Kompensacja mocy biernej. Jakie są metody kompensacji mocy biernej, jakie urządzenia stosować?

Kompensacja mocy biernej pozwala na zmniejszenie współczynnika mocy, poprawia trwałość sieci. Duża ilość wytworzonej mocy biernej przekłada się na większy rachunek za energię elektryczną. Jakie są zatem metody kompensacji mocy biernej? Jak wyeliminować opłaty za pobór energii biernej?

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie

W artykule:

• Kompensacja mocy biernej - co to takiego?
• Kompensacja mocy biernej - rozliczenie za energię elektryczną
• Kompensacja mocy biernej - źródła mocy biernej
• Metody kompensacji mocy biernej
• Kompensacja mocy biernej - dobór urządzeń kompensacyjnych
• Kompensacja mocy biernej - podsumowanie

Kompensacja mocy biernej - co to takiego?

Większość odbiorników prądu przemiennego pobiera z sieci elektroenergetycznej lub innych źródeł zasilających energię czynną i bierną. Pierwsza z nich jest przetwarzana na pracę użyteczną i ciepło strat. Druga zaś, choć nie wykonuje żadnej pracy, jest niezbędna do poprawnego działania szeregu odbiorników energii elektrycznej (m.in. silników, transformatorów). Moc bierna Q [var] jest miarą energii pulsującej między elementem indukcyjnym (L) i pojemnościowym (C) odbiornika a źródłem energii elektrycznej. W znacznej mierze obciąża ona źródło prądu, co powoduje dodatkowe straty ciepła. Moc bierna jest równa iloczynowi wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinusa kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem.

Odbiorniki jednofazowe:

Q=U · I · sin · φ

Odbiorniki trójfazowe:

Q=3U_f · I_f · sin · φ

gdzie:

U_f I_{f -} wartości skuteczne napięć i prądów fazowych,

U I - wartości skuteczne napięć i prądów przewodowych. Zależność poszczególnych mocy została przedstawiona na rysunku.

Patrz też: Jak oszczędzać energię elektryczną w budynku wielorodzinnym?

Miarą składowej biernej prądu jest współczynnik mocy cosj, często wyrażany również jako tgj, podawany w warunkach technicznych przyłączenia do sieci elektroenergetycznej, taryfie za energię elektryczną i innych dokumentach stosowanych w energetyce zawodowej. Wartość współczynnika mocy tgφ można przeliczyć na cosφ, korzystając ze wzoru:

Praca odbiorników przy małej wartości współczynnika mocy cosφ przyczynia się do zwiększenia poboru prądów roboczych w stosunku do pracy przy tej samej mocy czynnej i współczynniku mocy bliskim jedności.

Niski współczynnik mocy (cosφ) powoduje szereg skutków ujemnych:

• konieczność instalowania urządzeń wytwórczych i przetwórczych o większych mocach znamionowych,
• wymusza wykorzystywanie aparatów o większych prądach znamionowych oraz dopuszczalnych prądach zwarciowych,
• wymaga stosowania przewodów o większych przekrojach,
• zmniejsza przepustowość sieci zasilających,
• podnosi straty energii czynnej w transformatorach, sieciach oraz instalacjach odbiorczych, zwiększa spadki napięć w transformatorach i liniach zasilających.

W instalacjach elektrycznych odbiorców, gdzie nie występują odbiorniki indukcyjne współczynnik mocy cosφ jest bliski jedności. Natomiast w zakładach przemysłowych i usługowych jego wartość może być znacznie mniejsza od jedności. Wynika to głównie z urządzeń technologicznych wyposażonych w silniki lub inne odbiorniki o małym znamionowym współczynniku mocy. Silnik elektryczny lub transformator pobiera moc bierną na magnesowanie (równą niemalże mocy pozornej przy pracy jałowej) oraz na pokrycie strat mocy biernej przy obciążeniu:

Q= 3 · I²_abc (X₁+ X₂)

Schemat zastępczy transformatora oraz silnika elektrycznego, na którym oznaczono rozpływy prądów przedstawia rysunek.

