e-pismo-1-jakosc.pdf

www.elektro-innowacje.pl

jakośĆ energii

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 1

OCENA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ

W SIECIACH PRZEMYSŁOWYCH

dr inż. edward Musiał

Energia elektryczna to przedmiot rozważań z różnych punktów widzenia. Można ją rozpatrywać m.in. jako produkt i jako towar,

czyli przedmiot transakcji zakupu i sprzedaży. Podobnie jak w przypadku innych towarów, przedmiotem transakcji powinny być zarówno

ilość, jak i parametry jakościowe produktu. W warunkach rynku konkurencyjnego, przy większych kontraktach parametry jakościowe

energii powinny być negocjowane przez zainteresowane strony, przy czym wyższa jakość może mieć wyższą cenę. Na rynku producenta,

od którego odchodzimy, nabywca z konieczności akceptował zastane parametry jakościowe energii, w tym restrykcyjne wyłączenia

i celowe zaniżanie napięcia, a nawet zaniżanie częstotliwości, dla zmniejszenia zapotrzebowania na moc.

W porównaniu z innymi towarami, energia elektryczna ma co najmniej dwie osobliwości. Po pierwsze, w każdej chwili jej produkcja musi

być równa zapotrzebowaniu, bo nie daje się ona magazynować bezpośrednio, w postaci czystej, w postaci właśnie energii elektrycznej.

Po drugie, duży wpływ na jakość energii, duży udział w degradacji tej jakości, mają odbiorcy energii. To głównie odbiorcy generują wahania

napięcia, powodują odkształcenia harmoniczne krzywej napięcia i niektóre inne zaburzenia jej przebiegu.

1. Pojęcie jakości energii elektrycznej

Wzorcowa jakość energii elektrycznej polega na tym, że w miejscu obserwacji występuje, i to nieprzerwanie, krzywa napięcia

dokładnie sinusoidalna, o częstotliwości znamionowej i o wartości skutecznej równej napięciu znamionowemu. Umownym

miejscem obserwacji jest zwykle miejsce dostarczania energii, ale oczywiście sprawą najważniejszą jest jakość energii na

zaciskach odbiorników. Opisany stan idealny jest w praktyce nieosiągalny i z konieczności jakość energii elektrycznej uważa się za

zadowalającą dla określonego odbiorcy, jeżeli odchylenia od wzorcowej jakości nie są dla niego dotkliwe.

Wszelkie odstępstwa od wspomnianego stanu idealnego bada się i ocenia, opisuje ich przyczyny oraz skutki i w ten sposób tworzy

się kryteria oceny jakości energii elektrycznej (ang. electric power quality indices ), czyli cechy jakościowe energii dostarczanej

klientom w warunkach normalnej pracy sieci przesyłowej i/lub rozdzielczej. Poszczególne cechy opisujące jakość energii trzeba

odpowiednio zdeiniować i nazwać oraz jednoznacznie określić zasady ich pomiaru i/lub obliczania [1, 4, 7, 9, 10, 11, 12, 13,

14, 15, 16]. Cechy te muszą bowiem być mierzalne, aby można było rozstrzygać ewentualne spory między operatorem sieci a

odbiorcą energii. Poza prostymi miernikami i analizatorami do pomiaru pojedynczych wskaźników jakości energii, są dostępne

mikroprocesorowe mierniki umożliwiające jednoczesny pomiar niemal wszystkich niżej omówionych parametrów jakości

energii oraz wyświetlanie nie tylko ich wartości, ale również przetwarzanie wyników i podawanie wartości różnych wskaźników

syntetycznych.

Potrzebne są wskazówki wyjaśniające, jak dochodzi do degradacji określonych parametrów jakościowych energii i jak tej degradacji

można przeciwdziałać bądź ograniczać jej skutki. Przez analogię do zanieczyszczania środowiska w niektórych językach obcych

mówi się o zanieczyszczaniu napięcia (niem. Spannungsverschmutzung , franc. pollution de la tension ) albo o zanieczyszczaniu sieci

(niem. Verschmutzung des Netzes , franc. pollution du réseau ).

