Na czym polega kompensacja mocy biernej?

Urządzenia, które do swego działania potrzebują prądu zmiennego są często przyczyną dużego zużycia mocy biernej. Taka sytuacja ma niekorzystny wpływ na działanie sieci elektroenergetycznych, a ze względu na zapisy w umowach zawartych przez odbiorców oznacza zwykle również konieczność ponoszenia wysokich opłat z tego tytułu. Istnieją jednak sposoby na to by zmniejszyć lub wyeliminować zapotrzebowanie na moc bierną, a tym samym ograniczyć koszty.

Moc bierna – co oznacza i dlaczego jest zjawiskiem niepożądanym?

Większość użytkowników energii elektrycznej sądzi, że wydatki związane z jej poborem ograniczają się do opłat za prąd wykorzystany do pracy urządzeń elektrycznych, np. mocy generowanej przez używane silniki. W rzeczywistości kwestia związana ze stosowaniem kupowanego z sieci elektroenergetycznej napięcia jest nieco bardziej złożona i obejmuje też m.in. konieczne rozliczenia z tytułu korzystania z mocy biernej. W przeszłości dotyczyło to wyłącznie dużych przedsiębiorstw o potężnym parku maszynowym, które potrzebowały dużej ilości prądu do ich obsługi czy przeprowadzenia poszczególnych procesów technologicznych, np. związanych  z metalurgią czy energochłonnymi reakcjami chemicznymi. Dziś, w związku ze stosowaniem coraz doskonalszych technik rejestrowania i rozliczania poboru, z opłatami za moc bierną mogą się spotkać mniejsi przedsiębiorcy, rolnicy, a także osoby prywatne, używające prądu do typowych codziennych zastosowań. Wyższe koszty związane z mocą bierną mogą być znaczne, istnieją jednak sposoby na ich uniknięcie – wyjaśnia przedstawiciel firmy IT-Energy, która zajmuje się projektami związanymi z energetyką.

Samo zjawisko mocy biernej jest związane z naturą prądu zmiennego oraz sposobem, w jaki działają urządzenia, które są nim zasilane. W większości przypadków pobierany prąd jest używany do wykonania ściśle określonej pracy. Przy jednym z najprostszych urządzeń elektrycznych, takim jak tradycyjna żarówka cały zużywany prąd jest pożytkowany na rozjarzenie drucika i emisję promieniowania świetlnego, a także znacznej ilości ciepła. Choć wykorzystanie energii elektrycznej z punktu widzenia uzyskanego rezultatu nie jest zbyt efektywne, ze względu na znaczne straty, mechanizm działania jest bardzo prosty – cały prąd to tzw. moc czynna niezbędna, żeby urządzenie spełniało swoją rolę.

Kwestia poboru prądu jest bardziej skomplikowana w przypadku złożonych urządzeń elektrycznych, np. lampy LED lub silnika elektrycznego. LED-y potrzebują do swego działania prądu stałego o niższym napięciu, jeśli mają być więc podłączone do sieci elektroenergetycznej, w której przesyłany jest prąd zmienny 230 V, muszą być wyposażone w odpowiedni zasilacz. Ze względu na swoją charakterystykę ma on działanie impulsowe. Problemem jest jednak fakt, że  choć LED pobiera znacznie mniejszą ilość prądu i niemal cały zmienia w promieniowanie widzialne, a jedynie niewielka jego ilość w promieniowanie cieplne, to jednocześnie działające w zasilaczu kondensatory potrzebują pewnej dawki energii, która nie zostanie wykorzystana na pracę, a jedynie spożytkowana na podtrzymywanie funkcjonowania urządzenia. W związku z charakterystyką pracy kondensatorów „pożyczany prąd” jest cyklicznie pobierany i zwracany. Dość podobnie rzecz się ma, gdy chodzi o silnik elektryczny. Zamontowane w nim cewki umożliwiające generowanie pola magnetycznego i obroty wirnika również wymagają pewnej ilości prądu, który umożliwi  ich funkcjonowanie, nie zostanie jednak zamieniony bezpośrednio na obroty silnika, a jedynie użyty czasowo i następnie zwrócony do sieci. Ta część energii jest nazywana mocą bierną.

