Szybkie zmiany napięcia w układach elektroenergetycznych
Rewolucja przy zmianach w Opłacie Mocowej w 2022 roku
30 sierpnia 2022
Grupa Astat z certyfikatem ISO 9001:2015!
1 lutego 2024
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 Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, 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 PN-EN 50160:2010, która określa większą liczbę parametrów jakościowych napięcia. W systemie elektroenergetycznym możliwa jest regulacja wartości skutecznej napięcia poprzez zmianę zaczepów transformatorów lub poprzez zmianę bilansu mocy biernej.
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. Wartość tego wskaźnika jest o tyle istotna, że została ujęta w Normie i Rozporządzeniu. 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 1. 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.
Rysunek 1. Zmienność wartości współczynników krótko- i długookresowego migotania światła dla wybranego zakładu przemysłowego
- 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.
Statyczne generatory mocy biernej
Typowe układu kompensujące, oparte na bateriach kondensatorowych lub dławikowych sterowanych klasycznymi stycznikami, a nawet poprzez układy tyrystorowe, nie są w stanie zapewnić właściwych parametrów jakości energii, przy kompensacji mocy biernej w układach zasilających odbiorniki niespokojne, gdzie występują znaczne wahania napięcia. Rozwiązaniem, jakie można tutaj zaproponować, są statyczne generatory mocy biernej, tzw. SVG (rys. 2). Są to urządzenia energoelektroniczne, wykorzystujące do swojego działania układy tranzystorów IGBT, które kluczując wg określonego algorytmu regulacji, załączają kondensator i w ten sposób generują przepływ mocy biernej.
Układy kompensacyjne SVG pozwalają na kompensację mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej w jednym urządzeniu, symetryzację obciążeń, praktycznie nieograniczoną liczbę cykli łączeniowych. Urządzenia te zapewniają również uzupełniającą filtrację wyższych harmonicznych prądu do trzynastego rzędu, a dzięki ciągłej kontroli pobieranego prądu nie zachodzą zjawiska rezonansowe.
Rysunek 2. Schemat blokowy statycznego generatora 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. Niedostosowanie układu kompensacyjnego, gdzie występuje asymetria obciążenia, może prowadzić do niezadowalających rezultatów w zakresie kompensacji.
Analizie poddano układ, w którym zainstalowany został układ kompensatora w postaci filtra aktywnego wyższych harmonicznych, którego podstawowym zadaniem była kompensacja mocy biernej, a przy wystarczającym zapasie mocy również redukcja wyższych harmonicznych prądu. Na rysunku 3 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.
Rysunek 3. Zmiany wartości wskaźnika migotania krótkookresowego Pst odniesione do zmian poboru mocy biernej
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.
Podsumowanie
Szybkie zmiany napięcia mogą występować w układach zasilających odbiorniki niespokojne. Zmiany te mogą prowadzić 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.
