tradycyjna kompensacja, czy filtr aktywny?

Rodzina kompensatorów dynamicznych LKD z funkcją filtra aktywnego to najnowszy produkt polskiej marki Lopi. Chcąc jak najtrafniej odpowiadać na aktualne potrzeby rynku wraz z inżynierami z Politechniki Warszawskiej zaprojektowaliśmy innowacyjne rozwiązanie. Ponieważ kompensator LKD zdobył złoty medal podczas ogólnoświatowych targów innowacji E-NNOVATE 2020, cieszy się coraz większym zainteresowaniem klientów.

Kompensatory dynamiczne Lopi LKD z funkcjonalnością filtra aktywnego (patent P. 433831) występują w trzech modelach: LKD5 (5kVar), LKD10 (10kVar), LKD25 (25kVar).

Główne funkcje kompensatora dynamicznego z funkcją filtra aktywnego

  1. Kompensacja mocy biernej indukcyjnej i/lub pojemnościowej w każdej z faz z osobna do wartości maksymalnego prądu kompensacji fazy lub przewodu neutralnego (RMS). Jeżeli w przewodzie neutralnym nastąpi przekroczenie wartości maksymalnego prądu kompensacji (RMS) kompensowana moc jest proporcjonalnie ograniczona we wszystkich fazach do limitu prądu kompensacji (RMS) w przewodzie neutralnym.
  2. Kompensacja wyższych harmonicznych prądu obciążenia do 49 lub 39 harmonicznej dla częstotliwości napięcia sieci zasilającej odpowiednio 50Hz lub 60Hz (*). Przy czym w przypadku przekroczenia wartości maksymalnego prądu kompensacji fazy lub przewodu neutralnego (RMS lub PEAK) priorytetem jest kompensacja mocy biernej. Z kolei zdolność kompensacji każdej z wyższych harmonicznych ogranicza się proporcjonalnie do limitu prądu kompensacji (RMS lub PEAK).
  3. Możliwość selektywnej kompensacji wyższych harmonicznych każdej z faz z osobna (programowo) lub zakresów harmonicznych do 19, 29, 39 lub 49 harmonicznej (dipswitch).
  4. Symetryzacja obciążenia.

Współpraca kompensatora aktywnego z innymi urządzeniami

Kompensatory dynamiczne LKD z funkcjonalnością filtra aktywnego współpracują z LRMCtrl i LRMnet. LRMnet za pomocą LRMCtrl wizualizuje pracę kompensatora dynamicznego oraz wizualizuje parametry sieci elektroenergetycznej. Dzięki temu zyskujemy dostęp do bieżących danych pomiarowych oraz ich bieżącą analizę. Zdalna kontrola z dowolnego miejsca z dostępem do internetu oraz smsy wysyłane na numery alarmowe umożliwiają szybką reakcję ze strony zespołu wsparcia technicznego. Szybka reakcja umożliwia zapobieganie awariom i możliwym uszkodzeniom sprzętu.

Kompensatory dynamiczne z funkcją filtra aktywnego mogą występować w trzech różnych wariantach. Ponieważ ich kompaktowa budowa umożliwia montaż w miejscach gdzie umieszczenie tradycyjnej baterii kondensatorów byłoby utrudnione. Ponadto wykonanie wolnostojące to opcja możliwa do zastosowania w dowolnym miejscu wewnątrz lub na zewnątrz obiektu. Dlatego rozwiązanie to dedykowane jest do takich miejsc jak szpital, basen, centrum handlowe i inne.

Kolejnym możliwym rozwiązaniem dla kompensatora dynamicznego jest zastosowanie obudowy typu RACK. Dlatego jest to opcja, którą można instalować między innymi w siłowniach telekomunikacyjnych czy serwerowniach.

Kompensator dynamiczny może stanowić również moduł oświetlenia ulicznego. W związku z tym, że montuje się go na zewnątrz. Ponadto stosuje się go w ulicznym oświetleniu ledowym, na parkingach czy stacjach kolejowych, gdzie zastosowano wiele źródeł światła LED.

