernej pozwala na realizację kompensacji w układach z asymetrią obciążenia. Przedstawione zostały wyniki pomiarów w obiekcie biurowym, w którym był zainstalowany kompensator SVG. Wykazano, że urządzenie pozwala na skuteczną kompensację mocy biernej przy asymetrycznym obciążeniu i jednocześnie symetryzuje obciążenie oraz redukuje wyższe harmoniczne prądu. |
AbstractReactive power compensation in circuits with load asymmetryThe occurrence of load asymmetry leads to the appearance of additional negative phenomena in the supply system, related primarily to the problem of reactive power compensation. Using a traditional compensation system may not be the right choice. The use of static var generators allows for compensation in systems with load asymmetry. The results of measurements in an office building where the SVG compensator was installed are presented. It has been shown that the device allows for effective reactive power compensation with asymmetric load and at the same time symmetries the load and reduces the higher current harmonics. |
Zasilanie obiektów przy asymetrycznym obciążeniu
Poprawna praca urządzeń elektrycznych wymaga pobierania z sieci zasilającej mocy biernej. Często w zakładach przemysłowych stosuje się odbiorniki trójfazowe, które charakteryzują się symetrycznym poborem mocy. Występują jednak również odbiorniki jedno- lub dwufazowe zasilane z tej samej sieci. Powoduje to pojawienie się asymetrii w zakresie obciążenia układu elektroenergetycznego. Dla odbiorców komunalnych, wszelkiego rodzaju obiektów biurowych, hoteli, sklepów i innych należałoby wręcz założyć, że obciążenie będzie nierównomiernie rozłożone na poszczególne fazy. Prowadzi to do wystąpienia problemu z kompensacją mocy biernej, realizowanej przez typowe układy kompensacyjne oparte na bateriach kondensatorów. Analiza zagadnienia wykazuje, że niewłaściwe oszacowanie punktu pomiaru prądu może prowadzić do niewłaściwego skompensowania układu zasilania, tym samym do naliczenia dodatkowych opłat karnych [1, 2]. Asymetryczne obciążenie będzie również wpływało na występujące w sieciach zasilających spadki napięcia. Będzie prowadziło do występowania na każdej fazie różnych poziomów wartości skutecznej napięcia. Przyłączenie nowego odbiorcy w obszarze sieci z asymetrią zasilania, wynikającą z charakteru obciążenia, będzie już na wejściu pogarszało warunki pracy jego urządzeń. Wartość skuteczna napięcia zasilającego w sieciach rozdzielczych i instalacjach elektroenergetycznych jest jednym z najważniejszych parametrów określających jakość zasilania. Wartość napięcia musi spełnić określone wymagania jakościowe zawarte między innymi w Rozporządzeniu [3], które określa dopuszczalne odchylenia w stosunku do wartości znamionowej. Dla sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia wymagane jest, aby w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń ±10% napięcia znamionowego. Rozporządzenie to bazuje na zapisach Normy [4], która określa większą liczbę parametrów jakościowych napięcia. W systemie elektroenergetycznym możliwa jest regulacja wartości skutecznej napięcia poprzez zmianę zaczepów transformatorów lub poprzez zmianę bilansu mocy biernej. Regulacja ta jednak pozwala tylko na jednoczesną zmianę zaczepu dla wszystkich faz, tym samym nie jest możliwa do zastosowania dla każdego odcinka sieci. Dodatkowo poziom asymetrii będzie zmienny w czasie, gdzie w dni robocze może występować znaczny jej poziom, a podczas dni wolnych nie będzie ona stanowiła większego problemu. Możliwa jest regulacja w sieciach niskiego napięcia poprzez włączenie dodatkowych urządzeń regulujących, które pozwalają na pracę w układach z asymetrią [5].
Rys. 1. Uproszczony schemat elektryczny do wyznaczania wartości straty napięcia rys. A. Książkiewicz
Rys. 2. Wykres wektorowy napięć dla schematu z rysunku 1. rys. A. Książkiewicz
Spadek napięcia uzależniony od mocy biernej
Przepływ prądu elektrycznego przez tory prądowe prowadzi do wystąpienia spadku napięcia. Spadek ten jest uzależniony od rzeczywistej wartości skutecznej prądu oraz od wartości rezystancji i reaktancji elementów przesyłowych (rys. 1.). Należy rozróżnić stratę napięcia (wzór 1), będącą różnicą geometryczną napięcia na końcu i początku linii, od spadku napięcia (wzór 2), który określa tylko różnicę arytmetyczną [6, 7]. Zależność ta może być przedstawiona na wykresie wektorowym (rys. 2.). Rożnica geometryczna między wektorami E oraz U0 jest właśnie stratą napięcia. Strata ta jest uzależniona, zgodnie ze wzorem 1, od przesyłu mocy czynnej i biernej przez elementy rezystancyjne i indukcyjne w torze prądowym. Dla niewielkich wartości kąta między tymi wektorami można przyjąć, że różnica ta jest praktycznie równa spadkowi napięcia, zgodnie ze wzorem 2. Istotny wpływ na możliwość korzystania ze wzoru uproszczonego będą miały wartości RS oraz XS toru prądowego. Przy dominującym udziale rezystancji przesunięcie kątowe między wektorami E i U0 będzie niewielkie. W układach zasilających zakłady przemysłowe, gdzie stosowane są jednostki transformatorowe dużych mocy oraz przewody, kable i szynoprzewody o znacznych przekrojach, dominująca może okazać się wartość reaktancji indukcyjnej XS.