Przepływ energii biernej od źródła zasilania do odbiornika powoduje dodatkowe zużycie energii elektrycznej wskutek strat. W celu ich zmniejszenia trzeba dążyć do ograniczenia poboru mocy i energii biernej do wartości niezbędnych na magnesowanie i pokrycie strat w warunkach znamionowych. Moc urządzeń kompensujących należy wyznaczyć ze wzoru:

Q_k = P · k (tg_n - tgφ_k)

gdzie:
P – moc czynna odbiorników [kW],
k – (1,1–1,3) współczynnik korekcji wynikający z bezwładności układu,
tgφ_n – naturalny wskaźnik mocy (bez kompensacji),
tgφ_k – wymagany przez dostawcę energii wskaźnik mocy.

Dobrana moc urządzeń do kompensacji mocy biernej indukcyjnej nie może spowodować przekompensowania, które objawi się ujemną wartością współczynnika cosφ_k. Sprawdzenie należy wykonać, korzystając ze wzorów:

gdzie:
P_z – moc czynna zapotrzebowana przez odbiorniki [kW],
Q_z – moc bierna zapotrzebowana przez odbiorniki [kvar],
Q_k – moc urządzeń przeznaczonych do kompensacji mocy biernej [kvar].

Ujemna wartość współczynnika mocy cosφ świadczy o przekompensowaniu, które jest szkodliwe dla odbiorników oraz sieci zasilającej, gdyż powoduje wzrost napięcia i wyższych harmonicznych (THD) w punkcie przyłączenia kompensatora.

Kompensacja mocy biernej - rozliczenie za energię elektryczną

Powyżej przedstawione zostały (od strony technicznej) negatywne skutki przepływu mocy biernej w sieci. Przekroczenie dopuszczalnych wartości tgφ niesie ze sobą również dodatkowe obciążenie finansowe.
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (DzU z 2007 nr 89, poz. 623) dopuszczalny pobór mocy biernej z systemu elektroenergetycznego określony jest przez tgφ, którego wartość nie może być większa niż 0,4. Rozporządzenie to jednocześnie zezwala (w uzasadnionych przypadkach) na możliwość żądania przez Operatora Sieci Dystrybucyjnej (OSD) wartości mniejszej od 0,4 (w praktyce nie jest ona niższa niż 0,2).

Przekroczenie dopuszczalnego poziomu wskaźnika tgφ powoduje naliczanie (określonych w taryfie dla energii elektrycznej, zatwierdzonej przez prezesa URE) dodatkowych opłat za pobór ponadnormatywnej
mocy biernej. W celu zmniejszenia poboru mocy biernej indukcyjnej z systemu elektroenergetycznego stosuje się jej kompensację, polegającą na instalowaniu urządzeń, które lokalnie wytwarzają moc bierną (np. baterie kondensatorów).
Na przykładzie fragmentu z faktury za energię elektryczną (zdjęcie poniżej) przeanalizowane zostaną pozycje, które występują u odbiorców rozliczających się w taryfach „B” i „C”. Na podstawie przeprowadzonej weryfikacji można będzie określić, jakie składowe są związane z mocą bierną i czy można je wyeliminować, obniżając tym samym wysokość miesięcznych kosztów energii elektrycznej.
Składowymi rachunku za energię są opłaty: dystrybucyjna, abonamentowa, sieciowa, za przekroczenie mocy umownej, za energię bierną (indukcyjną według tgφ), za energię bierną oddaną (pojemnościową). Nie wszystkie składowe muszą występować w każdym rachunku, zależą od dostawcy energii, taryfy rozliczeniowej oraz charakteru odbioru. O ile opłaty abonamentowej oraz sieciowej nie można wyeliminować, to koszty energii biernej indukcyjnej oraz pojemnościowej – tak.
Miarą zużycia energii biernej indukcyjnej jest współczynnik mocy tgφ (poz. 1) i na jego podstawie następuje rozliczenie jej kosztów. Informuje on, jak dużo energii biernej zostało pobrane w stosunku do energii czynnej. W tym przypadku wymagany przez OSD tgφ wynosi 0,4 (poz. 2). Opłata naliczana jest w momencie, kiedy następuje przekroczenie tej wartości, czyli pobór energii biernej w stosunku do czynnej jest większy niż 40%. Urządzeniami mogącymi spowodować nadmierne zużycie energii biernej i wygenerować związane z tym opłaty są silniki napędów, układy wentylacji, klimatyzatory, oświetlenie, windy itp. W omawianym przykładzie tgj rzeczywisty (faktycznie uzyskiwany na obiekcie) wynosi 0,83 (poz. 3) i jest znacznie większy od wartości 0,4 wymaganej przez OSD. W związku z tym przekroczeniem została naliczona opłata. Pozycję tę możemy wyeliminować poprzez zabudowę urządzeń kompensacyjnych. Według przykładowej faktury przyniesie to miesięcznie oszczędność w kwocie ponad 2000 złotych (poz. 4).

