Kompensacja mocy biernej + fotowoltaika

Inwestujesz w fotowoltaikę, żeby zmniejszyć rachunki za prąd, a tymczasem Twoja firma zaczyna płacić wysokie kary za moc bierną. Czym jest moc bierna? Jak instalacja fotowoltaiczna może pogarszać parametry jakości sieci? Jak temu zaradzić?

Moc bierna, moc czynna, moc pozorna, cos φ – czym są?

W układach prądu przemiennego moc wyróżnia się trzy rodzaje mocy:

• Moc czynna P to moc zamieniana na pracę lub energię. Jednostką jest wat [W]
• Moc bierna Q to moc niezamieniana na pracę lub energię. Jednostką jest war / var.
• Moc pozorna S to geometryczna suma mocy biernej i czynnej. Jednostką jest woltoamper [VA]. W układzie prądu przemiennego to właśnie ta moc jest iloczynem napięcia i natężenia.

Wszystkie te trzy parametry występują w sieci Twojego przedsiębiorstwa. Nie jest to intuicyjne, bo głównie skupiamy się na mocy czynnej. To jej skutki widzimy, to jej ceną się martwimy. A obok niej, niejako niewidoczna, znajduje się moc bierna. Jest cyklicznie pobierana i oddawana do sieci i ma charakter pulsacyjny. Nie oznacza to, że moc bierna nie ma zastosowania. Wręcz przeciwnie – jej istnienie jest niezbędne do działania silników i kondensatorów.

Co oznacza, że moc pozorna jest geometryczną sumą mocy biernej i czynnej? Otóż zależności między nimi możemy przedstawić geometrycznie w postaci trójkąta prostokątnego:

Za czym, między mocami występują standardowe zależności trygonometryczne:

Ważnym parametrem jest tutaj wartość kąta φ (czytaj – fi). Cos φ to stosunek mocy czynnej do mocy pozornej, a tg φ to stosunek mocy biernej do mocSSy czynnej. 

Jeżeli φ = 0°, cos φ = 1, tg φ = 0, to cała moc w sieci jest mocą czynną.

Jeżeli φ = 90°, cos φ = 0, tg φ = 1, to cała moc sieci jest mocą bierną.

W miarę jak maleje cos φ, wzrasta moc bierna, a wraz z nią wzrasta tg φ.

W warunkach przyłączeniowych lub umowie określa się docelowy tg φ dla przedsiębiorstwa. Najczęściej tg φ = 0,4 (czyli cos φ = 0,93). Wartość tg φ może być niższa, lecz pod żadnym pozorem nie może być niższa od wartości 0,2 (czyli cos φ = 0,98).

Fotowoltaika w sposób istotny zaburza rozpływ mocy i może powodować zbyt duży pobór mocy biernej. Dlaczego i co z tego wynika?

Dlaczego instalacja fotowoltaiczna może powodować nadmierny pobór mocy biernej i związane z tym kary?

Odbiorca płaci przede wszystkim za koszt energii czynnej, stąd z zasady instalacja fotowoltaiczna ustawiona jest tak, by cała generowana moc (moc pozorna, U x I) była mocą czynną. W ten sposób fotowoltaika obniża rachunki za energię.

Jednak gdy generacja zielonej energii jest wysoka względem zapotrzebowania – gdy całkowicie lub prawie całkowicie zasila wszystkie urządzenia w przedsiębiorstwie – wówczas z sieci energetycznej nie jest pobierana żadna moc czynna, za to nadal pobierana jest moc bierna. Pobór mocy biernej przy braku poboru mocy czynnej powoduje znaczne zaburzenie sieci i podlega karze w wysokości:

kara = kśrednia rynkowa cena sprzedaży energiipobrana energia bierna 

gdzie współczynnik k wynosi 0,5 dla wysokiego napięcia, 1 dla średniego napięcia i aż 3 dla odbiorców niskiego napięcia. 

