Na tę gospodarkę składa się wiele problemów technicznych i w wielu przypadkach tylko odpowiedni audyt potrafi wskazać dopasowane rozwiązania optymalizujące zużycie energii elektrycznej i umożliwiające zmniejszenie ponoszonych opłat, czy też poprawiające efektywność pracy urządzeń elektrycznych, a nawet wydłużających ich czas bezawaryjnej pracy. Jednak dwa aspekty związane z tym zagadnieniem są powszechnie znane i nie wymagają dogłębnej analizy – tj. korzyści wynikające z zastosowania układów do kompensacji mocy biernej, a także filtracji wyższych harmonicznych.

W obwodach prądu sinusoidalnie zmiennego moc elektryczną można podzielić na trzy moce:

- moc czynną P, która zamieniana jest na pracę użyteczną – jednostką tej mocy jest Watt [W],

- moc bierną Q, która ma związek z przesunięciem fazowym pomiędzy pierwszą harmoniczną napięcia zasilającego a pierwszą harmoniczną prądu odbiornika. Moc ta występuje w przypadku, gdy odbiornik elektryczny nie ma charakteru czysto rezystancyjnego (pojawia się charakter indukcyjny lub też pojemnościowy odbiornika). Jednostką tej mocy jest [Var].

- moc pozorną S, której nie przypisuje się interpretacji fizycznej. Jest ona wielkością stosowaną podczas projektowania urządzeń elektroenergetycznych. Jednostką tej mocy jest [V∙A].

Odpowiednie wzory i zależności na moce P, Q oraz S, a także interpretację graficzną ich powiązań pokazano na rysunku 1.

Rys.1. Interpretacja geometryczna mocy P, Q, S oraz zależności na ich wyznaczenie (dla odbiornika 1-fazowego); a) odbiornik o charakterze indukcyjnym, b) odbiornik o charakterze pojemnościowym, c) przykład ilustrujący kompensację mocy biernej.

 

Pobór energii elektrycznej przez dużych odbiorców przemysłowych (zaklasyfikowanych do grup taryfowych A lub B), powoduje naliczanie odpowiedniej opłaty za zużycie zarówno energii czynnej P, jak również za zużycie energii biernej Q. Co więcej, liczniki energii elektrycznej stan liczydeł zapisują w odstępie co 15 minut. Dla tych okresów badany jest dodatkowo stosunek energii elektrycznej, związany z pobraną mocą bierną Q, do energii elektrycznej związanej z poborem mocy czynnej P (czyli wyznaczany jest tzw. tg ϕ). Jeżeli stosunek ten będzie wynosił powyżej 0,4 (dla niektórych odbiorców 0,2), to odbiorca taki nie tylko poniesie opłaty za pobraną energię czynną i bierną, ale również zapłaci karę za niewłaściwą, ponadumowną wartość współczynnika mocy. Prostym rozwiązaniem na obniżenie rachunków za energię elektryczną jest zatem zainstalowanie w sieci odbiorcy odpowiednich kompensatorów mocy biernej. Na bieżąco kontrolują one pobór mocy czynnej i biernej, a w razie potrzeby załączają moduły do tzw. kompensacji mocy biernej, które wytworzą potrzebną moc Q (w miejscu zainstalowania), minimalizując jej pobór od dostawcy. Takie działanie pozwoli również na zmniejszenie opłat za energię czynną - zmniejszą się bowiem, między innymi, straty mocy w transformatorach czy energetycznych kablach zasilających. W omawianych grupach taryfowych odbiorców (A oraz B) problem dotyczy głównie pobieranej z systemu elektroenergetycznego mocy czynnej indukcyjnej. Kompensatory mocy zawierają więc odpowiednie baterie kondensatorów, dzięki czemu pobrana moc bierna indukcyjna kompensowana jest mocą bierną pojemnościową.

Odmienny problem pojawia się, w wielu przypadkach, u odbiorców zaliczanych do grup taryfowych C oraz G. Coraz większa liczba zainstalowanego tam oświetlenia typu LED, zasilacze komputerowe, czy też układy zasilania awaryjnego (UPS) powodują, że charakter pracy odbiorników jest pojemnościowy, co z punktu widzenia rachunków za energię elektryczną jest jeszcze bardziej niekorzystną sytuacją. Do grupy takich odbiorców zalicza się szczególnie obiekty handlowe, biurowce, banki czy urzędy. W tych przypadkach należy zastosować kompensację mocy biernej, która będzie załączała odpowiednie dławiki, kompensując moc czynną pojemnościową, mocą bierną indukcyjną, do wartości współczynnika mocy bliskiej zeru, ale zawsze o charakterze indukcyjnym.

Należy podkreślić, iż zaprezentowane na rysunku 1 zależności są spełnione tylko w obwodach jednofazowych, w których napięcie i prąd mają przebiegi nieodkształcone (są sinusoidalnie zmienne). Jeżeli sinusoidalnie zmienne napięcie zasila odbiornik nieliniowy, to prąd będzie miał charakter odkształcony, a proste zależności zaprezentowane na rysunku 1 nie będą miały już zastosowania. Należy jeszcze uwzględnić (obok mocy pierwszej harmonicznej) moc odkształcenia H (deformacji), a także moc dystorsji D. Wtedy graficzna reprezentacja mocy ma postać prostopadłościanu, co pokazano na rysunku 2 (wypadkowa moc pozorna ma znacznie dłuższy wektor niż w układach liniowych o sinusoidalnych przebiegach).

Rys.2. Interpretacja geometryczna mocy w obwodach 1-fazowych zawierających nieliniowe odbiorniki

 

Rozwój układów energoelektronicznych spowodował, że prądy rejestrowane u odbiorców są mocno odkształcone (zawierają wyższe harmoniczne). Z tego powodu na przestrzeni wielu ostatnich dekad powstało kilka różnych „teorii mocy”, które miały za zadanie opisać zjawiska zachodzące w obwodach elektrycznych, których rozpoznanie jest konieczne do określenia właściwości badanych układów [1-4].

Wszystkich negatywnych skutków wpływu odkształconych przebiegów napięciowych i prądowych na urządzenia elektroenergetyczne trudno jest wyliczyć. Do najważniejszych należą [5,6]:

 - zwiększone straty mocy w transformatorach, które zamieniane na ciepło mogą doprowadzić do skrócenia okresu użytkowania takiego transformatora, a nawet do jego uszkodzenia,

  - przeciążanie, a nawet uszkodzenia baterii kondensatorów na skutek występowania rezonansów,

 - zmniejszenie wydajności silników elektrycznych oraz występowanie w nich dodatkowych strat energii,

- skrócenie żywotności przekładników prądowych poprzez zwiększenie temperatury roboczej.

Rozwiązaniem powyższych problemów może być instalacja w sieci odbiorczej odpowiednich filtrów. Rozróżnia się przy tym filtry dedykowane poszczególnym harmonicznym (tzw. filtry pasywne), a także filtrację aktywną. Jej zadaniem jest pomiar wartości poziomu odkształceń danej harmonicznej prądu i generację prądu o takiej samej amplitudzie i częstotliwości ale w fazie przesuniętej o 180 stopni.

System SOEE
Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, a także prognozowane w najbliższych latach podwyżki cen energii elektrycznej sprawiły, że coraz więcej firm szuka oszczędności w zużywanej energii elektrycznej. Jednym z praktycznych rozwiązań tego problemu może być instalacja w sieci odbiorczej użytkownika Systemu Optymalizacji Energii Elektrycznej (SOEE), opracowanego przez firmę Impel Tech Solutions. SOEE jest rozwiązaniem technicznym dedykowanym dla każdego typu obiektu, które pozwala na osiągniecie znacznych oszczędności energii elektrycznej poprzez podniesienie efektywności pracy urządzeń elektrycznych oraz eliminację strat występujących w obwodach i sieciach elektrycznych.

Analizowany system SOEE posiada następujące funkcjonalności:

   - kompensację mocy biernej,

   - filtrowanie harmonicznych prądu i napięcia, dzięki którym, oprócz zmniejszenia kosztów za energię elektryczną i poprawy jakości energii elektrycznej, do jego podstawowych efektów działania można zaliczyć:

   - osiąganie wysokiej efektywności dostarczanej energii elektrycznej,

  -  przedłużenie żywotności odbiorników i urządzeń,

   - ograniczenie ryzyka przepięć, zwarć.

Zastosowany w systemie SOEE procesor sterujący wykonuje 8000 pomiarów na sekundę, analizując zmiany w zużyciu energii elektrycznej pobieranej przez urządzenia odbiorcy. Dzięki temu rozwiązaniu możliwa jest ciągła analiza przejściowych wartości napięcia i prądu w obwodzie oraz dynamiczne dostosowanie energii pobieranej.

Przed wdrożeniem systemu u odbiorcy wykonywana jest szczegółowa analiza dotychczasowego profilu zużycia energii elektrycznej w oparciu o faktury VAT, a także przeprowadzane są szczegółowe audyty z użyciem modułu Prognosis, powiązane z pomiarami jakości energii elektrycznej. Finalnie przeprowadzane są analizy przewidywanych oszczędności energii u odbiorcy. Proces instalacji systemu kończą testy funkcjonalne, przeprowadzane przez okres pełnego miesiąca rozliczeniowego, które mają za zadanie zobrazować rzeczywiste oszczędności finansowe.

System składa się z:

•     dwóch niezależnych elektronicznych modułów pomiarowych,
•     regulatora,
•     elementów wykonawczych,
•     filtrów,
•     układu zdalnego monitoringu parametrów.

Podzespoły systemu instalowane są w dedykowanej szafie (rys.3) na wysuwanych półkach, których widok pokazano na rysunku 4. Sekcje modułów wentylowane są od frontu, zapewniając optymalne chłodzenie. Specjalne złącza wtykowe umożliwiają bezkolizyjny montaż sekcji systemu oraz ich rozłączanie, co ułatwia serwis i przeprowadzanie czynności konserwacyjnych.

Rys.3. Widok szafy systemu SOEE

Dane techniczne systemu SOEE pozwalają na jego zainstalowanie w rozdzielniach o następujących danych:

- znamionowe obciążenie prądowe odbiorników: 20–500 A, oraz wielokrotność,

- napięcie znamionowe sieci: 110 V do 690 V,

- częstotliwość pracy sieci zasilającej: 50/60 Hz,

- zakres temperaturowy: od -40°C do +50°C,

- maksymalna temperatura pracy: +70°C,

- standardowe wykonanie systemu: obudowa w wersji IP40 (możliwe zastosowanie obudowy w wersji do IP67),

- możliwość przystosowania systemu do pracy w środowisku wybuchowym (Ex G),

- gwarancja – 24 miesiące z możliwością wydłużenia do 5 lat.

Rys.4. Widok przykładowego modułu systemu SOEE

Należy podkreślić, iż w sekcji zasilania wykorzystane są automatycznie naprawiające się metaliczne kondensatory.
Działanie Systemu Optymalizacji Energii Elektrycznej pozwala na osiągnięcie następujących efektów:

 

- wygładzenie przebiegów wartości chwilowych prądu i napięcia,

- kompensację mocy (energii) biernej i filtrację wyższych harmonicznych w czasie rzeczywistym (200 µs),

- poprawę sprawności odbiorników energii elektrycznej, których wizualizację i skuteczność działania pokazano na rysunku 5.

 

Zainstalowany system SOEE posiada odpowiedni interfejs, dzięki czemu dostarcza kompleksowych danych dotyczących:

1.     pobranej/generowanej czynnej energii elektrycznej,
2.     energii biernej pojemnościowej i indukcyjnej,
3.     wartości tangensa kąta φ oraz cos φ dla wszystkich faz,
4.     poziomu harmonicznych,
5.     asymetrii obciążenia.

 

Rys.5. Widok efektywności działania systemu SOEE

Rozwój systemu SOEE
Opisywane problemy z kompensacją mocy biernej, a także z jakością energii elektrycznej coraz wyraźniej dotykają już mniejszych odbiorców (z grup taryfowych C i G). Problem potęguje rozwój fotowoltaiki, którą coraz mocniej interesują się odbiorcy komunalni. Odbiorca taki staje się wtedy prosumentem i wprowadza wyprodukowaną energię elektryczną do sieci. Energia ta wprowadzana jest przez falowniki, które zamieniają energię elektryczną prądu stałego na energię sinusoidalnie zmienną o częstotliwości 50 Hz. Zauważono, że w wielu przypadkach jakość energii elektrycznej nie spełnia podstawowych norm i przepisów [6-7].

Innym aktualnym problemem jest generacja zaburzeń w wyższych pasmach częstotliwości (np. 2 – 150 kHz), w których obecnie liczniki energii elektrycznej przesyłają dane do koncentratorów. W Polsce instalowane są bowiem inteligentne liczniki energii elektrycznej (tzw. systemy AMI), które zapisane dane pomiarowe przesyłają do koncentratorów zainstalowanych w stacjach SN/nN, z wykorzystaniem przewodów instalacji elektrycznej (tzw. technologia PLC – Power Line Communication). W licznikach modulowane są sygnały o wysokiej częstotliwości i z wykorzystaniem istniejącej instalacji elektrycznej wysyłane do koncentratorów, gdzie następuje ich demodulacja. Jeżeli jednak dojdzie do sytuacji, że w wybranym obiekcie zainstalowane są odbiorniki elektryczne, które generują duże zaburzenia wysokiej częstotliwości, to często zdarza się, że nie mogą być odczytane liczniki z obszaru nawet całego osiedla. Rozwiązaniem problemu może być wymiana urządzenia, które generuje zakłócenia (co często jest niemożliwe), lub też montaż odpowiednich filtrów przeciwzakłóceniowych.

Rys.6. Widok przykładowego interfejsu graficznego systemu SOEE

W związku z powyższym dotychczas oferowany produkt (system SOEE) będzie opracowany dla mniejszych mocowo odbiorników oraz uzupełniony o filtrację zaburzeń w zakresie częstotliwości od 2 do 500 kHz (system µSOEE – czyt. mikro SOEE). Jego wdrożenie do produkcji planowane jest na koniec 2021 roku. Projekt „Opracowanie oraz weryfikacja w warunkach rzeczywistych kompaktowego, inteligentnego modułu kompensacji mocy biernej, filtracji wyższych harmonicznych oraz zaburzeń przewodzonych w zakresie częstotliwości 2-150 kHz”, którego wynikiem jest system µSOEE, realizowany jest przez Impel Tech Solutions z siedzibą w Warszawie w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

***

Problematyka związana z kompensacją mocy biernej, a także utrzymaniem jakości energii elektrycznej na odpowiednim poziomie, są dla pewnych grup odbiorców znane już od lat. Jak wskazano w artykule grupa użytkowników energii, których dotyczą te problemy stale rośnie. Jest to bezpośrednio związane z rozwojem energoelektroniki.

Należy zwrócić uwagę, iż dobór układu realizującego kompensację mocy biernej oraz poprawiającego jakość energii, jest zadaniem składającym się z kilku etapów. Do najistotniejszych należą: analiza rachunków za energię elektryczną, przeprowadzenie wizji lokalnej, a także wykonanie pomiarów parametrów jakości użytkowanej energii elektrycznej na miejscu oraz analiza wyników badań.
Bieżąca kontrola wartości współczynnika mocy, zastosowanie urządzeń poprawiających jego wartość oraz poprawiających jakość energii elektrycznej, pozwala na eliminację szeregu negatywnych skutków, jakie niesie za sobą użytkowanie energii o niskim poziomie jakości, zarówno dla instalacji indywidualnego odbiorcy, jak i systemu elektroenergetycznego.

Literatura
[1]    Firlit A.: Teorie mocy w obwodach prądu przemiennego, elektro.info 12/2009
[2]    Bielecki S.: Aspekty użytkowania i zarządzania mocą bierną w energetyce, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2019 r.
[3]    Czarnecki L.: Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami prądów i napięć, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005 r.
[4]    Iwanicki M.: Kompensacja mocy biernej. Jakie są metody kompensacji mocy biernej, jakie urządzenia stosować?, muratorplus.pl, 03.07.2018 r.
[5]    Strzelecki R., Supronowicz H.: Współczynnik mocy w systemach zasilania prądu przemiennego i metody jego poprawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2000 r.
[6]    Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, Dz. U. Nr 93 poz 623 z 4 maja 2007 r.
[7]    Norma PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
[8]    Kamuda K., Klepacki D., Kuryło K., Sabat W.: Analiza statystyczna wpływu odbiorników nieliniowych małej mocy na odkształcenie napięcia zasilającego, Przegląd Elektrotechniczny r. 91 nr 8/2015