W przypadku energii biernej oddanej, rozliczenie nie następuje na podstawie współczynnika. Każde najmniejsze oddanie energii biernej do sieci powoduje naliczenie opłaty. Oddawanie wynika z zainstalowania w użytkowanym obiekcie urządzeń będących kondensatorami z elektrycznego punktu widzenia, np. UPS-ów, komputerów, oświetlenia (ze starterami), rozległej sieci kablowej. Należy podkreślić, że stawka opłat za energię bierną pojemnościową jest kilkukrotnie wyższa niż za przekroczenie tgj. W omawianym przykładzie kwota do zapłaty za energię bierną oddaną (pojemnościową) to prawie 5000 złotych (poz. 5). Stosując do kompensacji mocy biernej pojemnościowej dławiki indukcyjne, pozycję tę można również wyeliminować.

Z przeprowadzonych analiz, uwzględniających bieżący poziom cen urządzeń kompensacyjnych na naszym rynku (na podstawie cennika baterii kondensatorów PBW Olmex SA), wynika, że okres zwrotu instalacji układu kompensacji mocy biernej wynosi od 4 do 12 miesięcy (w zależności od mocy i parametrów sieci obiektu). Weryfikacja nie obejmuje obiektów, w których występują obciążenia szybkozmienne (zgrzewarki, suwnice) oraz wysoki poziom wyższych harmonicznych (THDi i THDu). Podstawą prawidłowego doboru układu kompensacji mocy biernej jest przeprowadzenie analizy (pomiarów) parametrów energii elektrycznej w obiekcie, w którym ma on zostać zainstalowany. Taka weryfikacja pozwala uzyskać informację na temat szybkości i poziomu wahań mocy biernej, występowania wyższych harmonicznych czy asymetrii obciążeń. Na podstawie tych danych można zaprojektować i zbudować optymalny dla obiektu układ kompensacji, który będzie spełniał swoje funkcje techniczne. Usługi w zakresie pomiarów i doboru urządzeń są oferowane na naszym rynku przez podmioty zajmujące się kompensacją mocy biernej.

