KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ
Kompensacja mocy biernej – teoria i praktyka
Aspekty techniczne – energia czynna i bierna
Większość odbiorników prądu przemiennego pobiera z sieci elektroenergetycznej lub innych źródeł zasilających energię czynną i bierną. Czynna jest przetwarzana na pracę użyteczną i ciepło strat. Natomiast energia bierna – dzieląca się na oddaną i pobraną – służy do poprawnego działania szeregu odbiorników energii elektrycznej (m.in. silników, transformatorów). Zarówno energia czynna, jak i bierna są niezbędne do prawidłowego działania odbiorników. Moc bierna Q (VAr) jest miarą energii pulsującej między elementem indukcyjnym /L/ i pojemnościowym /C/ odbiornika a źródłem energii elektrycznej. Zarówno moc bierna oddana, jak i pobrana obciąża w znacznej mierze źródło prądu, co powoduje dodatkowe straty ciepła.
Moc bierna – pobrana i oddana
Moc bierna jest równa iloczynowi wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinusa kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem:
Gdzie: P- moc czynna [W]
Q – moc bierna [VAr]
S – moc pozorna [VA] (geometryczna suma mocy czynnej i biernej)
Miarą składowej biernej prądu jest współczynnik mocy cosj, często wyrażany również jako tgφ, podawany w warunkach technicznych przyłączenia do sieci elektroenergetycznej taryfie za energię elektryczną i innych dokumentach stosowanych w energetyce zawodowej. Podaną wartość współczynnika mocy biernej tgφ można przeliczyć na wartość cosφ, korzystając ze wzoru:
Skutki niskiego współczynnika mocy
Praca odbiorników przy małej wartości współczynnika mocy cosφ powoduje zwiększony pobór prądów roboczych w stosunku do pracy przy tej samej mocy czynnej i współczynniku mocy bliskim jedności. Moc bierna ogranicza sprawność transformatora i linii kablowych. Jakie inne konsekwencje wiążą się z niskim współczynnikiem mocy cosφ? Są to m.in.
- konieczność instalowania urządzeń wytwórczych i przetwórczych o większych mocach znamionowych,
- konieczność stosowania aparatów o większych prądach znamionowych oraz większych dopuszczalnych prądach zwarciowych,
- konieczność stosowania przewodów o większych przekrojach,
- zmniejsza przepustowość sieci zasilających,
- zwiększa 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 posiadanych urządzeń technologicznych wyposażonych w silniki lub inne odbiorniki o małym znamionowym współczynniku mocy.
Silnik elektryczny lub transformator pobiera moc bierną na magnesowanie, równą praktycznie mocy pozornej przy pracy jałowej oraz na pokrycie strat mocy biernej przy obciążeniu.
Przepływ energii od źródła zasilania mocy biernej do odbiornika powoduje dodatkowe zużycie energii elektrycznej. W celu zmniejszenia tych strat należy dążyć do ograniczenia poboru mocy i energii biernej do wartości niezbędnych na magnesowanie i pokrycie strat w warunkach znamionowych. Jednym z rozwiązań, które są rekomendowane przez specjalistów, jest zakup kompensatora dynamicznego.
Moc urządzeń kompensujących należy wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
P – moc czynna odbiorników, w [kW]
k – (1,1 ÷1,3) współczynnik korekcji wynikający z bezwładności układu
tgφn – naturalny wskaźnik mocy (bez kompensacji)
tgφk – wymagany przez dostawcę energii wskaźnik mocy.
Dobrana moc urządzeń do kompensacji mocy biernej indukcyjnej nie może spowodować przekompensowania, które objawi się ujemną wartością współczynnika cosφk.
Sprawdzenie należy wykonać korzystając ze wzorów:
gdzie:
Pz – moc czynna zapotrzebowana przez odbiorniki, w [kW]
Qz – moc bierna zapotrzebowana przez odbiorniki, w [kVAr]
Qk – moc urządzeń przeznaczonych do kompensacji mocy biernej, w [kVAr].
Ujemna wartość współczynnika mocy cosj, świadczy o przekompensowaniu, które jest szkodliwe dla odbiorników oraz sieci zasilającej, powodując wzrost napięcia i wyższych harmonicznych (THD) w punkcie przyłączenia kompensatora.
Aspekty ekonomiczne – energia czynna i bierna
Powyżej przedstawione zostały negatywne skutki przepływu mocy biernej w sieci od strony technicznej. Przekroczenie dopuszczalnych wartości tgφ niesie ze sobą również dodatkowe obciążenie finansowe. Jak temat energii czynnej i biernej prezentuje się w ujęciu ekonomicznym? Jako podstawę obecnie obowiązujących uregulowań prawnych w zakresie energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców uznaje się Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007.
