Korzyści wynikające z zastosowania ultraszybkiej kompensacji mocy biernej
Benefits of using ultra-fast reactive power compensation
Przykład efektów zastosowania ultraszybkiej kompensacji przy rozruchu silnika 125 HP
Zgodnie z art. 5 Ustawy o efektywności energetycznej [1], która weszła w życie z dniem 11 sierpnia 2011 r., „osoby fizyczne, osoby prawne oraz jednostki organizacyjne nieposiadające osobowości prawnej, zużywające energię elektryczną, podejmują działania w celu poprawy efektywności energetycznej”. Jednym z przedsięwzięć jest ograniczenie strat związanych z poborem energii biernej indukcyjnej. W tym celu można stosować lokalne i centralne układy do kompensacji mocy biernej [1].
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.
W artykule:• Szybkość załączania urządzeń do kompensacji mocy biernej• Techniczne aspekty ultraszybkiej kompensacji • Technologia opisana na przykładzie urządzenia Equalizer firmy ELSPEC • Funkcje realizowane przez ultraszybkie kompensatory |
StreszczenieW artykule zaprezentowano korzyści wynikające z zastosowania układów ultraszybkiej kompensacji mocy biernej. Układ ultraszybkiej kompensacji to system poprawy jakości energii w czasie rzeczywistym, który zapewnia: poprawę współczynnika mocy, oszczędność energii, kontrolę i kondycjonowanie napięcia poprzez: redukcję migotania, redukcję przepięć i skoków prądu, filtrację harmonicznych oraz dużo więcej zastosowań dla różnych obciążeń dynamicznych. Urządzenie realizujące ultraszybką kompensację to Equalizer.AbstractThe article presents the benefits resulting from the use of ultra-fast passive reactive power compensation systems. The ultra-fast compensation system is a real-time power quality improvement system that provides: power factor improvement, energy saving, control and conditioning of the voltage by: reduction of flicker, reduction of overvoltage and jumps of current, harmonic filtration and many more applications for different dynamic loads. The device that performs ultra-fast compensation is the Equalizer. |
Instalując urządzenia do kompensacji mocy biernej można uzyskać prawidłowy efekt w zakresie wymaganego współczynnika mocy, ale jednocześnie może się okazać, że w miejscu ich zainstalowania wystąpi wzrost harmonicznych napięcia i prądu, co może być spowodowane między innymi nadmiarem pojemności w układzie, wynikającym ze zbyt wolnego procesu załączania lub wyłączania poszczególnych stopni baterii kondensatorów w stosunku do zmian zachodzących w układzie [3].
W warunkach technicznych przyłączenia do sieci elektroenergetycznej, wydawanymi dla obiektów (odbiorców), określony jest poziom energii biernej indukcyjnej, która może być pobierana przez obiekt z sieci i dany odbiorca nie poniesie żadnych dodatkowych opłat z tego tytułu. Jednak wiele urządzeń elektrycznych, takich jak: silniki elektryczne, klimatyzacja, wyładowcze oprawy oświetleniowe i inne odbiorniki nieliniowe, potrzebują do prawidłowej pracy znaczne ilości energii biernej indukcyjnej, co może skutkować przekroczeniem dopuszczalnego limitu [1].
W celu optymalnego doboru urządzeń do kompensacji mocy biernej niezbędne jest przeprowadzenie prawidłowych pomiarów. Im dokładniejsze pomiary, tym bardziej precyzyjny dobór urządzeń do kompensacji mocy biernej. Czas pomiarów musi umożliwić analizę zmian obciążenia w danym zakładzie czy obiekcie. Pomiary należy przeprowadzić odpowiednim sprzętem, najlepiej odpowiedniej klasy rejestratorami podstawowych parametrów sieci [1, 2].
Szybkość załączania urządzeń do kompensacji mocy biernej
Jednym z najbardziej istotnych parametrów występujących w urządzeniach do kompensacji mocy biernej jest czas zadziałania. Urządzenia te, ze względu na czas reakcji, można podzielić na cztery grupy. Do pierwszej grupy możemy zaliczyć urządzenia, w których czas reakcji wynosi od kilkudziesięciu do kilkunastu sekund. Do tej grupy zalicza się kompensatory, w których załączanie odpowiednich stopni odbywa się za pomocą styczników. Druga grupa urządzeń z czasem zadziałania do 2 sekund, to takie, w których wykorzystano np. tyrystory wraz z dodatkowymi układami rozładowczymi. Do trzeciej grupy zalicza się szybkie urządzenia, w których przyjmuje się, że czas ich zdziałania jest w granicach 60–120 ms (3–5 okresów) oraz wyposażone są w układy kontrolujące moment załączania kondensatora w tzw. „0”.
