Dynamiczne zmiany zapotrzebowania mocy biernej i jej wpływ na kompensację mocy

Wartość skuteczna napięcia jako miara jakości energii

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, 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, która określa większą liczbę para-metrów jakościowych napięcia. W systemie elektroenergetycznym możliwa jest regulacja wartości skutecznej napięcia poprzez zmianę zaczepów transformatorów lub poprzez zmianę bilansu mocy biernej. Możliwa jest regulacja, w sieciach niskiego napięcia, poprzez włączenie dodatkowych urządzeń regulujących.

Praca odbiorników energii elektrycznej jest silnie uzależniona od rzeczywistej wartości skutecznej napięcia. Moment silników asynchronicznych jest uzależniony od kwadratu wartości napięcia. Wartość strumienia światła zależy od rodzaju lampy i od wartości napięcia. Praca odbiorników elektronicznych bądź energoelektronicznych przy niewłaściwym poziomie napięcia w ogóle może być niemożliwa. Nie tylko wartość napięcia, ale również ciągłość zasilania jest ważna. Wynika stąd stosowanie, w szczególnie wymagających przypadkach, szeregu różnych rozwiązań zasilania rezerwowego i bezprzerwowego. Rozwiązania te obejmują zasilanie rezerwowe z sieci publicznej, generatory spalinowe czy różne układy zasilania bezprzerwowego typu ups, mogące również współpracować z odnawialnymi źródłami energii.

Wskaźnik długookresowego migotania światła jako miara JEE

Istotnym aspektem pracy odbiorników są szybkie zmiany napięcia w obwodzie zasilającym. Zmiany te mogą być spowodowane niestabilną pracą odbiorników. Zmiana poboru prądu będzie prowadziła do zmian spadków napięcia w torze prądowym, co w sposób bezpośredni będzie przekładało się na wartość napięcia zasilającego odbiorniki w rozpatrywanym obwodzie. Miarą tych zmian są wskaźniki migotania światła krótkookresowego pst i długookresowego Plt. Sam proces wyznaczania tych wskaźników jest dość skomplikowany i został szeroko opisany w literaturze fachowej

Przyjmuje się, że wartość współczynnika powyżej jedności związana jest z uciążliwymi wahaniami napięcia. Krótkookresowy wskaźnik migotania światła odpowiedni jest do oceny wahań napięcia dla pojedynczego odbiornika. W celu analizy wpływu wielu odbiorników, we wspólnym punkcie przyłączeniowym, lub przy długim cyklu pracy, właściwym będzie zastosowanie długookresowego wskaźnika migotania światła:

Przyjęto, że oblicza się jego wartość dla przedziału czasu dwugodzinnego, uwzględniają w nim 12 10-minutowych wartości współczynnika Pst. Wymagane jest, aby przez 95% czasu każdego tygodnia wskaźnik długookresowego migotania światła Plt spowodowanego wahaniami napięcia zasilającego nie był większy od 1.

Przykładowa zależność pomiędzy wartościami wskaźników Pst i Plt przedstawiona została na rysunku 2. Można zauważyć, że pojawiają się krótkotrwałe, ale znaczące zmiany współczynnika pst, który osiąga znaczne wartości, różne dla poszczególnych faz napięcia zasilającego. Zmianom tym odpowiadają podwyższone wartości współczynnika Plt.

Redukcję migotania światła wykonuje się na dwa sposoby:

• zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia odbiornika niespokojnego (w stosunku do mocy odbiornika); w praktycznych działaniach oznacza to: (a) przyłączanie odbiornika do szyn o coraz wyższym napięciu znamionowym, (b) wydzielanie specjalnych, dedykowanych linii bezpośrednio z sieci wn do zasilania tej kategorii odbiorników, zasilanie odbiorników spokojnych i niespokojnych z oddzielnych uzwojeń transformatorów trójuzwojeniowych lub oddzielnych transformatorów (separacja odbiornika niespokojnego), (c) zwiększanie mocy transformatora zasilającego odbiornik niespokojny, (d) instalowanie kondensatorów szeregowych itp.
• zmniejszenie zmian mocy biernej w sieci zasilającej poprzez instalację tzw. kompensatorów/stabilizatorów dynamicznych.