1. Kompensator dynamiczny w wykonaniu w obudowie typu RACK (zdj. własne Grupy Lopi)

2. Kompensator dynamiczny oświetlenia ulicznego (zasoby własne Grupy Lopi)

układ fotowoltaiczny - zastosowanie kompensatora dynamicznego

Zastosowanie generacji rozproszonej (np. układ fotowoltaiczny) w podsieci zasilającej, wymaga zastosowania falowników. Przekształtniki DC/AC są integralną częścią całego układu fotowoltaicznego. Ponadto posiadają one bardzo zaawansowane algorytmy sterowania, które mają wbudowaną identyfikację impedancji sieci zasilającej.

W takiej sytuacji zastosowanie biernego kompensatora z szeregowo wstawionymi dławikami skutkuje negatywnym wpływem na układ fotowoltaiczny i jego pracę. Ponieważ układ sterowania falownika fotowoltaicznego, podejmuje ciągłe próby poprawnej identyfikacji impedancji sieci elektroenergetycznej. Podczas gdy może ona ulegać nieustannej zmianie poprzez dołączanie/odłączanie kolejnych dławików. Dlatego wiąże się to z zaburzeniami napięcia wyższymi harmonicznymi spowodowanymi pracą łączeniową tranzystorów falownika fotowoltaicznego. Ponadto powoduje to obniżoną sprawność energetyczną. Procesy te stanowią wynik większych strat energetycznych na dławiku.

Coraz częściej rekomendowanym rozwiązaniem jest stosowanie urządzeń z rodziny kompensatorów dynamicznych z funkcjonalnością filtra aktywnego. W celu zwiększenia możliwości zastosowania kompensatora, każdy model z rodziny kompensatorów dynamicznych LKD został wyposażony w dodatkowy układ sterowania z przekładników zewnętrznych. Kolejną wprowadzoną funkcjonalnością jest moduł sterowania członami pasywnymi LC poprzez dodatkowy moduł rozszerzeń. Dla dużych mocy biernych wiąże się to z możliwością połączenia istniejącego systemu kompensacji z układem dynamicznym. Kooperacja kompensatora dynamicznego z tradycyjnym układem kompensacyjnym powoduje mniejszą częstotliwość załączeń członów pasywnych oraz wysoką skuteczność nawet dla odbiorników z szybkozmiennym charakterem pracy. 

Zastosowanie kompensatorów dynamicznych LKD z funkcjonalnością filtra aktywnego

Stosowanie kompensatorów dynamicznych LKD z funkcjonalnością filtra aktywnego ma znacznie dla całej infrastruktury w danym obiekcie, co oczywiście przekłada się na finanse firmy. Kompensatory dynamiczne poszerzone o filtrację aktywną charakteryzują się szerokim spektrum zastosowań. Co ważne urządzenia te odpowiadają na potrzeby małych i  średnich przedsiębiorstw z jednej strony oraz dużych inwestycji z drugiej. Dlatego postaramy się przyjrzeć bliżej gdzie dokładnie możemy zastosować kompensatory dynamiczne z funkcjami filtra aktywnego.

Zastosowanie kompensatorów dynamicznych w przemyśle

W przemyśle, w celu optymalizacji strat energii często stosuje się falowniki, których zadaniem jest sterowanie pracą silników. Niestety, stanowią one główne źródło wyższych harmonicznych w sieci. W związku z tym stosowanie kompensatorów dynamicznych LKD w tym przypadku jest bardzo zasadne. Odkształcenia wynikające z pracy falowników można zaobserwować w następujących gałęziach przemysłu:

  • przemysł lekki,
  • przemysł chemiczny,
  • sektor elektromaszynowy,
  • przemysł mineralny,
  • przemysł metalurgiczny,
  • sektor paliwowo-energetyczny,
  • sektor spożywczy,
  • przemysł drzewno-papierniczy.

