System kompensacji mocy biernej dla biurowca - wyzwanie czy rutyna?

Według obowiązującej w procesach regulacji zasady moc każdego kolejnego stopnia kompensatora nie może być mniejsza od mocy stopnia poprzedniego (ciąg nie może być malejący) i większa niż dwukrotna wartość mocy stopnia poprzedniego. Warunek ten ma decydujący wpływ na liczbę członów wykonawczych a tym sa­mym i na cenę kompensatora. Konsekwencją finansową stosowania ww. zasady będzie wyższa cena kompensatora, w którym moc pierw­szego stopnia będzie dobrana do wartości minimalnych przyrostów mocy biernej. Takie dopasowanie spowoduje też większą liczbę członów wykonawczych, a tym samym większą liczbę stopni regu­lacji. Warto wiedzieć, że pojęcie stopień regulacji nie jest tożsame z pojęciem człon wykonawczy lub stopień kompensatora. Stopień kompensatora (człon wykonawczy) to komplet urządzeń i osprzętu elektrotechnicznego połączonych w jeden obwód (zazwyczaj poda­wana jest moc stopnia w kilowatach), które sterowane są z jednego wyjścia regulatora. Liczba stopni regulacji (sformułowanie podawa­ne często w projektach) to liczba możliwych kombinacji wartości mocy biernej, jaką można uzyskać, łącząc w różnych konfiguracjach dostępne w kompensatorze człony wykonawcze (stopnie). Dobie­rając wartości poszczególnych członów wykonawczych musimy uwzględnić charakter występujących poborów mocy biernej oraz wartości minimalne przyrostów. Różny charakter odbiorników, jakie możemy spotkać w biurowcu sprawia, że w jego układzie zasilania w długich odcinkach czasu utrzymuje się różny charakter sieci, co odróżnia układ zasilania biurowca od układu zakładu przemysłowe­go. W większości przypadków w godzinach pracy (dzień) sieć ma charakter indukcyjny, a w godzinach nocnych ma charakter pojem­nościowy. Te dwa rodzaje mocy biernej kompensują się. W dobo­rach baterii należy uwzględnić sezonowość obciążeń. Z reguły stała jest wartość mocy biernej pojemnościowej, którą pobiera oświet­lenie energooszczędne (najbardziej ledowe), niedociążone UPS-y o  dużych mocach. Te odbiorniki pracują z reguły w godzinach noc­nych. Moc bierną indukcyjną pobierają odbiorniki związane z sy­stemami wentylacji klimatyzacji, windy, schody ruchome oraz inne urządzenia biurowe. Te odbiorniki pracują wówczas, gdy w biurze przebywają pracownicy. Wykonując pomiary krzywych obciążeń, które będą podstawą obliczeń mocy całkowitej kompensatorów trzeba znać czasy pracy poszczególnych odbiorników, sprawdzić, czy w czasie pomiaru klimatyzacja była włączona i na ile skompen­sowały się nawzajem odbiorniki o różnych charakterach obciążenia. Warto wynik pomiarów krzywych obciążeń porównać z wielkoś­ciami przyrostów energii biernej indukcyjnej i pojemnościowej podane w rachunkach. Im dłuższy okres porównamy, tym przyjęte do obliczenia założenia będą bliższe rzeczywistym wartościom ob­ciążeń. Z analizy rachunków wynika, że opłaty za energię bierną, jakie ponosi właściciel biurowca są znaczne (od kilku do kilkunastu tys. zł na miesiąc), co obliguje projektanta, by projektowany układ kompensacji był skuteczny w działaniu i to zarówno w kompensacji energii biernej pojemnościowej jak i indukcyjnej. Aby skutecznie skompensować obie moce bierne (redukcja opłat o ponad 95%), na­leży przewidzieć kompensator, w którym człony wykonawcze będą stanowiły zarówno kondensatory mocy jak i dławiki kompensują­ce. Należy zastosować kompensator wyposażony w jeden regula­tor o funkcjonalności, która umożliwia pomiary zarówno w 1. jak i w 4. ćwiartce układu 4-kwadrantowego oraz prowadzenie procesu kompensacji w zależności od pomierzonego charakteru sieci, aby nie dochodziło do pracy równoległej, czyli by człony o różnym cha­rakterze na pracowały „na siebie”.