(1)
(2)
Na podstawie powyższych rozważań, wyraźnie widać, że na wartość spadku napięcia, istotny wpływ mają takie czynniki jak reaktancja indukcyjna toru prądowego oraz wartość przesyłanej mocy biernej. Na wypadkową wartość spadku napięcia pośrednio ma więc wpływ wartość współczynnika tg φ (rys. 3.). Najniższa wartość straty napięcia, a tym samym najmniejszy błąd popełniany przy obliczaniu spadku napięcia, jest przy wartości tg φ równej zero. Im bardziej wartość tego współczynnika rośnie, niezależnie czy w kierunku charakteru indukcyjnego czy pojemnościowego odbiornika, rośnie wypadkowa strata napięcia.
Rys. 3. Względna zmiana wartości straty napięcia w funkcji współczynnika tgϕ, gdzie: δU’ – część rzeczywista straty napięcia, δU’’ – część urojona straty napięcia rys. A. Książkiewicz
Należy zauważyć, że powyższe rozważania wyprowadzone są dla sieci z symetrycznym zasilaniem, a więc i z symetrycznym poborem mocy przez odbiorniki. Jeżeli wystąpi asymetria obciążenia, sytuacja może wyglądać odmiennie dla każdej z faz. Może wystąpić również sytuacja, gdzie na jednej lub dwóch fazach nastąpi pobór mocy biernej o charakterze pojemnościowym, a na pozostałych o charakterze indukcyjnym.
W obwodach zasilających może wystąpić sytuacja, gdzie reaktancja obwodu będzie miała większą wartość niż rezystancja. Tym samym to zmiany poboru mocy biernej mogą mieć porównywalny, a nawet większy wpływ na wypadkową wartość wahań napięcia niż zmiany mocy czynnej. Z tego powodu jednym z możliwych i skutecznych środków zmniejszenia wahań napięcia jest zastosowanie kompensacji mocy biernej.
Rys. 4. Widok zewnętrzny kompensatora SVG, model ASTec, o mocy 50 kVAr fot. A. Książkiewicz
Rys. 5. Schemat blokowy statycznego generatora mocy biernej [9]
Kompensacja ta musi uwzględniać jednak dodatkowe wymagania, aby mogła być skuteczna. Do wymagań tych należy zaliczyć między innymi poziom asymetrii obciążenia. Pozwoli to na odciążenie wszystkich elementów obwodu zasilającego dany odbiornik. Możliwy wybór tak naprawdę zawęża się do urządzeń typu STATCOM/SVG, a więc energoelektronicznych generatorów mocy biernej. Pozwalają one na prawie bezzwłoczną, nadążną kompensację mocy biernej w układach z asymetrią obciążenia.
Statyczne generatory mocy biernej
Typowe układy kompensujące, oparte na bateriach kondensatorowych lub dławikowych sterowanych klasycznymi stycznikami, a nawet poprzez układy tyrystorowe, nie są w stanie zapewnić właściwych parametrów jakości energii, przy kompensacji mocy biernej w układach, gdzie występuje nieównomierne obciążenie faz. Rozwiązaniem, jakie można tutaj zaproponować, są statyczne generatory mocy biernej, tzw. SVG (rys. 6.). Są to urządzenia energoelektroniczne, wykorzystujące do swojego działania układy tranzystorów IGBT (rys. 7.), które kluczując wg określonego algorytmu regulacji, załączają kondensator i w ten sposób generują przepływ mocy biernej [8].
Rys. 6. Histogram zapotrzebowania mocy biernej harmonicznej podstawowej dla poszczególnych faz obwodu rys. A. Książkiewicz
Układy kompensacyjne SVG pozwalają na kompensację mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej w jednym urządzeniu, symetryzację obciążeń, praktycznie nieograniczoną liczbę cykli łączeniowych. Urządzenia te zapewniają również uzupełniającą filtrację wyższych harmonicznych prądu do trzynastego rzędu, a dzięki ciągłej kontroli pobieranego prądu nie zachodzą zjawiska rezonansowe.