W obu tych przypadkach – tak jak w innych urządzeniach wykorzystujących cewki lub kondensatory – mamy więc do czynienia zarówno z tradycyjnym poborem mocy czynnej zmienianej na pracę urządzenia – dostarczane napięcie w przypadku zasilacza lub ruch obrotowy przy silniku elektrycznym, jak i pojawianiem się mocy biernej. Pewna część energii jest używana właśnie jako moc bierna, po czym zwracana do sieci. Pobieranie i zwracanie mocy biernej jest kłopotliwe dla operatora sieci, ponieważ jeśli występuje w dużej skali, może prowadzić do pogorszenia parametrów przesyłanego napięcia, a nawet przeciążenia systemu. Sieć nie jest w stanie wykorzystać zwracanego napięcia, które w dodatku jest często w dużej mierze tracone. Firma energetyczna ponosząc koszty wyprodukowania i dostarczenia energii pewną jej część bezpowrotnie traci, a w dodatku musi instalować systemy pozwalające na niwelowanie niekorzystnych skutków takich działań.

Metody kompensacji mocy biernej

Problem mocy biernej jest rozwiązywany przez operatorów sieci energetycznych na wiele sposobów, m.in. przez montaż odpowiednich urządzeń. Bronią się oni jednak przed ponoszeniem wysokich nakładów, przerzucając część kosztów na swoich klientów, co w zamyśle ma ich skłonić do maksymalnego wyeliminowania zapotrzebowania na moc bierną. Jednym ze sposobów jest umieszczanie w umowach o poborze prądu klauzuli, która pozwala obciążyć użytkownika dodatkowymi kosztami za bezumowne wykorzystanie energii. Jest to możliwe wówczas, gdy współczynnik mocy biernej przekracza podany próg, zwykle jest to tg φ = 0,4. Opłaty mogą być naliczane w przypadku odbiorców przemysłowych, którzy korzystają z wysokiego i średniego napięcia oraz indywidualnych przy niskich napięciach.

Uniknięcie opłat, które mogą znacznie zwiększyć koszt 1 kW energii wymaga stosowania rozwiązań, które obniżą ilość oddawanej do sieci mocy biernej. Jednymi ze środków, mogące się do tego przyczynić jest korzystanie z podzespołów wysokiej jakości, które mają efektywnie działające kondensatory i cewki. Takie działanie będzie jednak niewystarczające, zwłaszcza, jeśli problem energii biernej ma charakter okresowy. Z taką sytuacją mamy do czynienia np. przy dużych instalacjach fotowoltaicznych, w których zarówno ich rozruch, jak i kończenie działania wiążą się ze znaczną nadwyżką mocy biernej. Metodą na radzenie sobie z takimi wahaniami jest używanie odpowiednich kompensatorów.

Kompensatory mocy biernej to rozwiązania stosowane do tej pory głównie w przemyśle, które jednak można dopasować również do innych potrzeb, np. korzystania z ogniw fotowoltaicznych.

Zmniejszenie poboru mocy biernej może nastąpić przez zmniejszenie zapotrzebowania i dostarczanie jej we własnym zakresie, np. za sprawą użycia generatorów synchronicznych, czy silników synchronicznych. Wiąże się to z wysokimi kosztami i wieloma problemami natury technicznej. Prostszym i bardziej efektywnym działanie jest stosowanie rozmaitych metod kompensacji mocy biernej. Ponieważ moc bierna może mieć charakter pojemnościowy lub indukcyjny, co wynika z tego, że zapotrzebowanie na moc bierną może poprzedzać zapotrzebowanie na moc czynną – mamy wówczas do czynienia z mocą bierną pojemnościową, lub następować po nim, co oznacza występowanie mocy biernej indukcyjnej. Efektywna kompensacja wymaga więc zastosowania urządzenia o działaniu przeciwnym niż pojawiająca się moc bierna. W zależności od tego z jaką sytuacją mamy do czynienia używane mogą być urządzenia pobierające moc bierną lub takie, które ją wytwarzają. Istnieją różne rodzaje urządzeń zapewniających odpowiednią kompensację. Stosowane są np. kompensatory kondensatorowe, filtrujące, a także urządzenia synchroniczne i asynchroniczne. Do popularnych rozwiązań należą baterie kondensatorów, baterie z łącznikami tyrystorowymi, baterie dławików indukcyjnych, jak również filtry aktywne albo pasywne.

Użycie odpowiednio dobranych układów kompensacyjnych, np. dławików kompensacyjnych w przypadku instalacji fotowoltaicznych, daje możliwość wyeliminowania konieczności wnoszenia opłat z tytułu zużycia mocy biernej, a także poprawia niezawodność systemu zasilania, zmniejsza spadki napięcia i ogranicza straty w całej instalacji. Ma również korzystny wpływ na funkcjonowanie infrastruktury elektroenergetycznej.