Kompensacja mocy biernej - źródła mocy biernej

Do wytwarzania mocy biernej służą: generatory, kompensatory i silniki synchroniczne oraz baterie kondensatorów (kondensatory). Generatory synchroniczne zlokalizowane w elektrowniach są naturalnym źródłem mocy biernej o dużej mocy i niskich kosztach jej wytworzenia. Koncentracja elektrowni w pobliżu źródeł surowców naturalnych, niezbędnych do ich zasilania, powoduje, że moc bierną przesyła się na znaczne odległości do końcowych odbiorców, co jest nieekonomiczne i sprawia trudności techniczne. Kompensatory synchroniczne zwykle mają moc znamionową na poziomie od kilkunastu do kilkudziesięciu Mvar. Można je instalować w dużych centrach zapotrzebowania na moc bierną. Nakłady inwestycyjne związane z instalacją kompensatorów są zależne od ich mocy – im maszyna jest większa, tym jej koszt jednostkowy niższy. Jednakże duże straty mocy czynnej w kompensatorach synchronicznych powodują, że jednostkowe opłaty za wytwarzanie energii biernej są znacznie wyższe w porównaniu z kondensatorami. Silniki synchroniczne są ekonomicznie korzystniejszym źródłem mocy biernej. Warunkiem opłacalności jest wytwarzanie jej w czasie pracy silnika, a nie przy biegu maszyny bez obciążenia mechanicznego. nSpośród przedstawionych powyżej metod wytwórczych kondensatory są zwykle najbardziej ekonomicznym źródłem mocy biernej. Mają one przy tym wiele cennych zalet, np.:

• możliwość instalacji praktycznie w dowolnym punkcie sieci; przy czym mogą być przyłączane zarówno do sieci niskiego oraz średniego napięcia, jak i sieci najwyższych napięć, a także instalowane w pomieszczeniach bądź na zewnątrz i nie wymagają specjalnych fundamentów;
• łatwość dostosowania wielkości instalacji do występującego zapotrzebowania: można zainstalować np. jeden kondensator o mocy poniżej 1 kvar lub baterię złożoną z wielu jednostek kondensatorowych o łącznej mocy nawet 100 Mvar;
• bardzo niskie straty mocy czynnej;
• prosty montaż i mało pracochłonna obsługa.

Wymienione zalety kondensatorów umożliwiają instalowanie ich w pobliżu odbiorów, jako źródeł dostosowanych wielkością do występującego zapotrzebowania mocy biernej w danym punkcie sieci. Zatem prawie unikając przesyłu mocy biernej, można zrealizować korzystną ekonomicznie ideę lokalnego wytwarzania tej mocy w dużej liczbie rozproszonych źródeł, którymi są kondensatory montowane zarówno w zakładach przemysłowych, jak i sieciach energetyki zawodowej.

Metody kompensacji mocy biernej

Kompensacja mocy biernej w sieci elektroenergetycznej polega na takim skojarzeniu odbiorników energii, by charakter sieci odpowiadał wymaganiom w zakresie utrzymania właściwych parametrów sieci. Najogólniej rzecz ujmując niekorzystny współczynnik mocy, wynikający z dużego udziału odbiorów o charakterze indukcyjnym, może być ograniczany (kompensowany) poprzez włączenie do sieci odbiorników o charakterze pojemnościowym (lub odwrotnie w przypadku dominacji odbiorów pojemnościowych). Ideę kompensacji mocy biernej w sieci elektroenergetycznej w sposób schematyczny przedstawia rysunku.

W praktyce istnieją dwa sposoby kompensacji mocy biernej w sieciach elektroenergetycznych: naturalna metoda poprawy parametrów sieci oraz sztuczny sposób jej skompensowania. Dla sieci elektroenergetycznych z niewielką ilością odbiorów indukcyjnych metoda naturalna może okazać się wystarczająca do utrzymania określonych parametrów sieci, zwłaszcza gdy wymagania te są niewielkie. W dużych, rozległych i złożonych sieciach elektroenergetycznych ten sposób kompensacji jest już niewystarczający i konieczne jest stosowanie sztucznych metod poprawy parametrów sieci.
Do naturalnych sposobów kompensacji zaliczamy m.in.: dobór silników o właściwej mocy i zamiana silników niedociążonych na mniejsze, niedopuszczanie do pracy jałowej silników i transformatorów, wyłączanie odbiorów technologicznych (np. spawarek transformatorowych podczas przerw w spawaniu), instalowanie silników synchronicznych zamiast indukcyjnych.
Do sztucznych sposobów kompensacji zalicza się: instalowanie baterii kondensatorów, wykorzystywanie kompensatorów wirujących oraz przewzbudzenie silników asynchronicznych.
Pod względem zasięgu działań kompensacyjnych i sposobu ich realizowania można wyróżnić trzy typy kompensacji: indywidualną, grupową oraz centralną.