Zastosowanie kompensatorów dynamicznych w infrastrukturze

Różnego rodzaju odbiorniki, z którymi możemy zetknąć się w szeroko rozumianej infrastrukturze takie jak np. wentylatory czy pompy również współpracują z falownikami, których podrzędnym celem jest optymalizacja zużycia energii. Mimo niewątpliwej zasadności użytkowania falowników, aparatura ta generuje zniekształcenia w ramach sieci elektroenergetycznych.  Bez wątpienia stosowanie kompensatorów dynamicznych w tym przypadku również przyniesie wymierne korzyści. Tego typu nieprawidłowości mogą występować w:

  • przepompowniach wody
  • tunelach
  • na farmach słonecznych i wiatrowych
  • na kolei
  • w agregatach wody lodowej

Zastosowanie kompensatorów dynamicznych w usługach

Obecnie wiele obiektów użyteczności publicznej jest wyposażonych w zasilacze UPS i źródła LED, które emitują do sieci wyższe harmoniczne. Wyróżniamy tutaj szereg obiektów o statusie usługowym co dodatkowo stawia przed ich zarządcami wymogi jak najniższego wskaźnika awaryjności. Z pewnością wśród tych obiektów możemy wyróżnić:

  • szpitale
  • centra danych
  • laboratoria
  • banki i inne instytucje finansowe
  • lotniska
  • centra handlowe
  • parki rozrywki
  • osiedla mieszkaniowe
  • ośrodki rekreacyjne
  • centra telekomunikacyjne
  • biurowce
  • oświetlenie

Stosowanie odpowiednio dobranych kompensatorów dynamicznych z funkcjonalnością filtra aktywnego pozwala zredukować odkształcenia wynikające z zastosowania falowników oraz zasilaczy UPS. Wiąże się to nie tylko z redukcją odkształceń wyższych harmonicznych, ale przede wszystkim jest odczuwalne dla kieszeni inwestora. Ponieważ kompensator dynamiczny LKD na bardzo wysokim poziomie kompensuje moc bierną (ok 98%) co wiąże się z brakiem kar umownych za przesył tej energii do sieci. Dodatkowo kompensator dynamiczny z funkcją filtra aktywnego LKD redukuje również moc dystorsji co obniża zużycie mocy czynnej o 2-3%. Ponadto miesięczne oszczędności wynikające z zastosowania kompensatora oscylują średnio od kilkuset złotych do kilku tysięcy złotych.

Przewaga kompensatora dynamicznego LKD Lopi

Przewaga kompensatora dynamicznego LKD nad standardowym układem kompensacji jest znacząca. Tradycyjny układ kompensacji mocy biernej pojemnościowej zawiera jedno lub trójfazowe dławiki kompensacyjne. Regulator mocy biernej steruje stopniami tego układu. Rozwiązanie tego typu traci coraz bardziej na popularności ze względu na liczne ograniczenia. Są to m.in. wysokie straty własne układów kompensacji utrzymujące się w granicach od 50 do 80 W na 1 kvar. Ponadto są to długie czasy reakcji (odbiory szybkozmienne) i zmiany impedancji sieci. Kolejnym ograniczeniem jest konieczność utrzymywania cosφ po stronie indukcyjnej co wiąże się z kolejnymi dodatkowymi stratami.

Kompensator dynamiczny z funkcją filtra aktywnego posiada bezstopniową kompensację mocy biernej i mocy dystorsji. Ponadto straty własne urządzenia są minimalne – 17 W na 1 kvar. Możliwa jest skuteczna redukcja zniekształceń sieci do 49 harmonicznej oraz aktywna kompensacja mocy biernej wraz z równoważeniem obciążenia sieci.

Podsumowując, przewaga kompensatora dynamicznego LKD jest m.in. taka, że kompensatory dynamiczne z funkcją filtra aktywnego mogą w pełni zastępować tradycyjne baterie kondensatorów i dławików. Oczywiście podnoszą jednocześnie standard działania poprzez filtrację wyższych harmonicznych. Przy zastosowaniu kompensatorów LKD, użytkownik zyskuje dużą redukcję strat własnych układu kompensacyjnego. Ponadto filtracja wyższych harmonicznych obniża wielkość mocy pozornej, co przekłada się bezpośrednio na jeszcze większą redukcję opłat za energię elektryczną.