Z upływem czasu pojawia się coraz więcej odbiorników i całych instalacji bardzo wrażliwych na degradację jakości energii

i zarazem coraz więcej takich, które generują zakłócenia [2, 4]. Jeśli te problemy nie są dostrzegane z dużym wyprzedzeniem przy

projektowaniu pojedynczych instalacji i obiektów, ale również przy planowaniu rozwoju sieci, to grożą kosztowne komplikacje

podczas użytkowania urządzeń.

Kto zamierza uruchomić proces technologiczny zagrażający środowisku, ten musi ponieść dodatkowe koszty na środki techniczne

i organizacyjne ograniczające zagrożenia do poziomu możliwego do zaakceptowania. Podobne rozumowanie można odnieść do

zanieczyszczania sieci i zapewne w przyszłości będzie ono bezwzględnie egzekwowane: kto zamierza przyłączyć dużej mocy

odbiorniki niespokojne, nieliniowe bądź w inny sposób degradujące jakość napięcia w miejscu przyłączenia do wspólnej sieci

(ang. PCC – point of common coupling ), ten musi ponieść dodatkowe koszty inwestycyjne (50÷400 €/kVA) na środki techniczne

ograniczające tę degradację do poziomu możliwego do zaakceptowania. Zmniejszy to atrakcyjność ekonomiczną niektórych

urządzeń odbiorczych i ich sterowników.

Na jakość energii i w Polsce zwraca się coraz większą uwagę, ale ta problematyka nie jest należycie uporządkowana. Pomiędzy

różnymi aktami prawnymi i normami występują rozbieżności terminologiczne i merytoryczne. Ani Rozporządzenie Ministra

 OCENA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W SIECIACH PRZEMYSŁOWYCH - Edward Musiał

www.elektro-innowacje.pl

jakośĆ energii

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 1

Gospodarki z dnia 3 grudnia 1998 r., ani jego nowsza wersja z dnia 25 września 2000 r. [6] nie są zgodne z postanowieniami normy

PN-EN 50160:2002 [7]. Sprawę dodatkowo komplikuje obecny proces przechodzenia w sieciach niskonapięciowych z napięcia

220/380 V na napięcie 230/400 V.

2. odchylenia i wahania częstotliwości

Odchylenie częstotliwości ∆ ƒ (od wartości znamionowej ƒ n ) jest to różnica ( ∆ ƒ = ƒ- ƒ n ) powstała w wyniku wolno zachodzących

zmian częstotliwości. Wahanie częstotliwości natomiast jest to różnica powstała w wyniku zmian szybko zachodzących (decyduje

wartość pochodnej d f /d t ), w stanach zakłóceniowych, np. po awaryjnym ubytku mocy. Odchylenia i wahania częstotliwości

w systemie elektroenergetycznym wynikają z trwałego bądź przejściowego zaburzenia bilansu mocy czynnej. Są one

utrzymywane na niewielkim poziomie przez układy ARCM (automatycznej regulacji częstotliwości i mocy czynnej), a w stanach

awaryjnych są ograniczane przez układy SCO (samoczynnego podczęstotliwościowego odciążania).

W stanie ustalonym wartość częstotliwości wynika ze zbilansowania mocy generowanej (wytwarzanej) i mocy odbiorowej

(pobieranej), jest określona przez punkt przecięcia częstotliwościowych charakterystyk statycznych mocy generowanej i mocy

odbiorowej.

Rys. 1. Częstotliwościowa charakterystyka

statyczna mocy generowanej P G

częstotliwościowa charakterystyka statyczna mocy generowanej (rys. 1) jest określona przez nastawienie regulatorów turbin.

Przy zmniejszeniu częstotliwości o ∆ ƒ następuje proporcjonalne zwiększenie mocy generowanej o ∆ P G :



−



gdzie: k G – wypadkowy współczynnik statyzmu turbin (regulacji pierwotnej), zależny od rezerwy mocy w wirujących turbinach

( k G = 0,02 ÷ 0,06).

Rys. 2. Częstotliwościowe charakterystyki statyczne mocy odbiorowej P O :

a) dla jednorodnej grupy odbiorników energii elektrycznej; b) dla grupy odbiorców

Dla jednorodnej grupy odbiorników energii elektrycznej moc pobierana jest potęgową funkcją częstotliwości:





 

 





z wykładnikiem potęgowym α o wartości od zera (żarówki i piece rezystancyjne) do 4 (silniki napędzające pompy odśrodkowe).

Wykładnik α = 0 oznacza, że moc pobierana i wydajność urządzenia nie zależą od częstotliwości napięcia zasilającego, a przy

wykładniku α = 4 zmniejszenie częstotliwości o 1% oznacza w przybliżeniu zmniejszenie prędkości obrotowej silnika o 1% oraz

zmniejszenie pobieranej mocy i zmniejszenie wydajności pompy o 4 %.

 OCENA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W SIECIACH PRZEMYSŁOWYCH - Edward Musiał

www.elektro-innowacje.pl

jakośĆ energii

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 1

Rozważając niewielkie zmiany częstotliwości, bo tylko takie występują podczas normalnej pracy systemu, zależność powyższą

linearyzuje się, otrzymując częstotliwościową charakterystykę statyczną mocy odbiorowej P O (rys. 2). Dla dużej grupy odbiorów

przy zmniejszeniu częstotliwości o ∆ ƒ następuje proporcjonalne zmniejszenie mocy pobieranej o Δ P O :



gdzie: k O – średni statyzm odbiorów ( k O = 0,2 ÷ 0,5).

Rys. 3. Ilustracja zmian częstotliwości po zwiększeniu

mocy odbiorowej o ΔP O1

Skutki zakłócenia bilansu mocy generowanej i mocy odbiorowej przedstawiono na rys. 3, na przykładzie nagłego wzrostu mocy

odbiorowej o ∆ P O1 . Przed wystąpieniem zakłócenia ustalonym punktem pracy był punkt 1 przy częstotliwości ƒ 1 (np. przy

częstotliwości znamionowej). Po wystąpieniu zakłócenia przebieg zjawisk jest następujący:

a) Punkt pracy przesuwa się z położenia 1 w położenie 2 (do punktu przecięcia częstotliwościowej charakterystyki mocy generowanej

z nową charakterystyką mocy odbiorowej) i częstotliwość obniża się od wartości ƒ 1 do wartości ƒ 2 . Moc odbiorowa maleje przy tym

o ∆ P O , bo obniża się częstotliwość, a moc generowana wzrasta z tego samego powodu o ∆ P G . Wobec tego powstały deicyt zostaje

solidarnie pokryty ( ∆ P O1 = ∆ P O + ∆ P G ). Odbywa się to w czasie do 1 min (rys. 4), w sposób niejako naturalny, dzięki opisanemu

mechanizmowi regulacji pierwotnej. W tym celu statyzm regulatorów turbin w elektrowniach prowadzących powinien mieć zbliżoną

wartość z przedziału 4÷5%; oznacza to takie nachylenie charakterystyki ƒ( P ) regulatora, by zmianie mocy wytwarzanej, równej mocy

znamionowej zespołu, odpowiadała zmiana częstotliwości odpowiednio o 4÷5%. Szybkość zwiększania mocy wytwarzanej przez

zespół powinna być nie mniejsza niż 2÷6% P n /min w elektrowniach cieplnych i 2÷4% P n /s w elektrowniach wodnych.