Kompensacja mocy biernej indywidualna ma odniesienie jedynie do pojedynczych urządzeń (odbiorników indukcyjnych) i nie może służyć kompensacji całej sieci. Teoretycznie byłoby to możliwe, lecz ze względu na mnogość wymaganych zespołów kompensujących musi być wykluczone. Zastosowanie tej metody ogranicza się jedynie do zrównoważenia mocy biernej dużych odpływów indukcyjnych. Do tego rodzaju kompensacji stosowane są najczęściej baterie nieregulowane.
Kompensacja grupowa dotyczy poprawy parametrów pewnych fragmentów sieci i odnosi się do grupy urządzeń (np. odbiory zasilane z jednej rozdzielnicy). Jest to metoda najczęściej stosowana przy
wykorzystaniu baterii automatycznych sterowanych przy użyciu regulatorów mocy biernej.
Kompensacja centralna ma za zadanie doprowadzić do uzyskania właściwych parametrów sieci postrzeganej od strony zasilania (na przyłączach), nie służy jednak do poprawnego zrównoważenia całej sieci wewnętrznej. Polega na zastosowaniu jednego urządzenia kompensacyjnego dla całego zakładu lub stacji rozdzielczej. Dzięki temu minimalizuje się całkowitą moc bierną potrzebną do zainstalowania, natomiast poprzez wykorzystanie regulacji automatycznej wartość współczynnika mocy utrzymuje się na poziomie zbliżonym do zadanego. Każda z metod kompensacji mocy biernej może być zastosowana do równoważenia sieci elektroenergetycznej, lecz ich skuteczność jest różna. Do realizacji każdej z nich konieczne jest spełnienie pewnych uwarunkowań. O wyborze właściwej decydują m.in.: ilość odbiorów występujących w sieci i wymagających kompensacji, liczba przyłączy, dla których muszą zostać spełnione warunki umowne, wymagany poziom zrównoważenia sieci, stopień złożoności i rozległości sieci, możliwości lokalizacji urządzeń kompensujących, rodzaje odbiorów i ich charakter oraz występowanie wyższych harmonicznych w sieci elektroenergetycznej i ich poziom. Mając na uwadze poprawne skompensowanie całej sieci wewnętrznej, utrzymanie warunków przyłączy i ograniczenie strat przesyłowych, konieczne jest zastosowanie kompensacji mieszanej, także na różnych poziomach napięć.

Grupy urządzeń kompensacyjnych przeznaczonych dla różnych profili obciążenia

Kompensacja mocy biernej - dobór urządzeń kompensacyjnych

W celu optymalnego doboru urządzeń kompensacyjnych dla obiektu lub grupy odbiorów (rozdzielni) niezbędne są, jak już wcześniej zostało wspomniane, informacje dotyczące profilu obciążenia oraz parametrów elektrycznych sieci.
W powyżdszej tabeli przedstawiono grupy urządzeń kompensacyjnych przeznaczonych dla różnych profili obciążenia i stanu sieci przy przekroczonym tgφ.

Kompensacja mocy biernej - podsumowanie

Zmiana sposobu rozliczania nieskompensowanej mocy biernej oraz okresowe podwyżki cen energii elektrycznej sprawiły, że w ciągu ostatnich lat znacznie wzrosło zainteresowanie równoważeniem mocy biernej. Optymalizacja kosztów to nie jedyny powód, dla którego trzeba posiadać sprawny układ kompensacji. Utrzymanie zadanego współczynnika mocy tgj na poziomie poniżej 0,4 pozwala znacznie zmniejszyć straty związane z przesyłem energii oraz maksymalnie wykorzystać przepustowość transformatorów i kabli zasilających. Należy pamiętać, że skuteczna kompensacja eliminuje opłaty za moc bierną, a także zwiększa niezawodność układu zasilającego.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie