Zastosowanie analizatorów jakości energii elektrycznej w instalacjach OZE
Co to zasilacz UPS? Jaki UPS wybrać?
2 listopada 2021
Praca baterii kondensatorów w środowisku z dużym udziałem prądów odkształconych
24 listopada 2021
Obecność w systemie elektroenergetycznym Odnawialnych Źródeł Energii stała się już codziennością. Obecnie zainstalowana moc OZE wynosi prawie 10 GW, z czego największy udział mają instalacje wykorzystujące energię wiatru (moc zainstalowana na poziomie 6,4 GW). Najsilniejszy wzrost mocy zainstalowanej notują farmy fotowoltaiczne, gdzie na koniec 2019 roku moc zainstalowana wynosiła 477 MW, a już po roku osiągnęła poziom 887 MW [1]. Wraz z najnowszymi planami Europejskiego Zielonego Ładu można spodziewać się dalszego rozwoju instalacji Odnawialnych Źródeł Energii.
Te nowe źródła prowadzą do pojawienia się dodatkowych wyzwań dla operatorów sieci elektroenergetycznych jak i wytwórców energii elektrycznej. Związane z tym są zagadnienia dotyczące Jakości Energii Elektrycznej. W dokumentach operatorów systemów elektroenergetycznych występują dodatkowe wymagania, dla wybranych instalacji OZE, dotyczących dotrzymywania standardów jakości energii elektrycznej. Standardy te określają wymagania dla parametrów JEE, w tym dla częstotliwości, wskaźników krótkookresowego i długookresowego migotania światła oraz wartości odkształceń harmonicznych napięcia THDu.
Szczegółowe wymagania w zakresie Jakości Energii Elektrycznej dla systemu elektroenergetycznego zawarte zostały w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dziennik Ustaw Nr 93, Poz. 623) oraz w normie przedmiotowej PN-EN 50160:2010 [3] Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Dodatkowe wymagania, przykładowo dotyczące pracy farm wiatrowych, zawierane są w dokumentach operatorów systemów dystrybucyjnych [4].
Aby móc spełnić wymagania konieczne jest prowadzenie pomiaru parametrów energii elektrycznej w sposób ciągły i na najwyższym poziomie dokładności. Rozwiązaniem takim jest zastosowanie stacjonarnych analizatora jakości energii elektrycznej takich jak PQI-DA Smart czy PQI-DE (rys. 2). Analizatory spełniają wymagania klasy A według normy IEC 61000-4-30. Są również w pełni certyfikowanymi urządzeniami PQI-A-FI-H na podstawie normy IEC 62586.
Urządzenie te wyposażone jest w cztery wejścia napięciowe i cztery lub pięć wejść prądowych. Pomiar prądu możliwy jest poprzez wykorzystanie tradycyjnych przekładników prądowych jak również dzięki wykorzystaniu cęgów pomiarowych lub Cewek Rogowskiego. Wysokiej klasy przetworniki analogowo-cyforwe pozwalają na uzyskanie szerokiego pasma przenoszenia, nawet do 20 kHz, przy błędzie pomiarowym nie większym niż 0,2% przy napięciu na poziomie nawet 150% znamionowego. Pomiar wykonywany jest w układzie pośrednim (rys. 1).
Rysunek 1. Podłączenie analizatora w układzie pośrednim, pomiar przez przekładniki napięciowe oraz prądowe
Niezwykle ważnym zagadnieniem jest współpraca analizatora z zewnętrznym systemem pozwalającym gromadzić dane pomiarowe. Urządzenia tego typu wyposażone są w złącza komunikacyjne RS232/RS485, których typ jest dowolnie konfigurowalny, oraz złącze Ethernetowe. Pozwala to na zapewnienie komunikacji po protokole Modbus RTU/TCP i włączeniu analizatora do dowolnego systemu akwizycji i analizy danych. Oprócz wspomnianego Modbus konieczna może być współpraca z protokołami IEC 60870-5-104 lub IEC 61850. Zapewnienie zdalnego dostępu jest niezbędne w sytuacji, kiedy analizator współpracuje z farmami wiatrowymi lub fotowoltaicznymi, które najczęściej zbudowane są w miejscach trudno dostępnych, gdzie osobisty nadzór jest utrudniony.
