Wersja elektroniczna artykułu - Politechnika Śląska, Wydział

Wersja elektroniczna artykułu - Politechnika Śląska, Wydział

ELEKTRYKA
Zeszyt 3 (235)
2015
Rok LXI
Tomasz TRAWIŃSKI1), Marcin SZCZYGIEŁ1), Wojciech KOŁTON1), Grzegorz
KŁAPYTA1), Marek HOJEŃSKI2), Jan MORAŃSKI2), Krzysztof OZDOBA2)
1)
Katedra Mechatroniki, Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska w Gliwicach
2)
Twens Sp. z o.o., Chorzów, Polska
ANALIZA ZUŻYCIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ WYBRANYCH
PRZEDSIĘBIORSTW W KONTEKŚCIE NOWYCH METOD
KOMPENSACJI MOCY BIERNEJ
Streszczenie. W artykule zaprezentowano analizę poborów mocy czynnej, mocy
biernej oraz współczynnika mocy w wybranym przedsiębiorstwie, o szerokim procesie
produkcji oraz szerokim profilu działalności. Przedstawiono wyniki badań pomiarowych,
a na podstawie ich analizy wykazano potrzebę opracowania zmodyfikowanych
konstrukcji kompensatorów mocy biernej, utrzymujących zadany poziom współczynnika
mocy odbiorcy, niezależnie w każdej fazie sieci zasilającej.
Słowa kluczowe: moc czynna, moc bierna, współczynnik mocy, kompensacja mocy biernej
indukcyjnej
ANALYSIS OF ELECTRICAL ENERGY CONSUMPTION IN CHOSEN
COMPANY IN THE CONTEXT OF THE MODERN METHODS OF
REACTIVE POWER COMPENSATION
Summary. The paper presents results of electrical energy consumption
measurements (with analysis of active power, reactive power and power factor) taken by
Twens in the one selected company. The results of measurements allowed for analysis of
reactive power compensation level and led to the idea of modern electronic device able to
compensate reactive power independently in each phase. The idea and the mathematical
model of such compensator is presented as well as its simulation results.
Keywords: active power, reactive power, power factor, inductive power compensation
1. WPROWADZENIE
W artykule przedstawiono wyniki badań pomiarowych poboru mocy czynnej, mocy
biernej indukcyjnej, współczynnika mocy, napięć i prądów przeprowadzonych przez firmę
Twens w przedsiębiorstwie o silnie zróżnicowanym profilu działalności gospodarczej. Dane
pomiarowe poddano analizie w Katedrze Mechatroniki Politechniki Śląskiej celem
66
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
potwierdzenia słuszności tezy stawianej przez firmę Twens, o istniejącej potrzebie
konstruowania nowych kompensatorów mocy biernej, zapewniających możliwość
kompensacji mocy biernej indukcyjnej, niezależnie w każdej z faz sieci zasilającej odbiorcy
energii elektrycznej. Ponadto nowe konstrukcje kompensatorów powinny zapewniać: kontrolę
parametrów sieci po dokonaniu procesów kompensacyjnych, archiwizację danych
pomiarowych pozwalających na dokonywanie późniejszych analiz, nie tylko współczynnika
mocy, ale również zużycia energii elektrycznej. Spośród wielu znanych konstrukcji
kompensatorów mocy biernej [1, 2] można stwierdzić, że nie zapewniają one funkcjonalności
gromadzenia danych pomiarowych i monitorowania zużycia energii elektrycznej, które to
parametry mogą mieć istotne znaczenie dla odbiorcy energii elektrycznej z punktu widzenia
np. planowanej rozbudowy sieci wewnętrznej i zwiększania jej obciążenia. Bardzo
powszechnie stosowane są metody równoległej kompensacji mocy biernej, głównie
podyktowane jest to łatwością montażu urządzenia, w praktyce bez konieczności odłączania
odbiorcy od sieci dystrybucyjnej (na czas prac instalatorskich).
W kolejnych rozdziałach przedstawiono wyniki badań pomiarowych wykonanych przy
użyciu prototypowego kompensatora mocy biernej indukcyjnej na przykładzie firmy o szerokim i zróżnicowanym profilu działalności gospodarczej (sprzedaż paliw, restauracja, sklep
spożywczy).