Kompensatory SVG pozwalają na nadążną kompensację, niezależną dla każdej z faz, co umożliwia ograniczenie zapotrzebowania na moc bierną także w układach, gdzie dynamika zmian obciążenia jest znaczna. Przy czasie odpowiedzi na zmiany zapotrzebowania nie dłuższym niż 1 ms generowana moc bierna dostarczana jest do odbiornika płynnie, praktycznie bez obciążania układu zasilającego. Dodatkowo urządzenia pozwalają na generację mocy biernej o charakterze pojemnościowym lub indukcyjnym, co ma zastosowanie w zakładach, gdzie, np. w porze nocnej lub w dni wolne od pracy, charakter zapotrzebowanej mocy biernej zmienia się z indukcyjnego na pojemnościowy. Zastosowanie energoelektronicznych układów załączających pozwala na prawie nieograniczoną liczbę cykli łączeniowych. Dla porównania, styczniki łączeniowe w bateriach kondensatorów pozwalają na ok. 100 przełączeń w ciągu godziny i około 100 tys. do 400 tys. łączeń elektrycznych w cyklu życia produktu (zależnie od modelu i producenta).
Działanie kompensatorów SVG w układach z asymetrią obciążenia
Przeprowadzone zostały pomiary parametrów jakości energii elektrycznej na zasilaniu budynku biurowego. Pobór mocy czynnej przez 95% czasu nie przekracza wartości 20 kW, osiągając w szczycie poziom niespełna 25 kW. Pobór mocy biernej o częstotliwości 50 Hz (harmoniczna podstawowa) zmieniał się w zakresie od 5,68 kVAr do – 3,95 kVAr. Świadczy to o poborze mocy biernej o charakterze pojemnościowym i indukcyjnym, w różnych przedziałach czasu. Na rysunku 6. przedstawiono częstości poboru mocy biernej harmonicznej podstawowej dla poszczególnych faz. Można zauważyć, że pobór mocy, o różnym charakterze, jest inny dla każdej z faz.
W układzie zasilającym był zamontowany kompensator typu SVG ASTec o mocy 25 kVAr. Pomiar prądy wykonywany był w każdej fazie przekładnikami prądowymi o przekładni 60/5, mocy 5 VA i klasie 0,5. Kompensacja wykonywana była przy założeniu współczynnika mocy na poziomie 0,98, przy równoczesnej redukcji wybranych wyższych harmonicznych prądu rzędów trzeciego, piątego, siódmego i jedenastego. Kompensator przeprowadzał również symetryzację obciążenia. Wykonano planowe wyłączenie kompensatora, w celu porównania parametrów przed i w trakcie kompensacji. W szczelności zwrócono uwagę na wartość współczynnika mocy cos φ oraz pobór mocy biernej harmonicznej podstawowej QV. Dodatkowo oceniono zmiany wartości całkowitego współczynnika odkształcenia prądu THDi, ze szczególnym uwzględnieniem trzeciej oraz piątej harmonicznej, których pobór dominował w całym spektrum wyższych harmonicznych prądu. Na przedstawionych wykresach pionową linią czerwoną zaznaczono moment wyłączenia układu SVG. Wszelkie wartości wskazanych wielkości od początku wykresu do tej linii zostały zarejestrowane przy załączonym kompensatorze.
Rys. 7. Wykres zmienności współczynnika mocy cosφ, dla trzech faz, przy działającym kompensatorze i po jego wyłączeniu (linia czerwona) rys. A. Książkiewicz
Rys. 8. Wykres zmienności poboru mocy biernej składowej podstawowej 50Hz (QV), dla trzech faz, przy działającym kompensatorze i po jego wyłączeniu (linia czerwona) rys. A. Książkiewicz
Rys. 9. Wykres zmienności współczynnika całkowitego odkształcenia prądu THDi, dla trzech faz, przy działającym kompensatorze i po jego wyłączeniu (linia czerwona) rys. A. Książkiewicz
Rys. 10. Wykres zmienności przepływu składowej trzeciej harmonicznej prądu, dla trzech faz, przy działającym kompensatorze i po jego wyłączeniu (linia czerwona) rys. A. Książkiewicz
Rys. 11. Wykres zmienności przepływu składowej piątej harmonicznej prądu, dla trzech faz, przy działającym kompensatorze i po jego wyłączeniu (linia czerwona) rys. A. Książkiewicz
Na rysunku 7. przedstawiono zmienność wartości współczynnika mocy cos φ dla każdej z faz oddzielnie. Zauważyć można, że podczas działania układu udawało się utrzymać wartość tego współczynnika w zakresie wartości od 0,98 do 0,99, charakter pobieranej mocy pozostawał indukcyjny. Wystąpiło jedno krótkotrwałe wahanie jego wartości, związane zapewne z załączeniem jakiegoś odbiornika. Przy czym nawet w takiej sytuacji udało się utrzymać wartość współczynnika mocy na poziomie nie gorszym niż 0,95.