Montaż kompensatorów dynamicznych LKD

Kompensatory LKD z funkcjonalnością filtra aktywnego o mocy 5 lub 10 kvar można podłączać do instalacji szeregowo z zasilanymi odbiornikami. To unikalne rozwiązanie sprawia, że nie ma konieczności montażu dodatkowych przekładników pomiarowych. Kompensator zawiera wbudowany wewnętrzny układ do pomiaru U/I. W wyposażeniu standardowym urządzenie posiada kanał komunikacyjny RS 485, a w zależności od wykonania, dodatkowy wyświetlacz i moduł rozszerzeń do sterowania członami pasywnymi takimi jak dławik kompensacyjny, czy kondensator. Kompensator charakteryzuje się prostym montażem i intuicyjną konfiguracją.

Dzięki zastosowaniu innowacyjnych technologii kompensator dynamiczny LKD z funkcją filtra aktywnego, mieści się w kompaktowej obudowie umożliwiając tym samym montaż w miejscach gdzie instalacja tradycyjnej baterii dławików byłaby problematyczna. Zastosowanie kompensatora dynamicznego z funkcją filtra aktywnego w układzie to przede wszystkim poprawa jakości zasilania, aktywna kompensacja mocy biernej, zrównoważenie obciążenia oraz wydłużenie czasu eksploatacji urządzeń podłączonych do sieci z kompensatorem.

Kompensator dynamiczny z funkcją filtra aktywnego jest urządzeniem bardzo wydajnym, prostym w instalacji i eksploatacji. Dzięki zastosowaniu skomplikowanych algorytmów urządzenie może pracować w otwartej i zamkniętej pętli oraz podłączone szeregowo do sieci. Kompensatory dynamiczne 25 kvar można łączyć ze sobą równolegle do osiągnięcia łącznej mocy 100 kvar.

Poprawienie współczynnika mocy

Poprawienie współczynnika mocy

Poprawienie współczynnika mocy wpływa znacząco na redukcję opłat za energię bierną. Zwyczajowo za naturalny współczynnik mocy (tzw. dyrektywny współczynnik mocy) urządzeń elektrycznych uważa się ten mieszczący w przedziale od 0,55 do 0,8. Jednak bilans mocy biernej wymaga, aby wartości te utrzymywały się na poziomie między 0,9 a 0,96. Wskaźnik plasujący się poniżej tego poziomu może oznaczać zmniejszenie mocy czynnej wytwarzanej przez generatory i ograniczenie zdolności przesyłowej transformatorów oraz linii. Ponadto taka sytuacja przyczynia się do wzrostu strat przesyłu energii elektrycznej, a także do zwiększenia strat i spadków napięć w liniach. Wobec tego poprawienie współczynnika mocy pozwala na bardziej ekonomiczną gospodarkę energią elektryczną oraz lepsze (bardziej optymalne) wykorzystanie urządzeń. W zależności od zastanej sytuacji wdraża się różne sposoby kompensacji mocy biernej, w tym:

  • Kompensację indywidualną – opiera się na przyłączeniu baterii kondensatorów bezpośrednio do zacisków odbiornika. Zaletą takiej formy kompensacji mocy biernej jest odciążenie całej sieci od przesyłu mocy biernej pobieranej za pomocą odbiorników. Kolejną zaletą jest brak konieczności wprowadzania łączników i zabezpieczeń.
  • Kompensację grupową – w tym rozwiązaniu baterie kondensatorów podłącza się do np. szyn rozdzielni oddziałowych. Kompensuje się w ten sposób moc bierną odbiorników zasilanych z tej rozdzielni. Przy takim modelu odbiorniki przenoszą moc bierną, zaś baterie kondensatorów wyposażane są w łączniki i zabezpieczenia.
  • Kompensację centralną – w tym modelu baterię kondensatorów montuje się w rozdzielni głównej. Włączanie i wyłączanie kondensatorów jest uzależnione od liczby pracujących odbiorników i zadanej wartości współczynnika mocy. Taka forma kompensacji mocy biernej odciąża sieć od prądów biernych i wynikających z nich efektów.
  • Kompensację mieszaną – opiera się na zamontowaniu baterii centralnej i indywidualnej kompensacji największych odbiorników energii biernej. Zazwyczaj spotyka się ją w dużych zakładach przemysłowych.
Korzyści związane z kompensacją mocy biernej

Korzyści związane z instalacją układu kompensacji mocy biernej są znaczące zarówno dla użytkownika, jak i dla środowiska naturalnego. Instalacja odpowiednio dobranych urządzeń do kompensacji energii biernej obfituje poniższymi korzyściami.