Solidarne, natychmiastowe pokrywanie deicytu mocy przez statyzm mocy generowanej ( k G ) i statyzm mocy odbiorowej ( k O )

pozwala wprowadzić pojęcie średniego statyzmu systemu elektroenergetycznego:

Odwrotnością statyzmu jest energia regulująca systemu [MW/Hz], która informuje, jakie mu-

Odwrotnością statyzmu jest energia regulująca systemu [MW/Hz], która informuje, jakie musiałoby wystąpić saldo bilansu mocy

(ubytek mocy w elektrowniach, nagłe zwiększenie lub zmniejszenie mocy pobieranej), aby częstotliwość w systemie zmieniła się

o 1 Hz. Energia regulująca wynosi w przybliżeniu:

3000 Mw/Hz

wydzielony system polski,

30000 Mw/Hz

system Ucpte (zachodnioeuropejski),

połączone systemy Ucpte + dawny centrel (środkowoeuropejski pl+cS+H+BG)

o mocy generowanej 190/300 Gw (dolina obciążenia/szczyt obciążenia).

40000 Mw/Hz

Rys. 4. Wpływ regulacji pierwotnej i regulacji wtórnej na

przebieg zmian częstotliwości ƒ po skokowym wzroście

mocy odbiorowej w chwili t 0 = 0

 OCENA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W SIECIACH PRZEMYSŁOWYCH - Edward Musiał

www.elektro-innowacje.pl

jakośĆ energii

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 1

b) W wyniku tzw. regulacji wtórnej, w tym korekty nastawienia regulatorów turbin, następuje dalsze zwiększanie mocy

wytwarzanej dzięki stałemu utrzymywaniu w systemie pewnej rezerwy mocy: rezerwy wirującej natychmiastowej, rezerwy

wirującej krótkoterminowej oraz rezerwy w aktualnie nieczynnych hydrozespołach o małym czasie rozruchu. Proces odbywa się

w czasie 10÷15 minut. Punkt pracy przesuwa się z położenia 2 w położenie 3 (rys. 3) i zostaje przywrócona nastawiona częstotliwość

ƒ 1 (rys. 4). Warunkiem powodzenia tej operacji jest wystarczający poziom (co najmniej 20%) rezerwy mocy generowanej.

c) Jeśli powyższe zabiegi nie są skuteczne i częstotliwość nadal obniża się, interweniują wielostopniowe układy samoczynnego

podczęstotliwościowego odciążania SCO, sukcesywnie i z określoną zwłoką odłączając pojedyncze odbiory dużej mocy (tzw.

odbiory buforowe, np. piece karbidowe) i grupy odbiorców, poczynając od mniej wrażliwych na przerwy w zasilaniu. Zaniżona

częstotliwość zagraża w pierwszym rzędzie napędom potrzeb własnych elektrowni cieplnych; maleje ich wydajność (o 3÷4%

na 1% obniżenia częstotliwości) i to w sytuacji, kiedy elektrownie powinny zwiększać moc generowaną. Kryterium zadziałania

kolejnych stopni SCO jest wartość chwilowa częstotliwości i jej pochodna w czasie dƒ/d t . Przykładowe nastawienia w systemie

o częstotliwości znamionowej 50 Hz:

częstotliwość

stopień sco

działanie

49,8

alarM. Uruchamianie dostępnych rezerw mocy generowanej.

49,0

Zrzut 10÷15% obciążenia.

48,7

Zrzut następnych 10÷15% obciążenia.

48,4

Zrzut następnych 15÷20% obciążenia.

48,0

Zrzut następnych 15÷20% obciążenia.

47,5

odłączenie elektrowni od systemu, praca wyspowa elektrowni.

