Moc czynna to część energii elektrycznej, która w odbiorniku jest zamieniana na ciepło albo pracę mechaniczną, natomiast moc bierna nie jest bezpośrednio wykorzystywana do wykonywania pracy. Występowanie tej drugiej jest skutkiem przesunięcia fazowego pomiędzy przebiegami napięcia i prądu, wynikającego z indukcyjnego i pojemnościowego charakteru komponentów obwodu.
W obwodzie idealnie rezystancyjnym napięcie i prąd są zgodne w fazie. To zapewnia maksymalnie efektywne przekazywanie energii do odbiornika. W komponentach o charakterze indukcyjnym prąd natomiast opóźnia się względem napięcia, a w tych o charakterze pojemnościowym – wyprzedza napięcie. Konsekwencją tego przesunięcia fazowego jest przepływ energii między odbiornikiem a źródłem, która jest cyklicznie magazynowana w polu magnetycznym albo elektrycznym elementów obwodu, a potem jest oddawana z powrotem do sieci. W kondensatorach energia jest akumulowana w polu elektrycznym w czasie ładowania, a następnie jest zwracana podczas rozładowania. Z kolei w cewkach energia zostaje zmagazynowana w polu magnetycznym w fazie wzrostu strumienia magnetycznego, a potem jest oddawana podczas jego zaniku. W praktyce oznacza to, że chociaż nie jest wykonywana żadna praca, energia krąży w obwodzie. Moc bierna ma jednak fundamentalne znaczenie – jest niezbędna do działania urządzeń takich jak silniki i transformatory. Z drugiej strony jej nadmiar nie pozostaje bez wpływu na pracę sieci elektroenergetycznej.
Wpływ mocy biernej
Przepływ prądu biernego zwiększa całkowity prąd w przewodach. To powoduje wzrost strat energii cieplnej w kablach i transformatorach, a co za tym idzie, konieczność stosowania przewodów o większym przekroju i urządzeń o wyższej obciążalności prądowej. To obniża efektywność przesyłu energii i zwiększa koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne. Wysoki udział mocy biernej powoduje obniżenie współczynnika mocy, który jest miarą efektywności wykorzystania energii elektrycznej. Niski współczynnik mocy oznacza, że mniejsza część dostarczonej energii jest zużywana na pracę, co zwiększa straty i koszty operacyjne. Duże prądy bierne mogą także prowadzić do przegrzewania przewodów i elementów sieci, spadków napięcia w punktach przyłączenia odbiorców i ograniczenia zdolności przesyłowej sieci, co zwiększa ryzyko awarii i uszkodzeń urządzeń.
Dlatego kompensowanie mocy biernej jest niezbędne. Polega ono na zarządzaniu jej przepływem tak, aby ograniczyć jej negatywny wpływ na sprawność i jakość zasilania, a dzięki temu poprawić współczynnik mocy, zmniejszyć prądy bierne płynące w sieci, ograniczyć straty przesyłowe oraz stabilizować napięcie w sieci. W tym celu wykorzystuje się kompensatory różnych typów.
Kompensatory mocy biernej
Statyczne kompensatory mocy biernej zaliczane są do elastycznych systemów przesyłowych prądu przemiennego FACTS (Flexible AC Transmission Systems). W porównaniu z kompensatorami tradycyjnymi, które wykorzystują łączniki elektromechaniczne, kompensatory z komponentami półprzewodnikowymi zapewniają płynniejszą regulację, są dokładniejsze i szybsze. Wyróżnia się dwa ich typy.
W wersji podstawowej są to układy SVC (Static Var Compensator), zbudowane z kondensatorów, dławików i kluczy tyrystorowych do przełączania elementów pasywnych. SVC regulują napięcie i kompensują moc bierną przez zmianę admitancji przyłączeniowej. Wyróżnić można dwie topologie układów tego typu. Pierwszą jest konfiguracja FC–TCR (Fixed Capacitor – Thyristor Controlled Reactor). Przedstawiono ją na rys. 2 a. Kompensator stanowi równolegle połączenie kondensatora i dławika przełączanego tyrystorowo. Kompensacja mocy biernej odbywa się przez regulację prądu płynącego przez cewkę.