Do czwartej grupy zalicza się urządzenia tzw. ultraszybkie, w których proces kompensacji odbywa się w ciągu trwania jednego okresu zmian napięcia zasilającego (20 ms). Wszystkie te urządzenia mogą być wykorzystywane w układach zasilania, a ich wybór zależy od funkcji, jaką mają pełnić w układzie oraz od rachunku ekonomicznego. Wpływ szybkości działania kompensatorów opisano w artykule [4]. Stycznikowe układy wprowadzają do sieci dodatkowe, często znaczne, zakłócenia. Częściowym rozwiązaniem tego problemu mogą być kompensatory z układami tyrystorowymi. Nie wprowadzają dodatkowych zakłóceń, ale też ich nie eliminują. Taką możliwość daje dopiero tzw. ultraszybka kompensacja.
Zastosowanie odpowiednich urządzeń do kompensacji mocy biernej, zarówno ze względów technicznych, jak i ekonomicznych, podyktowane jest zmiennością obciążeń w systemie elektroenergetycznym. Coraz bardziej powszechne są urządzenia i procesy, gdzie obciążenie zmienia się bardzo szybko lub kombinacja kilku/kilkunastu urządzeń zasilanych z jednej rozdzielnicy/transformatora powoduje, że obciążenie widziane od strony zasilania jest bardzo dynamiczne i zmienne (niejednoczesność procesu produkcji, różne czasy załączania i wyłączania, różny pobór mocy poszczególnych urządzeń).
W systemie elektroenergetycznym występują również obciążenia statyczne, gdzie zmiana obciążenia jest skokowa np. tylko kilka razy na dobę. W takim przypadku wystarczy zastosować kompensację standardową, która oparta jest na stycznikach jako elementach załączających. Może to być wciąż rozwiązanie najkorzystniejsze ze względów ekonomicznych. Oczywiście jest jeszcze aspekt trwałości baterii, ponieważ w takich bateriach nie ma możliwości w pełni kontrolować załączania kondensatorów przy przejściu sinusoidy przez zero (nawet jeśli sterownik ma taką możliwość). Czasy zadziałania styczników są poza kontrolą i załączenie zawsze będzie poza punktem przejścia napięcia zasilającego przez „zero”. Skutkuje to pojawieniem się przepięć na zaciskach kondensatorów, które mogą skutkować ich uszkodzeniem. Jeżeli ze względu na małą częstotliwość przełączania, uszkodzenia mogą nie wystąpić lub objawić się dopiero po kilku latach eksploatacji, nasuwa się pytanie natury ekonomicznej: czy warto stosować ultraszybką kompensację? Rozważenie tego problemu pozostawiamy czytelnikom.
Zapewnienie wymaganych parametrów jakościowych dostarczanej energii zasilania odbiorników w takich przypadkach staje się skomplikowanym zagadnieniem. Jednym ze sposobów rozwiązania tych problemów jest zastosowanie w systemie układów ultraszybkiej kompensacji.
Techniczne aspekty ultraszybkiej kompensacji
Układy ultraszybkiej kompensacji wykorzystują łączniki statyczne (tyrystory mocy) zapewniając uniknięcie wszelkich przepięć przy załączaniu kondensatorów, co eliminuje wszelkie niekorzystne skutki przepięć na kondensatorach, zapewniając trwałość urządzeń przez wiele lat. Zatem efekty ekonomiczne powinny być rozpatrywane w dłuższych okresach eksploatacji – kilkuletnich.
Baterie ultraszybkie zawsze dostarczane są z dławikami ochronnymi, zapewniając tym samych ich ochronę przed ewentualnymi skutkami wyższych harmonicznych (eliminując ryzyko wystąpienia rezonansu i uszkodzenia kondensatorów). Jak w poprzednim przypadku, efekt jest taki sam, czyli wydłużenie żywotności urządzeń.