Po wyłączeniu kompensatora nastąpiła zmiana wartości współczynnika mocy cos φ dla każdej z faz. Dla fazy L2 (kolor niebieski na wykresie) pojawiły się przedziały czasu, kiedy nastąpił pobór mocy o charakterze pojemnościowym, choć o niewielkiej wartości. Przedziały te widoczne są w postaci wychodzącej w dół poza wykres linii. Dla każdej z faz układu zaczyna się uwidaczniać inna wartość współczynnika mocy, gdzie dla fazy L1 utrzymuje się on na poziomie bliskim jedności.
Pobór mocy biernej harmonicznej podstawowej (rys. 8.) wskazuje na w miarę równomierną pracę układu, przy stałym poziomie generacji mocy na poziomie ok. 1000 VAr. Przy braku kompensacji następują częste zmiany poboru mocy biernej, zarówno stronę wartości wyższych, jak i niższych. Zauważyć można również różne pobory mocy dla każdej z faz, gdzie faza L2 charakteryzuje się niższymi wartościami poboru, a faza L1 wyższymi wartościami poboru mocy.
Przeanalizowano również wpływ kompensatora SVG na wartość całkowitego współczynnika odkształcenia prądu THDi (rys. 9.). Przy działającym urządzeniu wartość tego współczynnika zawiera się w przedziale od 5% do 10% dla każdej z faz. Po wyłączeniu następuje wzrost odkształcenia krzywej prądu i wartość THDi osiąga poziom od 10% do ok. 23%. Równocześnie, ze względu na asymetrię obciążenia, wartości te są różne dla każdej z faz w dowolnej chwili czasowej. Pobór prądu harmonicznej trzeciej i piątej przedstawiono na rysunkach 10. i 11. W obu przypadkach, po wyłączeniu SVG, następuje wzrost wartości prądu. Oznacza to, tak jak wspomniano wcześniej, wzrost odkształcenia krzywej prądu.
Powyższa analiza pozwala sformułować następujące wnioski. Przy układach z asymetrycznym obciążeniem kompensator SVG pozwala na utrzymanie wymaganej wartości współczynnika mocy biernej cos φ dla każdej z faz niezależnie. Nie występują nawet chwilowe pobory mocy biernej o charakterze pojemnościowym. Następuje również symetryzacja obciążenia, co może być istotne w układach sieciowych zasilanych z transformatora znajdującego się po stronie odbiorcy. Równocześnie zredukowane zostało odkształcenie krzywej prądu, co za tym idzie ograniczono negatywne skutki przepływu wyższych harmonicznych przez elementy układu zasilającego.
Podsumowanie
Występowanie asymetrii obciążenia w układach elektroenergetycznych i sieciach dystrybucyjnych prowadzi do występowania dodatkowych problemów, w tym między innymi występowania asymetrii napięciowej układu. Tradycyjne układy kompensacyjne nie zawsze będą w stanie poradzić sobie przy takim obciążeniu. Zastosowanie kompensatorów w postaci Statycznych Generatorów Mocy Biernej pozwala na równoczesną odpowiedź na wiele problemów związanych z gospodarką mocą bierną w obiekcie. Możliwa jest kompensacja mocy biernej zarówno o charakterze indukcyjnym, jak i pojemnościowym dla każdej z faz niezależnie. Równoczesna symetryzacja obciążenia będzie przyczyniała się do dalszej poprawy wskaźników jakościowych zasilania. Redukcja wyższych harmonicznych prądów prowadzić będzie do dalszego wzrostu jakości energii elektrycznej w układzie zasilającym. Jednocześnie urządzenie to charakteryzuje się mniejszymi gabarytami w porównaniu do tradycyjnych układów kompensacji.
Literatura
- Hołdyński G., Skibko Z., Wpływ asymetrycznego obciążenia na pracę układów kompensacyjnych, elektro.info, 3/2019, s. 72-76
- Hołdyński G., Skibko Z., Kompensacja mocy biernej układów z asymetrią prądową, elektro.info, 10/2018, s. 64-66
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, Dziennik Ustaw Nr 93, Poz. 623
- PN-EN 50160:2010 - Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych
- Książkiewicz A., Karczewski M., Systemy regulacji napięcia w liniach niskiego napięcia wyposażonych w instalacje PV, Wiadomości Elektrotechniczne, 5/2020, doi: 10.15199/74.2020.5.5
- Szczęsny Kujszczyk, Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2004
- Dołęga W., Kobusiński M., Projektowanie instalacji elektrycznych w obiektach przemysłowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2009
- Kowalak R., Kompensatory i ich wpływ na pracę systemu elektroenergetycznego, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2019
- Sutkowski T., Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – urządzenia i układy, COSiW SEP, 2007