SC–TCR (Thyristor Switched Capacitor – Thyristor Controlled Reactor). Przedstawiono ją na rysunku 2 b. W tym przypadku w jednej gałęzi włączone są kondensatory przełączane tyrystorowo. To pozwala na skokową zmianę mocy pojemnościowej. W drugiej gałęzi znajduje się dławik sterowany tyrystorowo, który analogicznie jak w konfiguracji FC–TCR, zapewnia ciągłą regulację mocy indukcyjnej. Zaletą tej topologii jest większy zakres regulacji w porównaniu z SVC w układzie FC–TCR.
Generalnie kompensacja mocy biernej z wykorzystaniem kompensatorów SVC opiera się na tym, że działają one jak regulowana admitancja przyłączona równolegle do sieci. Jeżeli susceptancja układu jest dodatnia, kompensator generuje moc bierną pojemnościową, gdy natomiast jest ujemna, pobiera moc bierną indukcyjną.
Komponenty SVC
Kompensatory SVC zbudowane są z następujących sekcji głównych: TCR, TSC lub FC. Uzupełnia się je również o: filtry harmonicznych, transformator sprzęgający w sieciach średniego i wysokiego napięcia, który zapewnia separację galwaniczną, dopasowanie poziomów napięć oraz ograniczenie prądów zwarciowych, układy pomiarowe napięć oraz prądów (przekładniki prądowe i napięciowe), układ synchronizacji fazowej, układ sterowania tyrystorami i zabezpieczenia. Konfiguracja gałęzi kompensatorów SVC zależy od wymaganej w konkretnym przypadku mocy znamionowej, zakresu regulacji mocy biernej oraz charakterystyki obciążenia.
TCR składa się z dławika połączonego szeregowo z parą przeciwsobnych tyrystorów. Zmiana kąta fazowego impulsów załączania kluczy umożliwia płynną regulację prądu płynącego przez dławik w zakresie od pełnego przewodzenia do całkowitego wyłączenia. Susceptancja gałęzi indukcyjnej jest funkcją kąta fazowego: przy 90º osiąga się maksymalny prąd indukcyjny, natomiast przy 180º brak przewodzenia. Dzięki temu TCR zapewnia ciągłą regulację pobieranej mocy biernej indukcyjnej. Jednocześnie nieliniowy charakter sterowania tyrystorami skutkuje generowaniem harmonicznych, które muszą być eliminowane za pomocą filtrów.
Sekcja TSC składa się natomiast z baterii kondensatorów załączanych skokowo przez tyrystory. W przeciwieństwie do TCR, TSC pracuje wyłącznie w trybie pełnego włączenia albo wyłączenia, bez regulacji kąta przewodzenia. TSC dostarcza zatem moc bierną pojemnościową w dyskretnych krokach. Załączanie odbywa się w momentach przejścia napięcia przez zero, co minimalizuje udary prądowe.
W prostszych konfiguracjach kompensatorów SVC wykorzystuje się baterie kondensatorów FC, pracujące równolegle z TCR. Regulacja odbywa się wtedy wyłącznie przez zmianę prądu dławika.
Ze względu na nieliniową pracę TCR, SVC generują harmoniczne prądu. W celu ich ograniczenia stosuje się wspomniane filtry, które jednocześnie pełnią funkcję dodatkowych źródeł mocy biernej pojemnościowej. Filtry harmonicznych są zazwyczaj integralną częścią kompensatorów i znacząco wpływają na ich charakterystykę dynamiczną oraz zakres kompensacji.
Zalety i ograniczenia SVC
Sterowanie kompensatorami SVC realizowane jest zazwyczaj w pętli regulacji napięcia i obejmuje następujące kroki: pomiar napięcia w punkcie przyłączenia do sieci, porównanie wyników pomiaru z wartością zadaną, wyznaczenie wymaganej susceptancji, obliczenie wymaganego kąta fazowego impulsów załączania kluczy tyrystorowych w gałęzi TCR, załączanie lub odłączanie sekcji TSC.