Baterie ultraszybkie w praktyce idealnie kompensują moc bierną (lustrzana kompensacja). Dzieje się tak dlatego, że przede wszystkim sterownik jest w stanie wysterować bardzo szybko zadziałanie urządzenia, ale również dlatego, że baterie ultraszybkie kompensują moc bierną w jednym kroku (nie ma załączania poszczególnych stopni kondensatorów w sekwencji) oraz że kompensują dokładnie taką moc, jaka zmiana zajdzie w układzie, niezależnie od tego, jakie mamy wielkości kondensatorów w urządzeniu. Moc kompensowana jest dokładnie taka, o ile nastąpiła zmiana, np. jeżeli w urządzeniu zainstalowanych jest 5 kondensatorów po 25 kavr, to całkowita moc wynosi 125 kvar, a zmiana wystąpiła 89 kvar, to urządzenie skompensuje tylko 89 kvar, podczas gdy tradycyjna kompensacja załączyłaby 75 kvar lub 100 kvar i to w kilku krokach a nie za jednym razem.
Takie rozwiązanie zapewnia uniknięcie sytuacji, w której układ może być przekompensowany lub nie w pełni skompensowany.
Na rysunku 1. pokazano skuteczność dla kompensacji ultraszybkiej z wykorzystaniem Equalizera (rys. 1a) oraz kompensacji tradycyjnej opartej na łącznikach stycznikowych (rys. 1b).
Rys. 1. Interpretacja graficzna skuteczności dwóch rodzajów kompensacji: a) ultraszybkiej, b) tradycyjnej opartej na łącznikach stycznikowych
W momencie wystąpienia zmiany poboru mocy biernej, układ ultraszybkiej kompensacji reaguje natychmiast kompensując moc bierną dokładnie tyle, ile potrzeba w jednym kroku. Acquisition Time jest jedynie zwłoką pomiędzy 1/3–2/3 trwania okresu (od 7 do 16 ms) potrzebną na wychwycenie zmiany i skompensowanie, jak również po to, by poczekać na przejście sinusoidy przez zero. Po powrotnym spadku mocy biernej reakcja jest równie szybka. Bateria może wykonywać takie cykle bez żadnej przerwy, ponieważ w bateriach ultraszybkich pojemność kondensatorów jest regulowana przez sterownik i używane jest tyle pojemności, ile jej potrzeba – nie czeka się na rozładowanie kondensatorów.
W przypadku baterii tradycyjnych, dużo wolniejszych, reakcja urządzenia następuje z opóźnieniem oraz przebiega w krokach zależnych od ustawionych stopni baterii. W momencie zmiany mocy biernej układ załącza pierwszy stopień baterii, następnie mierzy kolejny raz i załącza ewentualnie drugi i kolejne stopnie. Tak więc do momentu osiągnięcia wymaganej mocy występują stany, w którym moc bierna nie jest w pełni skompensowana. W przypadku szybkich zmian obciążenia zanim układ tradycyjny skompensuje w pełni tę zmianę, może już nastąpić powrotny spadek mocy biernej i wtedy układ będzie przekompensowany (pojemność kondensatorów załączonych do tego czasu przez baterię będzie za duża w stosunku do zmniejszonej mocy biernej), ponieważ znów urządzenie zareaguje z opóźnieniem i zacznie schodzić w dół po stopniach baterii. Oczywiście uśredniając te reakcje w pewnym stopniu moce się skompensują, ale mając to na uwadze baterie wolniejsze reagujące w ten sposób muszą być dobierane tak, aby to przewidzieć. Trzeba też bardzo starannie dobierać stopnie baterii i ich liczbę.
Technologia (opisana na przykładzie urządzenia Equalizer firmy ELSPEC
Główne elementy układów ultraszybkich to: moduł przełączający, sterownik, kondensatory oraz dławik (rys. 2.) [5, 6]. Moduł przełączający jest zbudowany z półprzewodnikowych elementów przełączających, które zapewniają niezawodne, bardzo szybkie i bezprzepięciowe działanie. Jedno-, dwu- lub trzyfazowe przełączniki elektroniczne SCR/SCR lub SCR/dioda są wykorzystywane dla każdej grupy kondensatorów. Moduły przełączające są specjalnie dobrane dla każdego Equalizera na podstawie całkowitej liczby grup kondensatorów, wymagań prądowych i napięcia znamionowego.
Rys. 2. Główne elementy Equalizera firmy ELSPEC [6]
Podstawę technologiczną sterownika stanowią cyfrowy procesor sygnału (DSP – digital signal processor) i komponent VLSP (Virtual Link State Protocol). Sterownik wyposażony jest w wyświetlacz LCD, analogowe i cyfrowe obwody, dokładne algorytmy wykonawcze i opcjonalne możliwości komunikacyjne. Sterownik ma 9 kanałów wejściowych: 4 napięciowe, 3 główne prądowe i 2 dla wewnętrznych systemów prądowych. Informacje zbierane z tych wejść pomiarowych są użyte do utworzenia szybkiej Analizy Fouriera (FFT – Fast Fourier Transform) wykonywanej dla każdego okresu przebiegu fali na wszystkich kanałach. Zaawansowany algorytm kontroli, który uwzględnia unikalną opatentowaną technologię szybkiej kompensacji, oblicza wymaganą kompensację w 1 ms, a harmoniczne są obliczane we wszystkich fazach pozwalając Equalizerowi osiągnąć idealną kompensację nawet przy ich występowaniu.