a)
b)
Rysunek 2. Stacjonarne analizatory energii elektrycznej: a) PQI-DA Smart, b) PQI-DE
Rejestrator musi pozwalać na ciągły zapis w wybranych interwałach czasowych, w tym n-sekundowym i n-minutowym, takich parametrów jak współczynniki THD dla prądu i napięcia, wartości asymetrii napięcia, współczynnika K, mocy czynnej, biernej składowej podstawowej pozornej dystorsji oraz energii. Pozwala na rejestrację wartości współczynników mocy cos φ oraz rzeczywistego współczynnika PF a także współczynników krótkookresowego i długookresowego migotania światła według normy IEC 61000-4-15. Oprócz zapisu parametrów w sposób ciągły urządzenie spełnia funkcję rejestratora zakłóceń, pozwalając na zapis wartości chwilowych napięć, prądów i częstotliwości. Rejestrator pozwala na zapis wartości oscyloskopowych, których rejestracja wykonywana jest przy częstotliwości 10,24 kHz lub 40,96 kHz, z czasem nawet do 16 s, i wartości T/2 z czasem zapisu nawet do 6 min.
Analizatory pozwalają na pomiar wartości energii czynnej i biernej, z podziałem na każdą fazę jak i sumaryczne jej zapotrzebowanie. Równocześnie zbierana jest informacja o kierunku przepływu mocy czynnej jak i charakterze mocy biernej. Dzięki pomiarowy mocy czynnej i biernej w układzie czterokwadrantowym (rys. 3). Dzięki rejestracji wartości moczy czynnej oraz mocy biernej składowej podstawowej harmonicznej 50 Hz możliwe jest w prosty sposób określenie kierunku przepływu mocy jak i charakteru mocy biernej (indukcyjnej czy pojemnościowej, tab. 1). Przy podłączeniu przekładników prądowych w taki sposób aby zacisk P1 zwrócony był w stronę generatora, a zacisk P2 w stronę sieci interpretacja jest następująca. Dodani znak przy wartości mocy czynnej określa jej pobór, znak ujemny zaś generację mocy. Przy generacji mocy czynnej (P „-”) moc bierną składowej podstawowej harmonicznej określa się jako indukcyjną ze znakiem minus (QV „-”), jako pojemnościową ze znakiem plus (QV „+”). Dzięki temu określenie najważniejszych parametrów możliwe jest tylko na podstawie dwóch mierzonych wartości, bez konieczności analizowania wartości współczynników cos φ oraz tg φ. Pomiar mocy biernej zgodny jest z wymaganiami normy VDE-AR-N4105 opartej na Rozporządzeniu Komisji Europejskiej (UE) 2016/631.
Tablica 1. Określenie kierunku przepływu mocy czynnej oraz charakteru mocy biernej składowej podstawowej harmonicznej 50 Hz
| Moc czynna | Moc bierna 50 Hz (QV) o charakterze indukcyjnym | Moc bierna 50 Hz (QV) o charakterze pojemnościowym | |
|---|---|---|---|
| Pobór | + | + | - |
| Generacja | - | - | + |
Rysunek 3. Pomiar mocy czynnej i biernej w układzie czterokwadrantowym: kolorem czerwonym - cos φ, niebieskim cos φ wg VDE-AR-N4105
Wymagania stawiane w zakresie Jakości Energii Elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych stawiają operatorom systemu nowe wyzwania w zakresie kontroli pracy sieci elektroenergetycznej, na każdym poziomie napięć. Wzrost udziału odnawialnych źródeł energii, a także prosumentów w sieciach niskiego napięcia, wpływa na parametry JEE. Niezbędne jest tym samym prowadzenie pomiarów jakościowych energii elektrycznej, na każdym poziomie napięcia, i to przy zastosowania analizatorów spełniających określone, wysokie wymagania jakościowe. Zebrane dane pomiarowe mogą być podstawą do oceny jakości energii elektrycznej, rozwiązywaniu konfliktów pomiędzy operatorem systemu a konsumentem/prosumentem, a także na tworzenie planów remontowych i inwestycyjnych. Przedstawione wykonane pomiary wybranych parametrów energii elektrycznej pozwalają na wstępną ocenę pracy odcinak sieci, utrzymywania wymaganych parametrów oraz oceny jakości pracy sieci elektroenergetycznej.