Moc bierna oddana i pobrana – ujęcie prawne
Zgodnie z powyższym rozporządzeniem w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, [Dz. U. z 2007 Nr 89 poz.623], dopuszczalny pobór mocy biernej z systemu elektroenergetycznego określony jest wskazaniem tgφ, którego wartość nie może być większa niż 0,4. Rozporządzenie te jednocześnie dopuszcza, w uzasadnionych przypadkach, możliwość żądania przez Operatora Sieci Dystrybucyjnej (OSD) wartości mniejszej od 0,4 (w praktyce wartość ta nie jest nie mniejsza niż 0,2). Przekroczenie wartości dopuszczalnej wskaźnika tgφ powoduje naliczanie dodatkowych opłat za pobór ponad normatywnej mocy biernej określonych w taryfie dla energii elektrycznej zatwierdzonej przez prezesa URE. W celu zmniejszenia poboru mocy biernej indukcyjnej z systemu elektroenergetycznego stosuje się jej kompensację polegającą na instalowaniu urządzeń kompensacyjnych, które lokalnie wytwarzają moc bierną (np. baterie kondensatorów).
Rachunek za energię elektryczną – czynna i bierna
Poniżej na przykładzie fragmentu z faktury za energię elektryczną (tabela 1) przeanalizujemy pozycje występujące u odbiorców rozliczających się w taryfach „B” i „C”. Na podstawie przeprowadzonej analizy określimy, które składowe są związane z mocą bierną i można je wyeliminować, tym samym obniżając wysokość miesięcznych opłat za energię elektryczną.
Składowymi rachunku za energię elektryczną są[1]:
- opłata dystrybucyjna,
- opłata abonamentowa,
- opłata sieciowa,
- opłata za przekroczenie mocy umownej,
- opłata za energię bierną (indukcyjną wg tg fi),
- opłata za energię bierną oddaną (pojemnościową).
O ile opłaty abonamentowej oraz sieciowej nie można wyeliminować, to opłaty za energię bierną indukcyjną oraz pojemnościową jak najbardziej tak.
Rachunek za energię czynną i bierną
Jak wcześniej wskazaliśmy miarą zużycia energii biernej indukcyjnej jest współczynnik mocy tgφ (Tab1. POZ. 1) i na jego podstawie następuje rozliczenie kosztów energii biernej. Informuje on, jak dużo pobraliśmy energii biernej w stosunku do pobranej energii czynnej. W naszym przypadku wymagany tgφ przez OSD wynosi 0,4 (Tab1. POZ. 2). Opłata naliczana jest w momencie, kiedy następuje przekroczenie tej wartości, czyli pobór energii biernej w stosunku do energii czynnej jest większym niż 40%. Urządzeniami mogącymi spowodować nadmierny pobór energii biernej i związane z tym opłaty są silniki napędów, układy wentylacji, klimatyzatory, oświetlenie, windy itp. W omawianym przykładzie tgφ rzeczywisty (ten który faktycznie jest uzyskiwany na obiekcie) wynosi 0,83 (Tab1. 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, wg przykładowej faktury co miesiąc oszczędzamy kwotę ponad 2 000 złotych (Tab1. POZ. 4).
Energia bierna oddana w ujęciu ekonomicznym
W przypadku energii biernej oddanej, rozliczenie nie następuje na podstawie współczynnika. Każde, najmniejsze oddanie energii biernej do sieci powoduje naliczenie opłaty. Oddawanie energii biernej spowodowane jest istnieniem na użytkowanym obiekcie urządzeń będących kondensatorami z elektrycznego punktu widzenia, jak np. UPS-y, komputery, oświetlenie LED, rozległa sieć kablowa. W omawianym przykładzie kwota do zapłaty za energię bierną oddaną (pojemnościową) to prawie 4 300 złotych (Tab1. POZ. 5). Jeśli zależy Ci na wygenerowaniu oszczędności, a co za tym idzie, redukcji mocy biernej, tylko dzięki kompensacji będziesz mógł skutecznie zoptymalizować koszty za energię elektryczną.
Energia czynna i bierna – podsumowanie analizy
Z przeprowadzonych analiz uwzględniających bieżący poziom cen urządzeń kompensacyjnych na naszym rynku (analizę przeprowadzono na podstawie cennika baterii kondensatorów OLMEX KMB) wynika, że okres zwrotu instalacji układu kompensacji mocy biernej wynosi od 4 do 12 miesięcy (w zależności od mocy i parametrów sieci obiektu). Analiza nie obejmowała obiektów, gdzie występują obciążenia szybkozmienne (zgrzewarki, suwnice) oraz jest wysoki poziom wyższych harmonicznych (THDI i THDU). Podstawą prawidłowego doboru układu kompensacji mocy biernej jest przeprowadzenie analizy (pomiarów) parametrów energii elektrycznej w obiekcie, gdzie układ kompensacji ma zostać zainstalowany. Taka analiza pozwala nam uzyskać informację na temat szybkości i poziomu wahań mocy biernej, występowania wyższych harmonicznych czy asymetrii obciążeń. Na podstawie tych danym można zaprojektować i zbudować optymalny dla obiektu układ kompensacji, który będzie spełniała swoje funkcje techniczne. Usługi w zakresie pomiarów i doboru urządzeń kompensacyjnych świadczymy te terenie całego kraju.
[1] Nie wszystkie składowe muszą występować w każdym z rachunków, zależy to od dostawcy energii, taryfy rozliczeniowej oraz charakteru odbioru.