Sterownik Equalizera jest dostępny z szerokim wyborem poziomów zbierania danych, od pomiarów tylko parametrów podstawowych (napięcia, prądu, częstotliwości, mocy czynnej, mocy biernej, mocy pozornej) do kompletnego monitoringu wydajności systemu zasilania, który czerpie korzyści z wszechstronnego systemu pomiarowego (ponad 2000 parametrów elektrycznych włączając poziomy min/max i czterokwadrantowy pomiar mocy i współczynnika mocy).
Każdy Equalizer ma specjalnie zaprojektowane dławiki z rdzeniami z żelazapodłączonymi w szereg z kondensatorami. Każdy dławik jest produkowany pod ścisłą kontrolą tolerancji, aby zapewnić dobrą jakość. Dławiki są laminowane, mają rdzeń z niskimi stratami pętli histerezy, miedziane uzwojenia, precyzyjnie kontrolowane przerwy powietrzne w rdzeniach i klasę izolacji H (1800C).
Kondensatory typu MKP są małostratne (0,25 W/kvar) i zamknięte w cylindrycznych obudowach aluminiowych. Kondensator MKP jest zbudowany ze zwijek z cienkiej metalizowanej folii polipropylenowej. Wykazuje się bardzo dobrymi właściwościami samoregenerującymi i ma zabezpieczenie nadciśnieniowe zrywające połączenie elektryczne w przypadku uszkodzenia, co zabezpiecza przed jego rozerwaniem. Dla zredukowania efektów przeciążenia elektrycznego i termicznego oraz wydłużenia żywotności, kondensatory są załączane tylko przy przejściu prądu przez zero oraz pracują w trybie rozdziału czasu pracy SCAN(urządzenie skanuje temperaturę kondensatorów i załącza te, które pracowały mniej – mają niższą temperaturę).
Funkcje realizowane przez ultraszybkie kompensatory
Układy ultraszybkiej kompensacji to system poprawy jakości energii w czasie rzeczywistym, który zapewnia: korekcję współczynnika mocy, oszczędność energii, kontrolę i kondycjonowanie napięcia poprzez: redukcję migotania, redukcję przepięć i przetężenia prądowe, filtrację harmonicznych.
„Idealna” kompensacja współczynnika mocy
Wykorzystując ekskluzywne automatyczne algorytmy kontroli i szybkie przełączanie elektroniczne całkowity czas kompensacji (pełna kompensacja prądu biernego) jest osiągana zazwyczaj w 2/3 trwania okresu niezależnie od ilości wymaganych stopni załączenia.
Stabilizacja napięcia
Jedną z funkcji, która może być realizowana przez ultraszybkie kompensatory jest możliwość stabilizacji napięcia w zakresie +/–10%. Bateria ultraszybka ma możliwość regulacji napięcia poprzez włączanie/wyłączanie pojemności/indukcji do sieci. Trudnością jest natomiast robienie tego tak szybko, aby było to nieodczuwalne dla urządzeń zasilanych oraz aby nie było to „wyłapywane” przez licznik energii. Dlatego robione jest to tylko w połówkach okresu, tak aby licznik energii, który zlicza po całym okresie, tego nie wychwycił.Funkcja stabilizacji napięcia jest dla standardowych baterii nieosiągalna i jedynymi urządzeniami, które można by tu porównać, są filtry aktywne, które są jednocześnie kilka razy droższym rozwiązaniem.
Migotanie napięcia
Kolejną funkcją, również wynikającą z szybkości działania i rozwiązań opisanych powyżej (kompensacja w punkt w jednym kroku itd.), jest to, że bateria ultraszybka eliminuje również migotanie napięcia (flickery). Podobnie jak powyżej, jedynym urządzeniem, które może tu dorównać, jest filtr aktywny. Migotanie jest często dużą dolegliwością w przypadku pracy odbiorów nieliniowych z dużą liczbą harmonicznych i wpływa niekorzystnie między innymi na źródła światła.
Rozruch silników
Ultraszybka bateria jest doskonałym rozwiązaniem do wykorzystania jako urządzenie kompensujące pobór mocy biernej przy rozruchu silników dużej mocy, gdzie współczynnik mocy mieści się w granicach 0,1–0,4. Przy rozruchu silnika/ów następuje również duży spadek napięcia, który bateria może natychmiastowo skompensować. Nie są więc potrzebne żadne dedykowane softstarty czy inne urządzenia rozruchowe (zwłaszcza że takie urządzenia generują harmoniczne do układu zasilania).
Na rysunku 3. pokazano przykład efektów zastosowania ultraszybkiej kompensacji przy rozruchu silników. Na rysunku 3. pokazano, jak szybka jest reakcja systemu kompensacji, co powoduje redukuję spadku napięcia i poboru prądu rozruchowego. Taki sposób rozruchu silników nie wpływa na obniżenie mocy na wale silnika.
Rys. 3. Przykład efektów zastosowania ultraszybkiej kompensacji przy rozruchu silnika 125 HP
W tabeli 1. zestawiono porównanie, które pokazuje różnice pomiędzy trzema sposobami rozruchu silnika/grupy silników o mocy 5 MW zasilanych napięciem 11,5 kV. Porównanie przeprowadzono dla rozruchu bezpośredniego, rozruchu z wykorzystaniem układu softstartu oraz rozruchu z wykorzystaniem Equalizera ST 32 Mvar. Dla porównania podano następujące wielkości: czas rozruchu, spadek napięcia, prąd rozruchu, współczynnik harmonicznych w napięciu i współczynnik harmonicznych w prądzie. Każda z podanych wielkości jest najkorzystniejsza dla rozruchu z wykorzystaniem Equalizera.
Objaśnienia: THD U – współczynnik zawartości harmonicznych w napięciu, THD I – współczynnik zawartości harmonicznych w prądzie Tab. 1. Porównanie charakterystycznych parametrów dla trzech rodzajów rozruchu przykładowego silnika/grupy silników o mocy 15 MW zasilanego napięciem 11,5 kV
Eliminacja wyższych harmonicznych
Układy ultraszybkich kompensatorów połączone z dławikami dostrojonymi do wyższych harmonicznych zachowują się jak filtry pasywne. Stosowanie filtrów pasywnych ma oczywiście swoje zalety, ale dopiero w połączeniu z szybką kompensacją rozwiązanie to staje się unikatowe. Tak zbudowane układy hybrydowe mogą konkurować bezpośrednio z filtrami aktywnymi.
Podsumowanie
Układy ultraszybkiej kompensacji to systemy poprawy jakości energii w czasie rzeczywistym, posiadające wiele zalet technicznych, których nie zapewniają wolniejsze tradycyjne baterie ze względu na ich czas reakcji. Jednak w systemie elektroenergetycznym nie w każdym przypadku należy stosować stosunkowo drogie rozwiązania wykorzystujące ultraszybką kompensację. Każdy przypadek należy rozpatrzyć indywidualnie. Equalizer włącza i wyłącza grupy kondensatorów wykorzystując najwyższej klasy wyłączniki elektroniczne. Załączenie i wyłączenie kondensatorów następuje dokładnie w momencie przejścia sinusoidy prądowej przez zero (bezprądowo).
Takie łagodne łączenie zapewnia uniknięcie przepięć, które zwykle występują przy łączeniu systemów kompensacji mocy biernej (PFC) z elektromechanicznymi elementami wykonawczymi. Ten sposób działania powoduje znaczny wzrost żywotności tego urządzenia.Skutki ekonomiczne zastosowania Equalizerów są długofalowe i wynikają przede wszystkim z faktu, że użytkownik otrzymuje urządzenie, które w praktyce jest bezobsługowe i bezawaryjne oraz którego żywotność jest zapewniona na długie lata.
Literatura:
- Ustawa o efektywności energetycznej z dnia 15 kwietnia 2011 r. (DzU nr 94, poz. 551, z późn. zm.).
- K. Herlender, M. Żebrowski, Kompensacja mocy biernej jako jeden z elementów poprawy efektywności energetycznej, „elektro.info”, nr 12/2014.
- Z. Hanzelka, A. Piekarz, Załączanie baterii kondensatorów w sieciach niskiego i średniego napięcia, AGH, Kraków 2000.
- K. Herlender, M. Żebrowski, Wpływ szybkości komutacji baterii kondensatorów na zawartość wyższych harmonicznych, „elektro.info”, nr 7–8/2016.
- Informacje techniczne zawarte na stronach www.REBUD.pl.
- Informacje techniczne zawarte na stronach www.elspec-ltd.com.