Czas odpowiedzi kompensatorów SVC wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt milisekund – ich dynamika jest ograniczona częstotliwością sieci oraz charakterystyką tyrystorów. Najlepiej sprawdzają się przy umiarkowanych zmianach obciążenia. Poza tym efektywność kompensacji mocy biernej jest w ich przypadku silnie zależna od napięcia i wymagają wspomnianych filtrów harmonicznych. Z drugiej strony zaletą kompensatorów SVC jest prostota konstrukcji, co przekłada się na ich niezawodność.
Alternatywę dla nich stanowią układy STATCOM (Static Synchronous Compensator) (rys. 3), czyli statyczne kompensatory synchroniczne. Wyróżnia je większa w porównaniu do kompensatorów SVC płynność regulacji i mniejsza emisja zaburzeń harmonicznych. Przewagę tę uzyskują dzięki temu, że opierają się na tranzystorowych przekształtnikach energoelektronicznych. Wprawdzie kompensatory STATCOM są droższe, ale sprawdzają się tam, gdzie można się spodziewać dużych wahań w przepływie mocy, na przykład na podstacjach trakcyjnych.
Kompensatory STATCOM
Kompensator STATCOM składa się typowo z następujących podzespołów: przekształtnika, obwodu pośredniego DC, filtru wyjściowego, transformatora sprzęgającego w sieciach SN i WN, układu pomiarowego, układu synchronizacji z siecią (pętli fazowej), sterownika, układów zabezpieczeń. W kompensatorach tego typu wykorzystywane są przekształtniki VSC (Voltage Source Converter), oparte nie na tyrystorach, ale na tranzystorach IGBT, pracujące w topologii mostkowej, dwu- lub trójpoziomowej albo wielopoziomowej modułowej MMC (Modular Multilevel Converter), jeśli są projektowane na potrzeby kompensacji mocy biernej w sieciach wysokiego napięcia. Zadaniem przekształtników VSC jest wytworzenia napięcia przemiennego o regulowanej amplitudzie i fazie, zsynchronizowanego z napięciem sieci. Sterowanie tranzystorami IGBT realizowane jest w oparciu o metodę modulacji PWM.
Obwód DC składa się z kolei z: kondensatora magazynującego energię, rezystorów rozładowczych i układów pomiarowych napięcia stałego. Kondensator pełni funkcję krótkoterminowego magazynu energii i stabilizuje napięcie zasilające przekształtnik. Na wyjściu kompensatora znajduje się filtr typu L, LC lub LCL, którego zadaniem jest tłumienie harmonicznych będących skutkiem ubocznym modulacji PWM, ograniczenie stromości narastania prądu i poprawa jakości napięcia w punkcie przyłączenia do sieci. Dobór parametrów filtru wymaga kompromisu między skutecznością filtracji a dynamiką odpowiedzi układu.
Zalety kompensatorów STATCOM
Do sieci średniego i wysokiego napięcia kompensatory STATCOM przyłącza się za pośrednictwem transformatora sprzęgającego, który zapewnia separację galwaniczną, dopasowuje poziom napięcia, ogranicza prądy zwarciowe. W rozwiązaniach niskonapięciowych transformator nie jest wymagany. Synchronizacja z siecią zapewniana jest przez układ pętli fazowej PLL (Phase Locked Loop).
Wyróżnikiem kompensatorów STATCOM w porównaniu z tymi typu SVC jest to, że te pierwsze mają własne źródło napięcia w postaci przekształtnika VSC. Dzięki temu ich zdolność do kompensacji mocy biernej nie jest zależna od napięcia sieci w takim stopniu, jak w przypadku SVC. Mechanizm kompensacji w przypadku układów STATCOM jest następujący: jeżeli napięcie kompensatora jest większe niż napięcie sieci, oddaje on moc bierną pojemnościową, zaś w przeciwnym razie pobiera moc bierną indukcyjną. Regulując napięcie generowane przez przekształtnik VSC można płynnie przechodzić między trybem pojemnościowym i indukcyjnym. Zalety kompensatorów STACOM to: bardzo krótki czas odpowiedzi, rzędu pojedynczych mikrosekund, możliwość kompensacji mocy biernej nawet przy głębokich zapadach napięcia, niski poziom generowanych harmonicznych.
Monika Jaworowska