Rysunek 1. Zmienność wartości współczynników krótko- i długookresowego migotania światła dla wybranego zakładu przemysłowego

Zmiany poboru mocy biernej mogą mieć porównywalny, a nawet większy wpływ na wypadkową wartość wahań napięcia niż zmiany mocy czynnej. Z tego powodu jako jeden z możliwych i skutecznych środków zmniejszenia wahań napięcia jest zastosowanie kompensacji mocy biernej. Kompensacja ta musi uwzględniać jednak dodatkowe wymagania, aby mogła być skuteczna. Do wymagań tych należy zaliczyć między innymi bliskość instalacji w stosunku do odbiornika niespokojnego. Pozwoli to na odciążenie wszystkich elementów obwodu zasilającego dany odbiornik. Kolejnym wymaganiem będzie zastosowanie kompensatora o krótkim czasie reakcji. Możliwy wybór tak naprawdę zawęża się do urządzeń typu SVG, a więc energoelektronicznych generatorów mocy biernej. Pozwalają one na prawie bezzwłoczną, nadążną kompensację mocy biernej.

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 10 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 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.

Wpływ SVG na wartość współczynnika PLT

Na rysunku przedstawiono zmienność wartości współczynników migotania krótkookresowego Pst dla poszczególnych faz w odniesieniu do zmian zapotrzebowania na moc bierną. Można wyróżnić tutaj dwa przedziały. Kiedy układ kompensatora był aktywny, wartość mocy biernej utrzymywała się na niskim poziomie, natomiast kiedy był wyłączony, wartość mocy biernej rosła.

Zauważalny jest wzrost wartości Pst w przedziałach czasu, których kompensator nie pracował. Wiązało się to ze zwiększonym zapotrzebowaniem układu na moc bierną, a tym samym ze wzrostem spadków napięcia w torze przesyłowym. Zmiany te prowadzą nie tylko do wzrostu wartości wskaźnika migotania krótkookresowego, ale również do zwiększenia się dynamiki jego zmian. Po załączeniu układu kompensującego wyraźnie zaznacza się obniżenie wartości wskaźnika migotania i utrzymywanie się na stosunkowo stabilnym poziomie. Analogiczna sytuacja przedstawia się dla poboru mocy biernej. Po załączeniu układu kompensującego następuje oczywisty spadek poboru mocy biernej, ale równocześnie brak jest widocznych znacznych zmian jej wartości. Niespokojne zmiany widoczne są natomiast przy niepracującym kompensatorze. Tym samym układ kompensatora pozwolił na poprawę parametrów jakości energii elektrycznej w punkcie przyłączenia.

Rysunek 2. Zmiany wartości wskaźnika migotania krótkookresowego Pst odniesione do zmian poboru mocy biernej

Podsumowanie

Szybkie zmiany napięcia mogą występować w układach zasilających odbiorniki niespokojne. Zmiany te mogą pro-wadzić do niewłaściwej pracy innych odbiorników zasilanych z tej samej sieci elektroenergetycznej. Mogą również wpływać negatywnie na psychofizyczne aspekty pracy, w sytuacjach gdzie pojawia się uciążliwe migotanie światła. Samo wyznaczanie wskaźnika krótkookresowego i długookresowego migotania światła nie jest zadaniem prostym. Można natomiast na podstawie tych wskaźników określić natężenie zjawiska wahań napięcia. Jednym ze sposobów redukcji tych wahań jest zastosowanie energoelektronicznych kompensatorów, takich jak urządzenia SVG. Jak wykazano dzięki nim możliwa jest nie tylko kompensacja mocy biernej w warunkach quasi statycznych. Następuje również zmniejszenie dynamiki zmian pobieranej mocy biernej, co będzie przekładać się na mniejsze wahania napięcia, związane ze spadkiem napięcia wywołanym przesyłem mocy biernej przez elementy indukcyjne. W rezultacie powinno nastąpić ograniczenie uciążliwego zjawiska migotania światła, bez konieczności dokonania znacznych i kosztownych zmian w układzie zasilającym.