Problemy kompensacji mocy biernej w nowoczesnych układach elektroenergetycznych
The reactive power compensation problems in modern electrical power networks
Artykuł przedstawia zagadnienia związane z kompensacją mocy biernej w układach elektroenergetycznych zasilających nowoczesne obiekty przemysłowe i użyteczności publicznej oraz wyniki badań pomiarowych przeprowadzonych w wybranych obiektach.
Większość urządzeń zasilanych napięciem przemiennym do
poprawnej pracy potrzebuje, oprócz energii czynnej, również energię bierną.
Obserwowany obecnie skok technologii spowodował zróżnicowanie odbiorników
podłączanych do sieci, co skutkuje w wielu przypadkach zmianą charakteru
pobieranej mocy biernej z indukcyjnego na pojemnościowy.
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.
Powszechnie uznaje się, że urządzenia, które podczas pracy pobierają moc bierną indukcyjną, są odbiornikami mocy biernej, natomiast urządzenia, które pobierają moc bierną pojemnościową, określane są jako źródła mocy biernej.
Przepływ mocy biernej w układach elektrycznych wiąże się głównie ze zwiększeniem wartości występującego w nich spadku napięcia, strat mocy czynnej, a co za tym idzie, również kosztów inwestycyjnych – wynikających przede wszystkim ze zmniejszenia przepustowości sieci i zdolności wytwórczych generatorów.
Do podstawowych typów odbiorników energii biernej należą:
- Silniki asynchroniczne – Wartość mocy biernej pobieranej przez silnik asynchroniczny zależy od stopnia jego obciążenia – moc bierna strumienia rozproszenia jest wprost proporcjonalna do kwadratu obciążenia silnika.
- Transformatory – transformator pobiera z sieci moc bierną potrzebną na magnesowanie rdzenia (reaktancja poprzeczna), której wielkość zależy od kwadratu napięcia zasilającego.
Wraz ze wzrostem obciążenia rośnie również wartość mocy biernej związanej z procesem przepływu mocy przez reaktancję podłużną transformatora. - Źródła światła – pobieranie mocy biernej przez źródła światła ściśle związane jest z ich charakterem pracy i jest najmniejsze dla temperaturowych (rezystancyjnych) źródeł światła (żarówki tradycyjne oraz halogenowe).
Do źródeł światła charakteryzujących się największym współczynnikiem mocy należą lampy LED (tg φ = 3,3) oraz świetlówki kompaktowe (tg φ = 1,23 ± 1,69). - Odbiorniki nieliniowe – do najczęściej wykorzystywanych odbiorników nieliniowych należą przede wszystkim układy prostownikowe, tranzystorowe układy mocy, wzmacniacze magnetyczne, tyrystorowe układy regulacyjne itp. Charakteryzują się wysoką wartością współczynnika mocy oraz silnym odkształceniem prądu.
Skutkiem występowania wyższych harmonicznych prądu oraz mocy biernej są większe straty energii elektrycznej w linii zasilającej oraz odkształcenie napięcia, co wpływa na pogorszenie jakości energii doprowadzanej do innych odbiorców.
Odkształcenie prądów i napięć może stanowić zagrożenie dla układów kompensacyjnych, wykonanych zarówno z kondensatorów, jak i dławików.
W przypadku baterii kondensatorów zagrożeniem są zjawiska rezonansowe, mogące doprowadzić do przeciążenia prądowego, a nawet wybuchu kondensatorów.
W przypadku dławików kompensacyjnych może występować ich przegrzanie, spowodowane przyrostem strat mocy w rdzeniu (straty histerezowe i wiroprądowe) spowodowanym odkształceniem napięcia zasilającego.
Wszystkie te zjawiska wymuszają szczególne podejście do zagadnienia projektowania i eksploatacji urządzeń do kompensacji mocy biernej w obiektach użyteczności publicznej.
Wymagania aktualnych przepisów i norm dotyczące mocy biernej
- Według aktualnie obowiązujących przepisów krajowych, nie ma obowiązku kompensacji mocy biernej. Jednakże pobór mocy biernej może być obciążony karami finansowymi naliczanymi przez operatorów sieci dystrybucyjnych [4].
- Rozliczeniami za pobór energii biernej są objęci odbiorcy zasilani z sieci o napięciu znamionowym powyżej 1 kV oraz w uzasadnionych przypadkach mogą być objęci także odbiorcy zasilani z sieci o napięciu znamionowym do 1 kV, o ile zostało to określone w warunkach przyłączenia lub w umowie o świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej.
- Wartość umownego współczynnika mocy przyjmuje się w wysokości tg φ0 = 0,4 [1, 2, 3], chyba że indywidualna analiza uzasadnia wprowadzenie niższej wartości współczynnika, przy zachowaniu warunku, że jego wartość nie może być niższa niż 0,2 [1].
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną [1] określa podstawowe wymagania stawiane układom zasilającym urządzenia pobierające moc bierną (indukcyjną lub pojemnościową).
Przez ponadumowny pobór energii biernej przez odbiorcę uważa się ilość energii elektrycznej biernej odpowiadającą [5]:
- współczynnikowi mocy tg j wyższemu od umownego współczynnika i stanowiącą nadwyżkę energii biernej indukcyjnej ponad ilość odpowiadającą wartości współczynnika umownego (niedokompensowanie);
- indukcyjnemu współczynnikowi mocy przy braku poboru energii elektrycznej czynnej;
- pojemnościowemu współczynnikowi mocy zarówno przy poborze energii elektrycznej czynnej, jak i przy braku takiego poboru (przekompensowanie).
Opłatę za ponadumowny pobór energii biernej oblicza się wówczas według zależności [5]:
Wzór 1
gdzie:
Ob – opłata za nadwyżkę energii biernej,
Crk – cena energii elektrycznej,
k – współczynnik krotności ceny energii,
tg φ – współczynnik mocy wynikający z energii biernej pobranej,
tg φ0 – umowny współczynnik mocy,
AP – energia czynna pobrana w analizowanym okresie,
AQc – energia bierna oddana (pojemnościowa) w analizowanym okresie.
Współczynnik krotności „k” osiąga następujące wartości [5]:
kWN = 0,50 – dla odbiorców przyłączonych do sieci wysokiego napięcia,
kSN = 1,00 – dla odbiorców przyłączonych do sieci średniego napięcia,
knn = 3,00 – dla odbiorców przyłączonych do sieci niskiego napięcia.
Dobór urządzeń kompensacyjnych
Przy doborze urządzeń do kompensacji mocy biernej w należy zwrócić szczególną uwagę na następujące aspekty:
- Miejsce zainstalowania układu pomiarowo-rozliczeniowego – analizę gospodarki mocą bierną należy najlepiej przeprowadzać w punkcie pomiaru zużycia energii elektrycznej.
- Potrzebę kompensacji mocy biernej – część obiektów przemysłowych oraz użyteczności publicznej nie wymaga instalowania urządzeń do kompensacji mocy biernej (np. pojemność kabli SN lub odbiorniki pobierające moc bierną o charakterze pojemnościowym mogą całkowicie kompensować moc bierną indukcyjną pobieraną przez odbiorniki).
- Rodzaj niezbędnych urządzeń kompensacyjnych – należy określić (najlepiej za pomocą pomiarów), czy do kompensacji mocy biernej potrzebne są kondensatory, dławiki czy układ hybrydowy (zawierający zarówno kondensatory, jak i dławiki kompensacyjne).
- Miejsce zainstalowania i sposób sterowania urządzeń kompensacyjnych – najlepszym miejscem przyłączenia oraz sterowania urządzeń kompensacyjnych jest rozdzielnica, w której zainstalowany jest układ pomiarowo-rozliczeniowy.
- Poziom odkształceń prądów i napięć w miejscu planowanego przyłączenia urządzeń kompensacyjnych – poziom wyższych harmonicznych warunkuje stosowanie odpowiednich zabezpieczeń w układach kompensacyjnych – w przypadku baterii kondensatorów będą to dławiki ochronne, natomiast w przypadku dławików kompensacyjnych będzie to odpowiednia konstrukcja rdzenia oraz zabezpieczenia termiczne.
- Szybkość zmian poboru mocy biernej – będzie ona wpływać na dobór odpowiedniego układu sterowania urządzeń kompensacyjnych (dla obciążeń wolnozmiennych wystarczające będzie sterowanie za pomocą styczników, natomiast dla obciążeń szybkozmiennych niezbędne będzie zastosowanie łączników tyrystorowych luk kompensatorów statycznych – np. STATCOM).
Moc urządzenia kompensacyjnego wyznacza się wykorzystując wartość współczynnika mocy, określanego jako tangens kąta przesunięcia pomiędzy wektorami prądu i napięcia, opisanego zależnością:
Wzór 2
gdzie:
Q – moc bierna pobierana przez układ,
P – moc czynna pobierana przez układ.
Moc urządzenia kompensującego Qk można wyznaczyć wykorzystując poniższe zależności:
Wzór 3
gdzie:
tg φ – wartość współczynnika przed kompensacją,
tg φ0 – wymagana wartość współczynnika mocy po kompensacji,
P – obciążenie układu mocą czynną.
Analiza wyników badań pomiarowych przeprowadzonych w wybranych obiektach
Do rejestracji zmian wartości wielkości elektrycznych wykorzystano przenośny analizator jakości zasilania MAVOWATT 240 firmy GOSSEN METRAWATT, posiadający certyfikat kalibracji wydany przez Laboratorium Drantez.
Analizator ten przeznaczony jest do pomiarów i rejestracji parametrów pracy sieci elektroenergetycznej zgodnie ze standardami takimi jak: IEC 61000-4-30 Klasa A (wszystkie wielkości mierzone), IEC 610004‑7 (harmoniczne), IEC 61000-4‑15 (migotanie światła - flicker), IEEE 1159, IEEE 519 i IEEE 1453 i pozwala na wykonywanie pomiarów w instalacjach o kategoriach CAT III i CAT IV.
Pomiary prowadzone były w formie rejestracji ciągłej w okresie jednego tygodnia, z 10-minutowym uśrednianiem i zapisem danych.
Na rys. 1 i rys. 2 przedstawiono tygodniowe przebiegi wartości wielkości elektrycznych zarejestrowanych na szynach zbiorczych niskiego napięcia obiektu użyteczności publicznej (obiekt 1), zasilanego z własnej stacji transformatorowej SN/nn (układ pomiarowo-rozliczeniowy znajduje się po stronie SN), wyposażonego w wiele systemów elektronicznych (monitoring, kontrola dostępu, ochrona przeciwpożarowa, wentylacja, klimatyzacja itp.).
Na rys. 3, rys. 4, rys. 5 i rys. 6 przedstawiono tygodniowe przebiegi wartości wielkości elektrycznych zarejestrowanych na szynach zbiorczych niskiego napięcia w sekcji 1 oraz sekcji 2 obiektu przemysłowego (obiekt 2). Natomiast na rys. 7 i rys. 8 przedstawiono przebiegi wartości zarejestrowane w miejscu zainstalowania układu rozliczeniowego. Drugi z badanych obiektów przyłączony jest do sieci średniego napięcia poprzez rozdzielnię SN.
Następnie energia rozprowadzana jest na terenie zakładu za pośrednictwem wewnętrznej sieci średniego napięcia (linie kablowe) do stacji oddziałowych SN/nn, a potem siecią (instalacją) niskiego napięcia do poszczególnych odbiorów. Układ pomiarowo-rozliczeniowy zainstalowany na poziomie średniego napięcia w punkcie przyłączenia obiektu do sieci.
Rys. 1. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej obiektu 1; rys. G. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 2. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg φ obiektu 1; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 3. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej na szynach nn stacji oddziałowej SO1 obiektu 2; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 4. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg φ na szynach nn stacji oddziałowej SO1 obiektu 2; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 5. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej na szynach nn stacji oddziałowej SO2 obiektu 2; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 6. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg φ na szynach nn stacji oddziałowej SO2 obiektu 2; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 7. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej na szynach rozdzielni SN w obiekcie 2; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Rys. 8. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg φ na szynach rozdzielni SN w obiekcie 2; rys. Hołdyński, Z. Skibko
Z analizy przebiegów obciążeń mocą czynną i bierną obiektu 1 (rys. 1.) wynika, że charakter odbiorników zmienia się w czasie (występuje obciążenie zarówno indukcyjne, jak i pojemnościowe).
Odbiorniki o charakterze pojemnościowym przeważają przy mniejszych obciążeniach, natomiast przy większym obciążeniu dominują odbiorniki o charakterze indukcyjnym.
To samo zjawisko można zaobserwować analizując przebiegi współczynnika mocy tg φ (rys. 2.), który osiąga zarówno wartości dodatnie, jak i ujemne (od –0,36 do 0,96), znacznie przekraczając wartości dopuszczalne obowiązującymi przepisami. Aby całkowicie wyeliminować opłaty za energię bierną w obiekcie 1 należałoby zainstalować dławik kompensacyjny o mocy 10 kvar.
Przy doborze dławików kompensacyjnych należy pamiętać, że wprowadzają one w sieci dodatkowe, dość duże straty mocy czynnej, wahające się w zależności od konstrukcji i mocy znamionowej dławika w granicach od 1% do 4% Qn [4].
W związku z tym, instalowanie zbyt dużych dławików może w niektórych przypadkach nie przynieść zamierzonego efektu obniżenia kosztów energii elektrycznej, ponieważ dodatkowe opłaty związane z istnieniem strat mocy czynnej w dławiku mogą znacznie zmniejszyć lub w skrajnym przypadku przewyższyć zysk wynikający z obniżenia opłat za energię bierną. Dlatego w niektórych przypadkach korzystne jest pozostawienie niewielkich opłat za energię bierną pojemnościową zmniejszając moc dławika i związanych z tym strat mocy.
W analizowanym przypadku najlepszym rozwiązaniem, z punktu widzenia minimalizacji opłat za energię elektryczną (ze względu na ograniczenie strat mocy własnych dławika; mimo niecałkowitego skompensowania wartości mocy biernej pobieranej przez układ), byłoby zainstalowanie dławika o mocy 6 kvar.
Zainstalowanie dławików o mniejszych mocach w tym przypadku pozwoliłoby nie tylko na obniżenie kosztów energii, ale także kosztów samych dławików, co zwiększyłoby opłacalność inwestycji.
Analizując przebiegi mocy biernych zarejestrowane w obiekcie 2 na szynach niskiego napięcia stacji oddziałowych (rys. 3. i rys. 5.) można zauważyć, że odbiory pracujące w analizowanym zakładzie mają ogólnie charakter indukcyjny (maksymalna zmierzona wartość mocy biernej w stacji SO1 wynosi 49,6 kvar, przy 93,7 kvar w stacji SO2), co odpowiada wartościom współczynnika mocy, które również w tym przypadku przekraczają wartości dopuszczalne w aktualnie obowiązujących przepisach, i wynoszą maksymalnie 0,76 w stacji SO1 i 0,64 w stacji SO2 (rys. 4. i rys. 6).
Na podstawie pomiarów wykonanych na szynach niskiego napięcia obu stacji oddziałowych, należałoby zainstalować układ kompensacyjny złożony z baterii kondensatorów o łącznej mocy około 18 kvar dla stacji SO1 oraz 35 kvar dla stacji SO2.
Takie same pomiary wykonane na szynach średniego napięcia rozdzielni głównej (PZO) obiektu 2 wykazują, że moc bierna pobierana przez zakład ma charakter nie czysto indukcyjny, ale nocami (gdy znacząco spada wartość mocy czynnej pobieranej), ma ona charakter pojemnościowy (wynikający z mocy biernej pojemnościowej ładowania kabli średniego napięcia zasilających poszczególne stacje oddziałowe). W związku z tym zarejestrowane wartości współczynnika mocy przyjmują również wartości ujemne.
Zaobserwowano również znacząco mniej przekroczeń (w porównaniu do pomiarów wykonanych na szynach niskiego napięcia stacji oddziałowych) wartości dopuszczalnej współczynnika mocy o charakterze indukcyjnym (0,4).
W związku z tym, na podstawie pomiarów wykonanych na szynach średniego napięcia rozdzielni głównej (PZO), należałoby dobrać układ kompensujący złożony z kondensatorów o łącznej mocy około 16 kvar oraz dławików kompensacyjnych, o łącznej mocy około 7 kvar (bateria hybrydowa).
Podsumowanie
Reasumując powyższe rozważania można wyciągnąć następujące wnioski:
- w nowoczesnych układach elektroenergetycznych, do kompensacji mocy biernej należy stosować bardzo często układy hybrydowe złożone zarówno z kondensatorów, jak i dławików kompensacyjnych,
- przy doborze układu kompensacyjnego na podstawie pomiarów kluczowym jest właściwe określenie miejsca zainstalowania rejestratora. Najlepiej, aby rejestracja dokonywana była w miejscu zainstalowania układu pomiarowo-rozliczeniowego lub jak najbliżej tego miejsca,
- podczas doboru układu kompensacyjnego dane uzyskane z pomiarów należy skonfrontować z informacjami zawartymi w rachunkach za energię elektryczną,
- przy doborze mocy dławików kompensacyjnych należy uwzględnić powstałe dodatkowe straty mocy czynnej, wahające się w zależności od konstrukcji i mocy znamionowej dławika w granicach od 1 do 4% Qn,
- przy doborze mocy układu kompensacyjnego należy dążyć nie tylko do likwidacji opłat za energię bierną, ale do ogólnej minimalizacji opłat za energię elektryczną. Zainstalowanie dławików o mniejszych mocach może spowodować nie tylko obniżenie kosztów energii, ale także kosztów samych dławików, co zwiększy opłacalność inwestycji,
- najlepszym rozwiązaniem układu kompensacyjnego, w przypadku rozległych sieci przemysłowych, jest zastosowanie urządzeń niskiego napięcia przyłączonych do szyn nn jednej ze stacji oddziałowych i wysterowanie ich za pomocą sygnałów pochodzących z przekładników zainstalowanych w rozdzielni głównej SN.
***
Artykuł prezentowany na konferencji JEE, Grodków 2016 r.
Rys. 1. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej obiektu 1
Rys. 2. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg j obiektu 1
Rys. 3. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej na szynach nn stacji oddziałowej SO1 obiektu 2
Rys. 4. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg j na szynach nn stacji oddziałowej SO1 obiektu 2
Rys. 5. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej na szynach nn stacji oddziałowej SO2 obiektu 2
Rys. 6. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg j na szynach nn stacji oddziałowej SO2 obiektu 2
Rys. 7. Tygodniowy przebieg zmian wartości mocy czynnej i biernej trójfazowej na szynach rozdzielni SN w obiekcie 2
Rys. 8. Tygodniowy przebieg zmian wartości współczynnika mocy tg j na szynach rozdzielni SN w obiekcie 2
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 7 czerwca 2013 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną (Dz. U., poz. 1200)
- Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (zatwierdzona decyzją Prezesa URE nr DRR-4321-29(5)/2013/MKo4 z dnia 10 września 2013r),
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. z 2007 r., Nr 93, poz. 623)
- Praca zbiorowa pod redakcją Kujszczyka Sz.: Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze Tom 2, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004.
- Taryfa dla usług dystrybucji energii elektrycznej. PGE Dystrybucja S.A., Lublin 2016 r.