2. STRUKTURA PROTOTYPOWEGO KOMPENSATORA MOCY BIERNEJ
Twens-eR Basic
Struktura blokowa układu prototypowego kompensatora mocy biernej Twens-eR Basic
przedstawiona została na rys. 1. W skład kompensatora mocy biernej Twens-eR Basic
wchodzą następujące moduły: „Kompensacyjny Układ Pomiarowy”, dokonujący pomiarów
napięć i prądów fazowych po stronie odbiorcy, mikroprocesorowy układ sterowania, zawarty
w bloku „32-bitowy System Mikroprocesorowy” oblicza wartość mocy biernej indukcyjnej,
którą należy skompensować i załącza, poprzez „Układ Załączający i Zabezpieczający”
stosowną liczbę kondensatorów kompensujących, „Kontrolny Układ Pomiarowy” pełni rolę
układu zabezpieczającego, monitoruje przesunięcia fazowe prądów fazowych odbiorcy
względem napięć fazowych, „Moduł Akwizycji i Wymiany Danych” – rejestruje dane
pomiarowe (moce czynną, bierną, współczynnik mocy, czas pomiaru etc.) na podręcznej
karcie microSD. Dodatkowo bieżący stan zużywanej energii oraz jej parametrów możliwy
jest do monitorowania przez użytkownika poprzez łącze Internetowe. „Wyświetlacz
Inspekcyjny” - wyświetla bieżące parametry (moce czynną, bierną, współczynnik mocy,
napięcia fazowe, prądy fazowe przed/i po kompensacji), „Modułowy Układ Baterii
Kompensujących” - to zestaw modułów kondensatorów kompensujących, dobieranych
Analiza zużycia energii elektrycznej...
67
odpowiednio do potrzeb odbiorcy. Prototypowy kompensator mocy biernej Twens-eR Basic
monitoruje ciągle parametry sieci odbiorcy, a wyniki pomiarów zachowywane są w pliku
danych, w interwałach 10-sekundowych, zawierających: 3 pomiary wartości skutecznych
prądów fazowych przed kompensacją, 3 pomiary wartości skutecznych tych prądów po
kompensacji, 3 pomiary wartości skutecznych napięć fazowych, zidentyfikowane
przesunięcia fazowe prądów, stany pracy baterii kondensatorów (praca, wyłączenie), czas
dokonania pomiaru, obliczone moce bierne. Całodobowe dane pomiarowe gromadzone są
w pojedynczym pliku danych, zawierającym 8640 rekordów.
Dostawca
Odbiorca
Kontrolny
Kontrolny
Układ
Układ
Pomiarowy
Pomiarowy
Moduł
Moduł
Akwizycji
Akwizycji
ii
Wymiany
Wymiany
Danych
Danych
Kompensacyjny
Kompensacyjny
Układ
Układ
Pomiarowy
Pomiarowy
32 – bitowy
32 – bitowy
System
System
Mikroprocesorowy
Mikroprocesorowy
Wyświetlacz
Wyświetlacz
Inspekcyjny
Inspekcyjny
Układ
Układ
Załączający
Załączający
i
i
Zabezpieczający
Zabezpieczający
Modułowy Układ
Modułowy Układ
Baterii
BateriiKompensujących
Kompensujących
Rys. 1. Schemat blokowy prototypowego kompensatora mocy biernej indukcyjnej Twens-eR Basic
Fig. 1. Block structure of prototype of reactive power compensator Twens-eR Basic
3. ANALIZA DANYCH POMIAROWYCH ZAREJESTROWANYCH W FIRMIE
CAGRO
Dane pomiarowe rejestrowane przez prototypowy kompensator mocy biernej Twens-eR
Basic zbierane były w przeciągu całego jednego miesiąca – luty 2014 r. Na rys. 2 i rys. 3
przedstawiono zarejestrowane wartości mocy czynnej oraz współczynnika mocy, w poszczególnych fazach sieci odbiorcy, w pierwszym dniu (niedziela) rejestracji danych.
Natomiast na rys. 4 - 9 przedstawiono moce bierne w poszczególnych fazach sieci
odbiorcy w pierwszym dniu rejestracji i dla dwóch dodatkowych wybranych dni rejestracji
(poniedziałek, środa). Przebiegi z rys. 5, rys. 7 i rys. 9 przedstawiają moce bierne podczas
eksperymentalnej, testowej kompensacji, dokonywanej selektywnie w wybranych fazach
(w przedstawionym przypadku w fazach L1 i L3).
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
PL3
[W]
PL2
[W]
PL1
[W]
68
godzina
tg 3
tg 2
tg 1
Rys. 2. Moc czynna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby –
niedziela 02-02-2014 r.
Fig. 2. Power consumed in individual phases by customer during one day – Sunday 02-02-2014
godzina
Rys. 3. Współczynnik mocy w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby – niedziela 02-02-2014 r.
Fig. 3. Power factor in individual phases during one day – Sunday 02-02-2014
Analiza zużycia energii elektrycznej...
QL3
[ var ]
QL2
[ var ]
QL1
[ var ]
69
godzina
QL3
[ var ]
QL2
[ var ]
QL1
[ var ]
Rys. 4. Moc bierna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby –
niedziela 02-02-2014 r.
Fig. 4. Reactive power consumed in individual phases during one day – Sunday 02-02-2014
godzina
Rys. 5. Moc bierna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby –
niedziela 02-02-2014 r., podczas eksperymentalnej kompensacji
Fig. 5. Reactive power consumed in individual phases during one day – Sunday 02-02-2014, during
experimental compensation
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
QL3
[ var ]
QL2
[ var ]
QL1
[ var ]
70
godzina
QL3
[ var ]
QL2
[ var ]
QL1
[ var ]
Rys. 6. Moc bierna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby –
poniedziałek 03-02-2014 r.
Fig. 6. Reactive power consumed in individual phases during one day – Monday 03-02-2014
godzina
Rys. 7. Moc bierna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby –
poniedziałek 03-02-2014r., podczas eksperymentalnej kompensacji
Fig. 7. Reactive power consumed in individual phases by customer during one day – Monday 03-022014, during experimental compensation
Analiza zużycia energii elektrycznej...
QL3
[ var ]
QL2
[ var ]
QL1
[ var ]
71
godzina
QL3
[ var ]
QL2
[ var ]
QL1
[ var ]
Rys. 8. Moc bierna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby – środa
05-02-2014 r.
Fig. 8. Reactive power consumed in individual phases during one day – Wednesday 05-02-2014
godzina
Rys. 9. Moc bierna pobierana przez odbiorcę w poszczególnych fazach w ciągu jednej doby – środa
05-02-2014r., podczas eksperymentalnej kompensacji
Fig. 9. Reactive power consumed in individual phases during one day – Wednesday 05-02-2014,
during experimental compensation
72
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
Z przedstawionych danych wyraźnie widać silne zróżnicowanie w poborze mocy biernej
w poszczególnych fazach zarówno w ciągu całego dnia, jak i o poszczególnych porach dnia:
nocnej, porannej, w południe i wieczorem. W fazie L2 odbiorcy dochodzi do generacji mocy
biernej pojemnościowej. Sytuacja ta jest permanentna i utrzymuje się w całym okresie
pomiarów w sieci odbiorcy.
Do pełniejszego zobrazowania częstości występowania określonych wartości mocy
biernej w sieci odbiorcy, sporządzono jej całodobowe histogramy w każdej z faz sieci. Na
rys 10 przedstawiono wyniki dla danych, zarejestrowanych w niedzielę 02 lutego 2014 r.
W fazie L1 histogram wskazuje trzy dominujące oraz pięć pośrednich wartości mocy biernej
indukcyjnej (znaczne zagęszczenie słupków histogramu), odpowiadające wartościom
w granicach 400, 700 i 1100 warów oraz mniejsze zagęszczenia w granicach 550, 750, 800,
1200 i 1300 warów.
Natomiast moce bierne o wyższych wartościach od 1500 warów, a w szczególności
mieszczące się w okolicach 2400 warów, pojawiają się w fazie L1 sporadycznie. W fazie L2
mamy do czynienia z generacją mocy biernej pojemnościowej do sieci z siedmioma
dominującymi grupami wartości, mieszczącymi się w granicach 320, 300, 240, 200, 160 i 120
warów i sporadyczną mocą bierną indukcyjną. W fazie L3 obserwuje się siedem
dominujących wartości mocy biernej indukcyjnej skupionych wokół wartości 500, 700, 1100,
1400, 1750, 2000 i 2250 warów. Występują również moce większe od 2500 warów, ale
jedynie sporadycznie.
QL1
[ var ]
QL2
[ var ]
QL3
[ var ]
Rys. 10. Histogramy mocy biernej pobieranej przez odbiorcę, w poszczególnych fazach,
w ciągu jednej doby – niedziela 02-02-2014 r.
Fig. 10. Histograms of reactive power consumed in individual phases during one day – Sunday 0202-2014
Analiza zużycia energii elektrycznej...
73
Na rys.11 przedstawiono histogramy [3] mocy biernej podczas kompensacji, przy czym
należy podkreślić, że wartości stopni kondensatorowych kompensatora zostały dobrane
arbitralnie (dopiero po dłuższym okresie obserwacji sieci odbiorcy możliwe jest bliskie
optymalnemu określenie liczby stopni kompensatora oraz wartości mocy poszczególnych
stopni). W fazie L1 histogram wskazuje trzy dominujące wartości mocy biernej indukcyjnej
(znaczne zagęszczenie słupków histogramu), odpowiadające wartościom w granicach 250,
450 i 700 warów oraz mniejsze zagęszczenia w granicach 300, 750 i 800 warów.
QL1
[ var ]
QL2
[ var ]
QL3
[ var ]
Rys. 11. Histogramy mocy biernej pobieranej przez odbiorcę, w poszczególnych fazach,
w ciągu jednej doby – niedziela 02-02-2014 r., podczas eksperymentalnej kompensacji
Fig. 11. Histograms of reactive power consumed in individual phases during one day – Sunday 02-022014, during experimental compensation
Natomiast moce bierne o wyższych wartościach od 1500 warów pojawiają się w fazie L1
sporadycznie. W fazie L2 mamy do czynienia z generacją mocy biernej pojemnościowej do
sieci z siedmioma dominującymi grupami wartości, mieszczącymi się w granicach 320, 300,
240, 200, 160 i 120 warów W fazie L3 obserwuje się osiem dominujących wartości mocy
biernej indukcyjnej skupionych wokół wartości 350, 500, 650, 800, 950, 1200, 1500 i 1800
warów.
Porównując widma histogramów przed i podczas kompensacji (dla mocy stopni
przyjętych arbitralnie), widać efekt działania kompensatora, dokonującego kompensacji mocy
tylko w dwóch fazach sieci odbiorcy. Moce bierne uległy zmniejszeniu, o czym świadczy
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
74
przesunięcie widma histogramów w obszar o mniejszych wartościach mocy. Należy
podkreślić, że zarejestrowane dane pomiarowe i przygotowane na ich podstawie histogramy
mocy mogą być wykorzystane do doboru optymalnej liczby i mocy stopni docelowego
kompensatora mocy biernej.
4. MODEL MATEMATYCZNY KOMPENSATORA MOCY BIERNEJ Twens eR Basic
Model matematyczny prototypowego kompensatora mocy biernej, prezentowany na
rys. 12 implementowany w programie MATLAB/Simulink, składa się z trzech samodzielnych
modułów (nadzorowanych przez funkcję nadrzędną), złożonych z: funkcji decyzyjnej –
„Funkcja decyzyjna”, stopni baterii kondensatorów – „stopień i”, modułu wczytywania
danych wejściowych – „dane wejściowe”. W modelu matematycznym założono wprowadzenie pięciu stopni baterii kondensatorów, o mocach biernych dobieranych według następującego ciągu [4]:
Qci {a 0 20 , a0 21 , a0 22 , a0 23 , a0 24 , a0 25 ,..., a0 2n1 , a0 2n }
(1)
gdzie Qci – moc stopnia baterii, a0 – moc najmniejszego stopnia.
Rys. 12. Implementacja częściowego modelu kompensatora mocy biernej w MATLAB/ Simulink
Fig. 12. Implementation of partial model of reactive power compensator in MATLAB/ Simulink
Na potrzeby analizy przyjęto moce poszczególnych stopni wynoszące odpowiednio: 100,
200, 400, 800 i 1600 warów. Zmierzone, rzeczywiste wartości mocy biernej w poszczególnych fazach sieci odbiorcy posłużyły jako wymuszenia w modelu matematycznym (blok
„dane wejściowe”). Na rys. 13 przedstawiono rezultaty procesu symulacji kompensacji mocy
Analiza zużycia energii elektrycznej...
75
QL3k
f)
[ var ]
QL3
e)
[ var ]
QL2k
d)
[ var ]
QL2
c)
[ var ]
QL1k
b)
[ var ]
QL1
a)
[ var ]
biernej. Na rys. 13 a), c), i e) przedstawiono przebiegi mocy biernej odbiorcy
w poszczególnych fazach przed kompensacją, natomiast na rys. 13 b), d) i f) przedstawiono
przebiegi mocy biernej podczas niezależnej kompensacji w każdej z faz.
godzina
Rys. 13. Zestawienie wyników symulacji kompensacji mocy biernej z użyciem prototypowego
kompensatora Twens-eR Basic
Fig. 13. Collation of simulation results of reactive power compensation using Twens-eR Basic
prototype compensator
Na rys. 14-16 przedstawiono histogramy częstości występowania wartości mocy biernej
przed i podczas kompensacji w poszczególnych fazach sieci odbiorcy. Podczas procesu
kompensacji pojawiają się szczątkowe wartości mocy biernej poniżej mocy najmniejszego
stopnia baterii kondensatorów, czyli poniżej 100 warów. W fazach L1 i L3 nie dochodzi do
76
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
zjawiska przekompensowania, jak również w fazie L2 doraźna kompensacja mocy biernej
indukcyjnej również nie skutkuje pogorszeniem – dodatkowym pogłębieniem efektu generacji
mocy biernej pojemnościowej na sieć.
QL1
[ var ]
QL1k
[ var ]
Rys. 14. Histogramy mocy biernej pobieranej przez odbiorcę w fazie L1, przed i podczas symulacji
kompensacji z użyciem prototypowego kompensatora Twens-eR Basic
Fig. 14. Histograms of reactive power consumed in phase L1, before and during reactive power
compensation using Twens-eR Basic prototype compensator simulation
QL2
[ var ]
QL2k
[ var ]
Rys. 15. Histogramy mocy biernej pobieranej przez odbiorcę w fazie L2, przed i podczas symulacji
kompensacji z użyciem prototypowego kompensatora Twens-eR Basic
Fig. 15. Histograms of reactive power consumed in phase L2, before and during reactive power
compensation using Twens-eR Basic prototype compensator simulation
Analiza zużycia energii elektrycznej...
77
QL3
[ var ]
QL3k
[ var ]
Rys. 16. Histogramy mocy biernej pobieranej przez odbiorcę w fazie L3, przed i podczas symulacji
kompensacji z użyciem prototypowego kompensatora Twens-eR Basic
Fig. 16. Histograms of reactive power consumed in phase L3, before and during reactive power
compensation using Twens-eR Basic prototype compensator simulation
5. PODSUMOWANIE
Przedstawione wyniki pomiarów parametrów energii elektrycznej w sieci elektrycznej
przykładowego odbiorcy o zróżnicowanym profilu działalności ukazują typowe problemy,
występujące u większości konsumentów energii elektrycznej. Pomiary wykazały zarówno
asymetrię obciążenia mocą czynną, jak i nierównomierne generowanie mocy biernej
indukcyjnej lub pojemnościowej w poszczególnych fazach. Takie warunki odbioru energii
wskazują na zasadność kompensacji mocy biernej w każdej z faz z osobna.
W artykule przedstawiono również koncepcję oraz schemat blokowy prototypowego
kompensatora Twens-eR Basic, umożliwiającego realizację kompensacji mocy biernej
niezależnie w każdej z faz. Przeprowadzono badania symulacyjne modelu zaimplementowanego w środowisku MATLAB/Simulink. Wyniki symulacji wskazują na poprawność
modelu oraz potwierdzają ideę kompensacji.
Firma Twens przeprowadziła również testową kompensację mocy biernej w opisywanej
instalacji poprzez instalację prototypowego kompensatora Twens-eR Basic. Wyniki
pomiarów parametrów sieci przed oraz podczas procesu kompensacji potwierdzają jej
zasadność.
BIBLIOGRAFIA
1. Dixon J., Moran L., Rodriguez J., Domke R.: Reactive Power Compensation Technologies:
State-of-the-Art Review. “Proceedings of the IEEE” 2005, Vol. 93, Iss. 12, p. 2144 –
2164.
78
T. Trawiński, M. Szczygieł, W. Kołton i inni
2. Reed G.F., Takeda M., Iyoda I.: Improved power quality solutions using advanced solidstate switching and static compensation technologies., Power Engineering Society 1999
Winter Meeting, IEEE, 1999, Vol. 2, p. 1132 – 1137.
3. Gajek L., Kałuszka M.: Wnioskowanie statystyczne. Modele i metody. WNT, Warszawa
1996.
4. Ciąg
A000079,
The
On-Line
Encyclopedia
of
Integer
Sequences,
https://oeis.org/search?q=1%2C+2%2C+4%2C+8%2C+16%2C+32%2C+64%2C+128&la
nguage=english&go=Search, 2014.
Dr hab. inż. Tomasz TRAWIŃSKI1), dr inż. Marcin SZCZYGIEŁ1), mgr inż. Wojciech
KOŁTON1), dr inż. Grzegorz KŁAPYTA1)
Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny
Katedra Mechatroniki
ul. Akademicka 10a
44-100 Gliwice
Tel. (032) 237-28-03
e-mail: [email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Marek HOJEŃSKI2), Jan MORAŃSKI2), Krzysztof OZDOBA2)
1)
Katedra Mechatroniki, Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska
2)
Twens Sp. z o.o., Chorzów, Polska