Po połączeniu z początkiem roku 1996 polskiego systemu elektroenergetycznego z systemem zachodnioeuropejskim

UCPTE krajowi odbiorcy odczuwają mniejsze niż poprzednio odchylenia i wahania częstotliwości. Odchylenie standardowe

częstotliwości wynosi nie więcej niż σ f = 0,03 Hz; prawdopodobieństwo wystąpienia odchyleń większych niż 3 σ f (0,09 Hz) jest

bardzo małe (rys. 5). Kto ma zegar synchroniczny (sterowany częstotliwością sieci), ten jeszcze 10 lat temu niemal codziennie

korygował jego wskazania, a dziś może go uważać niemal za wzorzec czasu. Bez trudu są spełnione bardzo łagodne wymagania

normy PN-EN 50160:2002. Mianowicie „w normalnych warunkach pracy wartość średnia częstotliwości, mierzonej przez 10 s dla

sieci pracujących synchronicznie z systemem elektroenergetycznym powinna być zawarta w przedziale

50 Hz ±1% (tj. 49,5…50,5 Hz) przez 95% roku,

50 Hz +4% / - 6% (tj. 47…52 Hz) przez 100% czasu,…”

Rys. 5. Miesięczny histogram częstotliwości w systemie UCPTE (grudzień 1994 r.)

Sytuacja jest inna w wydzielonych sieciach małej mocy, takich jak autonomiczne sieci na wyspach i w osiedlach na bezludziu,

instalacje okrętowe [4], instalacje tymczasowe zasilane z przewoźnych zespołów prądotwórczych oraz sieci lub instalacje

 OCENA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W SIECIACH PRZEMYSŁOWYCH - Edward Musiał

www.elektro-innowacje.pl

jakośĆ energii

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 1

stałe zasilane z własnych źródeł energii po awaryjnym odcięciu połączenia z systemem. Należy się wtedy liczyć z większymi

odchyleniami częstotliwości (np. ±2% przez 95% tygodnia) zachodzącymi według przedstawionych prawidłowości. Procedurę

„ustalenia skutków zmian częstotliwości sieciowej dla urządzeń, które mogą być podatne zmiany tej częstotliwości” formułuje

norma PN-EN 61000-4-28 [15].

Poza wspomnianym wpływem zmian częstotliwości na moc pobieraną przez urządzenia odbiorcze i ich wydajność, co dotyczy

wszelkich urządzeń poza rezystancyjnymi, możliwe są inne konsekwencje, np. rozstrojenie układów rezonansowych (iltry

pasywne, przekładniki napięciowe pojemnościowe) oraz zakłócenia w układach sterowania z synchronicznym pomiarem czasu.

3. zaburzenia Poziomu naPięcia

3.1. wprowadzenie

Szczegółowych kryteriów jakości energii jest wiele i są one zwykle wyliczane jednym tchem, co nie sprzyja ich zrozumieniu. Poza

przedstawionymi wyżej odchyleniami i wahaniami częstotliwości pozostałe kryteria można zaliczyć do jednej z dwóch grup,

opisujących albo:

• zaburzenia poziomu napięcia (rys. 6), występujące nawet w przypadku idealnie sinusoidalnej krzywej napięcia, albo

• zaburzenia sinusoidalnego kształtu krzywej napięcia.

Rys. 6. Zaburzenia poziomu napięcia

3.2. odchylenia napięcia

Odchylenie napięcia v jest względną różnicą bieżącej wartości skutecznej napięcia U i napięcia znamionowego U n :

−

⋅

100

[%]

wywołaną powolnymi zmianami poziomu napięcia. Te zmiany napięcia następują z powodu zmiany obciążenia poszczególnych

elementów toru zasilania, a zatem zmiany spadku napięcia na ich impedancji oraz zmiany napięć dodawczych wprowadzanych

przez układy regulacji napięcia. Zmianami powolnymi są zmiany napięcia zachodzące nie szybciej niż 0,02· U n /s (2% napięcia

znamionowego na sekundę), zmiany szybsze kwaliikuje się jako wahania napięcia. Tak to logicznie deiniowano do niedawna.

Najnowsze normy i przepisy są pod tym względem nieprecyzyjne.

 OCENA JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W SIECIACH PRZEMYSŁOWYCH - Edward Musiał

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: