Systemowe rozwiązanie problemu niskiej jakości energii

Rosnąca potrzeba autonomii energetycznej i optymalizacji kosztów sprawia, że przedsiębiorstwa nieustannie inwestują w modernizację parku maszynowego, zakup nowych urządzeń pomiarowych, sprzętu elektronicznego, systemów monitoringu i wizualizacji danych. Instalują także systemy klimatyzacji. Chcąc zredukować zużycie energii, wymieniają oświetlenie na energooszczędne, montują panele fotowoltaiczne i inne rozwiązania dla zapewnienia sobie bezpieczeństwa energetycznego.


Wymiana urządzeń elektrycznych na nowe nie zawsze oznacza obniżkę rachunków za prąd. Przyczyną jest naliczanie na fakturze opłaty za pobór mocy biernej.

Moc bierna – co to takiego?
Moc bierna nie może być zamieniona na pracę lub ciepło, jednakże jest potrzebna urządzeniom elektrycznym do prawidłowego działania. Moc bierna nie jest zużywana, a jedynie krąży w sieci elektrycznej pomiędzy generatorem a odbiornikiem.

Możemy wyróżnić dwa rodzaje mocy biernej:

• moc bierna indukcyjna,
• moc bierna pojemnościowa.

Moc bierna indukcyjna zwana też mocą bierną pobraną służy urządzeniom takim jak silniki i transformatory do wygenerowania lub zredukowania pola magnetycznego lub elektrycznego. Źródłami mocy biernej indukcyjnej są ponadto np. lampy jarzeniowe, lodówki, klimatyzatory, kompresory, windy, spawarki oraz wszelkiego rodzaju maszyny i urządzenia produkcyjne.
Moc bierna pojemnościowa nazywana też mocą bierną oddaną związana jest np. z długimi odcinkami kabli, które mogą działać jak kondensatory. Źródłem mocy biernej pojemnościowej mogą być: sprzęt komputerowy, zasilacze UPS, oświetlenie typu LED.

Na co ma wpływ moc bierna?
Moc bierna wywołuje szereg niekorzystnych zjawisk, takich jak zwiększenie strat cieplnych oraz obniżenie sprawności linii kablowych i transformatorowych. Przekłada się to na konieczność zastosowania przewymiarowanych przewodów zasilających oraz urządzeń o większej mocy znamionowej. Czynniki te skutkują nieraz wyższym kosztem zakupu, a także większymi gabarytami i masą tych urządzeń.

Miarą jakości energii elektrycznej są tzw. współczynniki mocy m.in. cosϕ oraz tgϕ. Cosϕ wyraża stosunek poboru mocy czynnej do mocy pozornej, inaczej definiowany jest jako cosinus kąta przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem. Wartość cosϕ mieści się w przedziale 0–1. Wartość oczekiwana = 1 oznacza, że pobierana jest wyłącznie moc czynna. Podobnie jest ze współczynnikiem tgϕ, który definiowany jest jako stosunek poboru mocy biernej do mocy czynnej. Wartość oczekiwana = 0 oznacza brak poboru mocy biernej indukcyjnej.

Przepisy prawa dopuszczają maksymalną wartość tgϕ na poziomie 0,4, a niekiedy nawet 0,2. Pobór mocy biernej indukcyjnej jest zatem dopuszczalny, ale w ściśle określonych granicach. Pobór mocy biernej pojemnościowej w żadnym przypadku nie powinien wystąpić.

Ponadumowny pobór energii biernej to:

• nadwyżka poboru energii biernej indukcyjnej wynikającej z przekroczenia umownego tgϕ;
• pobór energii biernej indukcyjnej przy braku poboru energii czynnej;
• pobór energii biernej pojemnościowej.

Moc bierna a rachunki
Na podstawie przepisów prawa oraz taryf operatorów sieci dystrybucyjnej, dopuszczalne jest obciążanie odbiorców opłatami za ponadumowny pobór energii biernej. Opłaty naliczane są odbiorcom zasilanym średnim, wysokim oraz najwyższym napięciem oraz mogą obejmować odbiorców zasilanych napięciem do 1 kV. W praktyce opłaty obejmują wszystkich klientów korzystających z taryf A, B, C za wyjątkiem odbiorców prywatnych, którzy korzystają z taryfy G.

Jak liczone są opłaty za moc bierną?
Wysokość opłaty za moc bierną indukcyjną zależy od:

• zużycia energii czynnej w kWh w każdej ze stref czasowych opisanych w taryfie;
• wartości obliczonego tgϕ;
• wartości tgϕ wynikającego z umowy z OSD;
• krotności, która dla odbiorców zasilanych niskim napięciem wynosi 3 (taryfa C);
• średniej rocznej ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym.

Wysokość opłaty za moc bierną pojemnościową zależy od:

• zużycia energii biernej pojemnościowej w kVArh;
• krotności;
• średniej rocznej ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym.

Jedynym parametrem, na który ma wpływ odbiorca energii jest wielkość poboru mocy biernej. Nie ma możliwości zmiany krotności, zaś średnia cena sprzedaży energii na rynku konkurencyjnym jest corocznie ogłaszana przez Urząd Regulacji Energetyki. Opłata za moc bierną wyszczególniona jest na fakturze w części dotyczącej usług dystrybucji.

Operatorzy Sieci Dystrybucyjnej są zobowiązani do uwzględnienia aktualnej ceny sprzedaży energii podanej przez URE przy tworzeniu nowych taryf. Cena sprzedaży energii z dnia zatwierdzenia taryfy obowiązuje przez cały okres jej ważności. Średnie roczne ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym przedstawiono na wykresie. Wzrost ceny energii podanej przez URE w ostatnich latach gwałtownie przyspieszył, osiągając w roku 2022 ponad 2-krotnie wyższy poziom niż w roku 2020.





Rozliczenie mocy biernej – przykład 1 (budynek biurowy)
Użytkownik pobiera moc bierną indukcyjną, ale nie przekracza umownego tgϕ = 0,4 w żadnej ze stref czasowych (kolor zielony), w związku z czym nie ponosi opłat z tego tytułu. Została natomiast naliczona opłata za pobór mocy biernej pojemnościowej (kolor czerwony) w wysokości 347,41 zł netto, co stanowi 23% wartości całej faktury za usługi dystrybucji prądu (kolor żółty). Faktura uwzględnia cenę energii na rynku konkurencyjnym z roku 2018 na poziomie 0,1943 zł/kWh. Biorąc pod uwagę cenę energii elektrycznej obowiązującą w roku 2022 na poziomie 0,52371 zł/kWh, opłata ta wyniosłaby już 936,39 zł, co oznacza wzrost niemal 3-krotny.





Rozliczenie mocy biernej – przykład 2 (zasilanie klimatyzatorów)
Użytkownik posiada wydzielony przyłącz zasilania dla klimatyzatorów i korzysta z taryfy jednostrefowej. W analizowanym okresie czasu nie odnotowano poboru mocy biernej pojemnościowej (kolor zielony). Pobór mocy biernej indukcyjnej przekroczył limit ponad pięciokrotnie. Tgϕ wyniósł 2,04, wobec wymaganego nie więcej niż 0,4 (kolor czerwony). Zużycie energii czynnej wyniosło w tym okresie 2825 kWh (kolor niebieski). Opłata za pobór mocy biernej indukcyjnej wyniosła 1595,58 zł netto wg stawek obowiązujących w roku 2016, tj. 0,16970 zł/kWh. Kwota ta stanowi 70% wartości całej faktury za usługi dystrybucji energii elektrycznej (kolor żółty). Po uwzględnieniu ceny energii elektrycznej za rok 2022 w wysokości 0,52371 zł/kWh, kwota do zapłaty wyniosłaby już 4924 zł netto.





Kompensacja mocy biernej
Skokowy wzrost cen energii wymusza wdrożenie odpowiednich rozwiązań i środków zaradczych. Kompensacja mocy biernej polega na wytworzeniu potrzebnej mocy biernej lokalnie. Dzięki temu nie ma potrzeby przesyłania jej na duże odległości, co pozwala na odciążenie linii energetycznych i wykorzystanie dostępnej przepustowości dla przesyłu energii czynnej. Kompensacja jest możliwa dzięki urządzeniom służącym do poprawy efektywności energetycznej m.in. dzięki filtrom aktywnym, takim jak filtry aktywne typu APF-100/* i APF-300/* produkcji Grupy Elsta. Urządzenia umożliwiają zlikwidowanie poboru energii biernej pojemnościowej, a także znaczącą redukcję poboru mocy biernej indukcyjnej. Efektem działania filtrów aktywnych jest powrót wartości współczynników mocy cosϕ oraz tgϕ do poziomu, który pozwala odbiorcy uniknąć znacznych kosztów z tytułu poboru energii biernej.


Widok filtra aktywnego typu APF-100/25/3w/I


Widok filtra aktywnego typu APF-300/400



Wyższe harmoniczne a jakość energii
Wyższe harmoniczne to zakłócenia w sinusoidalnym przebiegu prądu. Ich źródłem są m.in. odbiorniki o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej lub odbiorniki, które są naprzemiennie załączane i wyłączane. Przykład stanowią urządzenia przetwarzające energię elektryczną na energię mechaniczną, w tym silniki i generatory, a także urządzenia do przetwarzania i zmiany parametrów energii elektrycznej, takie jak układy zasilające i sterujące. Źródłem wyższych harmonicznych są także niektóre źródła światła, piece łukowe i urządzenia spawalnicze. Zawartość wyższych harmonicznych w prądzie opisuje się parametrem THDi. Przykład wpływu wyższych harmonicznych na przebieg prądu referencyjnego przedstawiono na poniższym rysunku. Kształt prądu wynikowego jest sumą prądu nieodkształconego, tj. składowej podstawowej prądu o częstotliwości 50 Hz oraz w omawianym przypadku harmonicznej prądu 5. i 7. rzędu o częstotliwości odpowiednio 250 Hz i 350 Hz.





Zakłócenia generowane przez źródła wyższych harmonicznych występują nie tylko w obrębie lokalnej instalacji elektrycznej, ale krążą w sieci i mogą oddziaływać na innych odbiorców energii.

Wyższe harmoniczne prądu mogą wpływać na zwiększenie strat w transformatorach i dławikach, uszkodzenie kondensatorów np. w filtrach przeciwzakłóceniowych, grzanie się przewodów oraz elementów indukcyjnych, występowanie zjawiska rezonansu i przepięć, błędne działanie urządzeń pomiarowych, wzrost prądu w przewodzie neutralnym.

Filtr aktywny a poprawa jakości energii
Filtr aktywny typu APF-100/* i APF-300/* jest odpowiedzią na jedno z kluczowych zadań opisanych w Ustawie o efektywności energetycznej, jakim jest ograniczenie strat związanych z poborem energii biernej. Dzięki analizie sygnałów pomiarowych w czasie rzeczywistym, filtr odtwarza sinusoidalny przebieg prądu dla każdej fazy i dynamicznie dostosowuje się do rodzaju obciążenia, pozwalając osiągnąć wysoką skuteczność w korekcji parametrów jakościowych energii elektrycznej.


Filtr aktywny typu APF-100/* i APF-300/* spełnia szereg funkcji technicznych, z czego najważniejsze to:

• kompensacja mocy biernej;
• filtracja wyższych harmonicznych prądu;
• symetryzacja obciążenia poszczególnych faz i redukcja prądu w przewodzie neutralnym.

W sytuacji podłączenia znacznej liczby odbiorników nieliniowych standardowo zaleca się dwukrotne przewymiarowanie przekroju przewodu neutralnego w stosunku do przekroju przewodów fazowych. W przypadku korzystania z filtra aktywnego typu APF-100/* lub APF-300/* nie ma takiej potrzeby.

Filtr aktywny jako symetryzator napięć
Poprzez bardzo szybki czas reakcji i wykorzystanie wysokiej jakości komponentów w konstrukcji urządzenia, możliwe stało się wykorzystanie filtra aktywnego typu APF-100/* i APF-300/* w nowym, innowacyjnym zastosowaniu symetryzatora napięć fazowych. Bazując na pomiarach napięcia i parametrów sieci elektrycznej, urządzenie utrzymuje napięcia w każdej z faz L1, L2, L3 na zbliżonym do siebie poziomie, który mieści się w dopuszczalnych granicach.

Wykorzystywana jest wtedy możliwość przeniesienia przez filtr aktywny pewnej części mocy czynnej z tej fazy zasilania, na której występuje zbyt wysokie napięcie do fazy, gdzie napięcie jest niższe. W rezultacie wszystkie napięcia fazowe są wyrównane. Pracę urządzenia w tym trybie pokazano na rysunkach. Moment załączenia filtra aktywnego APF-100/* zaznaczono za pomocą strzałki, natomiast okresy jego pracy oznaczono kolorem zielonym. W omawianym przykładzie napięcia fazowe wynosiły od 231 V do 248 V w zależności od fazy, zaś aktywowanie trybu symetryzacji napięć w oprogramowaniu filtra aktywnego pozwoliło utrzymać napięcia na stabilnym poziomie w okolicach 240 V jednocześnie dla każdej fazy.







Sprowadzenie napięcia sieciowego do właściwego poziomu tj. 230 V +/–10% i utrzymanie go w tych granicach pozwala lepiej wykorzystać dostępne zasoby i zapobiega wyłączaniu się falowników w przydomowych instalacjach PV. W przypadku podłączenia wielu prosumentów do tej samej fazy zasilania (np. w przypadku instalacji PV 1-fazowych), w sprzyjających warunkach nasłonecznienia napięcie na jednej z faz znacznie szybciej wzrasta niż na pozostałych fazach, co skutkuje przeciążeniem sieci i wyłączaniem falowników. Praca filtra aktywnego jako symetryzatora napięć otwiera nowe możliwości przede wszystkim dla sektora energetycznego. Daje dodatkowe narzędzie stabilizujące system elektroenergetyczny i przyczynia się do zwiększenia jego elastyczności. Zastosowanie filtra aktywnego pozwoli na zwiększenie niezawodności sieci poprzez uzyskanie i utrzymanie parametrów jakościowych energii elektrycznej na właściwym poziomie.

Łukasz Baran – Kierownik Produktu w Grupie Elsta odpowiedzialny za rozwój urządzeń do poprawy jakości energii elektrycznej i systemów magazynowania energii. Działający także w obszarze logistyki materiałowej dla przemysłu i górnictwa.

Grupa Elsta
www.elsta.pl