Po pierwsze, odpowiednio dobrane baterie dławików lub kondensatorów, pozwalają na znaczną redukcję lub całkowitą eliminację niepotrzebnych opłat za energię bierną.

Po drugie w zależności od ponoszonych dotychczas opłat oraz warunków danego obiektu, zwrot kosztów z inwestycji następuje po 3-24 miesiącach.

Ponadto w określonych przypadkach instalacja układu kompensacji wpływa na zmniejszenie zużycia energii czynnej, poprzez zmniejszenie strat mocy czynnej.

Kolejną korzyścią jest fakt, iż urządzenia do kompensacji mocy biernej redukują straty energii w sieci elektroenergetycznej.

Warto zauważyć również, że w efekcie globalnym kompensacja mocy biernej chroni nasze środowisko, poprzez zmniejszenie emisji Co2 do środowiska.

Niewątpliwie korzyści związane z instalacją urządzeń do kompensacji mocy biernej, znacznie przeważają koszty związane z ich instalacją. Aby jednak osiągnąć zamierzone korzyści, montażem układu kompensacji powinni zająć się doświadczeni instalatorzy. Nawet najlepiej dobrane urządzenie do danego obiektu, przy niewłaściwym podłączeniu i skonfigurowaniu parametrów, nie przyniesie oczekiwanych . Wręcz przeciwnie, czasem może przyczynić się nawet do pojawienia się kolejnych, nawet większych opłat za energię bierną. Dlatego tylko profesjonalnie wykonana instalacja,  pozwala na zaoszczędzenie wielu kosztów. Koszty te to m.in. kary za niewłaściwy współczynnik mocy oraz przeciążeniem. Kolejnym niepożądanym obciążeniem finansowym jest uszkodzenie urządzeń, poprzez ich niewłaściwą eksploatację. Warto zatem wybrać odpowiednio doświadczoną firmę, która prawidłowo dobierze i uruchomi urządzenia do kompensacji mocy biernej.

Nasi klienci znacząco obniżyli swoje rachunki za energię elektryczną, zacznij oszczędzać i Ty!

kompensatory mocy biernej

Do eliminacji bądź redukcji wahań napięć, towarzyszących pracy odbiorników, służyć mogą dynamiczne kompensatory mocy biernej, takie jak:

  • kompensatory wirujące – stanowią tradycyjne źródła regulacji mocy biernej, a mogą być też źródłem mocy mechanicznej. Istotne znaczenie ma tu szybkość zmiany prądu. Wartość ta jest też miarą szybkości korygowania przez kompensator zmian napięcia w punkcie węzłowym układu.
  • kompensatory statyczne (baterie kondensatorów, baterie dławików kompensacyjnych ) – zazwyczaj załączają elementy bierne pojemnościowe i/albo indukcyjne. Sterowanie następuje fazowo bądź o zmiennym stopniu nasycenia rdzenia.
  • kompensatory dynamiczne – filtry aktywne. Poprzez bezstopniową kompensację składowych podstawowych jak i wyższych harmonicznych realizują kompensację mocy biernej oraz redukcję mocy.

Ponadto do dynamicznych kompensatorów mocy biernej zaliczyć można baterie kondensatorów załączane łącznikami tyrystorowymi oraz przekształtnikowe źródła pracy o komutacji wymuszonej. Należy mieć na uwadze, że ręczne sterowanie takimi komponentami może być mało efektywne. W przypadku większych obiektów o zmiennym poborze mocy czynnej i biernej dużą skuteczność wykazują automatyczne regulatory współczynnika mocy biernej.

Moc bierna:

  • zmniejsza przepustowość linii przesyłowych i transformatorów
  • zwiększa straty przesyłowe oraz powoduje dodatkowe spadki napięć

Dostawcy energii przenoszą koszty związane z wytworzeniem i przesyłem energii biernej na odbiorców i rozliczają ich na podstawie przekroczeń tgφ.

W Polsce wymagane jest utrzymanie zużycia energii biernej indukcyjnej na poziomie tgφ<0,2÷0,4 przy jednoczesnym braku zużycia energii biernej pojemnościowej.