Dodatkowo opłacie podlega sytuacja, w której moc bierna jest wprowadzana do sieci elektroenergetycznej, co może mieć miejsce przy błędnie skonfigurowanym falowniku oraz kompensatorze.

W skrajnych sytuacjach działanie instalacji fotowoltaicznej przynosi więcej szkody niż pożytku.

Jak temu zaradzić?

Jeśli Twoja instalacja fotowoltaiczna powoduje przekompensowanie mocy biernej i straty, zapraszam do kontaktu. Chociaż rozwiązanie tego problemu nie jest trudne, to jednak wymaga przeanalizowania sytuacji i planu naprawczego. Najczęściej działania sprowadzają się do:

• doboru / wymiany kompensatora mocy biernej na lepszy
• przekonfigurowania falownika

Krótko omówmy te działania.

Dobór / wymiana kompensatora mocy biernej do fotowoltaiki

Kompensator mocy biernej wytwarza moc bierną w miejscu jej zapotrzebowania. Jednak tradycyjne kompensatory mają ograniczoną czułość i działają skokowo, przez co nie mogą sprostać wyzwaniu, jakim jest obsługa instalacji PV.

W tej roli sprawdzają się kompensatory mocy biernej SVG, które płynnie kompensują zarówno wspomnianą moc bierną pojemnościową, jak i indukcyjną. Funkcje i korzyści z kompensatorów SVG omawia poniższa tabelka:

Funkcja	Korzyści
Płynne działanie, reakcja nie dłuższa niż 1 ms	Ogranicza do minimum przekompensowanie mocy biernej i związane z tym kary
Kompensacja mocy biernej pojemnościowej i indukcyjnej	Przykładowo w słoneczne dni kompensuje moc bierną pojemnościową, w dni pochmurne kompensuje moc bierną indukcyjną, a w dni wolne od pracy ponownie kompensuje moc pojemnościową
Kompensowanie każdej fazy niezależnie	Umożliwia ograniczenie poboru mocy biernej tak, gdzie dynamika zmian obciążeń jest znaczna
Filtrowanie wyższych harmonicznych	m.in. poprawia żywotność niektórych urządzeń w przedsiębiorstwie

Słowem kompensator mocy biernej może przynieść dla przedsiębiorstwa wiele korzyści.

Odpowiednia konfiguracja falownika

Falownik można skonfigurować tak, że część wytwarzanej mocy jest mocą bierną. Gdy nastawiony cos φ wynosi 0,9 wówczas raczej nie ma obaw o nadmierny pobór mocy biernej przy braku poboru mocy czynnej. Niestety tracimy wówczas 10% mocy czynnej.
Dodajmy, że stała nastawa cos φ= 0,9 jest nieoptymalna, gdyż nie w każdym momencie działania instalacji PV moc bierna urasta do rangi problemu. Lepszy rozwiązaniem jest włączenie funkcji Q(U). Gdy uruchomiona, powoduje, że falownik włącza nastawę cos φ = 0,9 po osiągnięciu zadanego napięcia, czyli wtedy, gdy instalacja fotowoltaiczna działa na największych obrotach. Powoduje to optymalizację produkcji z PV przy zachowaniu parametrów jakościowych prądu.

Dodatkowo falownik nie generować zbyt wiele mocy biernej, bo eksport tej mocy do sieci zawsze wiąże się z karami.

Kompensacja mocy biernej i fotowoltaika – podsumowanie

Z chwilą podjęcia decyzji o inwestycji w fotowoltaikę konieczne jest przeanalizowanie bilansu mocy biernej dla całego obiektu. Najlepszymi środkami zaradczymi przeciw przekompensowaniu mocy biernej są: kompensator mocy SVG oraz odpowiednia konfiguracja falownika.

Jeśli planujesz nową inwestycję, lub jeśli Twoja istniejąca inwestycja powoduje wzrost opłat za moc bierną, zapraszam do kontaktu. Przyjedziemy na miejsce i sporządzimy plan naprawczy.

Krystian Stec

Wróć do listy aktualności