Wykres uproszczonej zależności mocy pozornej i prądu zasilającego dla odbiorców mocy czynnej P=100kW przy różnych współczynnikach tgφ.Wykres uproszczonej zależności strat mocy czynnej wydzielanej na przykładowej linii przesyłowej nn (YKYS 4×25, 100m) dla różnych wartości tgφ przy P=const.

Przesyłanie (tzw. pulsowanie) energii biernej do sieci elektroenergetycznej można skutecznie redukować poprzez stosowane kompensatory mocy biernej: automatycznych baterii kondensatorów – dla mocy biernej indukcyjnej oraz automatycznych baterii dławików kompensacyjnych – dla mocy biernej pojemnościowej

Stosując kompensatory mocy biernej pulsowanie energii biernej odbywa się w obwodzie między samym układem kompensacji, a odbiornikiem i nie obciąża dalej sieci elektroenergetycznej w kierunku źródła. Dlatego też, możliwość „lokalnego” wytworzenia energii biernej powoduje, że w aspekcie jej transportowania jest dodatkowym obciążęniem, którego należy się pozbyć. Miarą wykorzystania energii jest współczynnik cosφ= P/S zamiennie stosowany z tgφ= Q/P

tradycyjna kompensacja, czy filtr aktywny?

Coraz częściej tradycyjna kompensacja mocy biernej okazuje się niestety niewystarczająca. Z roku na rok rośnie liczba obiektów wyposażonych w dodatkowe źródła energii (kogeneracja). Jednocześnie posiadających bardzo wrażliwe urządzenia oraz linie technologiczne. Tym samym tradycyjne systemy redukujące opłaty za ponadnormatywny pobór mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej, coraz częściej nie są w stanie sprostać tym wyzwaniom. Nie potrafią też jednocześnie utrzymać wysokiego poziomu jakości zasilania. Ponadto niższa żywotność urządzeń oraz obciążona sieć elektroenergetyczna generują dodatkowe koszty dla wielu inwestorów. Dlatego wyzwania rynkowe skłaniają do poszukiwania coraz to bardziej efektywnych rozwiązań, które wykazują się pracą na bardzo wysokim poziomie.

Bez wątpienia doskonałą odpowiedzią na nieustannie rosnące potrzeby, którym nie jest w stanie sprostać tradycyjna kompensacja mocy biernej, jest rodzina kompensatorów dynamicznych LKD. Ponieważ zaprojektowali ją doświadczeni inżynierowie Grupy Lopi i Politechniki Warszawskiej, produkty bazują zarówno na wiedzy i doświadczeniu.

Kompensatory dynamiczne LKD z funkcją filtra aktywnego to innowacyjne urządzenia przeznaczone do kompensacji mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej. Ponadto wyróżnia je dodatkowa funkcja kompensacji mocy dystorsji. Prezentowane rozwiązanie daje możliwość nisko stratnej kompensacji mocy biernej oraz kompensacji wybranych składowych harmonicznych. Poniższe wykresy bardzo dobrze obrazują ten proces.

1. Harmoniczne prądu, przykładowe obciążenie 3-fazowe – kompensacja mocy biernej

statyczna kompensacja, a kompensacja aktywna
klasyczna kompensacja mocy biernej traci na znaczeniu
tradycyjna kompensacja mocy biernej a kompensacja dynamiczna

2. Harmoniczne prądu, obciążenie 3-fazowe z włączonym kompensatorem – kompensacja mocy biernej

tradycyjna kompensacja mocy biernej - porównanie z filtrem aktywnym
porównanie z kompensatorem dynamicznym
tradycyjna kompensacja mocy biernej - porównanie skuteczności

Tradycyjna kompensacja mocy biernej i jej układy kompensacji mocy biernej pojemnościowej projektowane są z przy zastosowaniu jedno lub trójfazowych dławików kompensacyjnych oraz sterowane przez regulatory mocy biernej. Rozwiązania tego typu tracą jednak coraz bardziej na popularności.

Więcej informacji na ten temat w kolejnej odsłonie „Bazy wiedzy” na temat kompensatorów dynamicznych LKD zatytułowanej:

Przewaga kompensatorów dynamicznch LKD nad tradycyjnym układem kompensacji mocy biernej.