Zastosowany regulator powinien mieć możliwość zdefiniowania w menu charakteru sieci, jaki będzie kompensował konkretny sto­pień wyjściowy. Kompensator mocy biernej z takim regulatorem jest zdecydowanie tańszy niż dwa o różnych członach wykonawczych. Oszczędności daje też mniejsza liczba użytych kabli i pól zasilają­cych w rozdzielnicy nN. Niemożliwa jest też praca „na siebie” czło­nów o różnym charakterze. Kolejnym problemem, jaki występuje w biurowcach, to kompensacja odbiorników niespokojnych o dyna­micznych zmianach wartości pobieranej energii biernej, np. windy, schody ruchome. Jeśli moc tych odbiorników jest porównywalna z obciążeniami, jakie występują w poszczególnych porach doby, to w rozliczeniu dokonywanym elektronicznym licznikiem nadwyżko­wym wystąpią opłaty za nieskompensowaną energię bierną. Dotyczy to zwłaszcza okresów, gdy nie pracuje klimatyzacja. Problem, jaki musimy rozwiązać w tym wypadku jest jasno określony w normach. Otóż nie wolno nam załączyć kondensatora nierozładowanego. Czas rozładowania kondensatora określa się wymogiem postawionym jego fabrycznym układom rozładowania, czyli napięcie na kondensatorze ma osiągnąć wartość 75 V po 3 min od jego wyłączenia (normy eu­ropejskie). W Polsce stosowana jest jeszcze dawna zależność, czyli układ rozładowania powinien zapewnić 50 V po 1 min od wyłącze­nia kondensatora. Oba te czasy są jednak zbyt długie, by skutecznie skompensować sekundowe zmiany poboru wartości mocy biernej, ja­kie stwarza np. winda lub zespół wind. Rozwiązaniem problemu jest< zastosowanie w układzie rozładowania kondensatora dławików szyb- korozładowczych, które rozładowują kondensator w czasie ok. 2 s. By zoptymalizować cenę projektowanego kompensatora należy za­stosować regulator, który ma możliwości dokonywania nastawy cza­su zwłoki na każdym członie wykonawczym indywidualnie. Liczba członów wykonawczych z dławikami szybkorozładowczymi zależy od stosunku wartości mocy obciążenia odbiorników niespokojnych (sekundowe czasy zmian) do mocy odbiorników spokojnych (minu­towe i większe czasy zmian). Im ten udział jest większy, tym więcej członów baterii kondensatorów powinno być wyposażonych w dła­wiki szybkorozładowcze. Typowe wykonanie baterii kondensatorów ma dławiki szybkorozładowcze na dwóch, maksymalnie na trzech pierwszych stopniach. Niestety takie rozwiązanie podraża koszt kom­pensatora średnio o ok. 150 zł/stopień. Z doświadczeń jednak wynika, że dodatkowe koszty związane z montażem tych dławików zwracają się bardzo szybko, zwłaszcza przy rozliczaniu energii elektrycznej dokonywanej licznikami nadwyżkowymi.

Dławiki szybkorozładowcze Noratel

W ostatnich latach w ramach zawieranych umów outsourcingo­wych właściciele lub zarządcy nieruchomości zlecają nadzór nad układami zasilania biurowca zewnętrznym firmom. Kwota za tego typu usługi zależy od stopnia zautomatyzowania układu zasilania oraz od liczby i funkcjonalności systemów monitorowania i kontroli zainstalowanych w biurowcu. Z reguły każdy biurowiec wyposażony jest w system BMS, który umożliwia bieżącą kontrolę prawidłowo­ści działania podłączonych do niego systemów. Nowoczesne układy kompensacji mocy biernej też powinny być wyposażone w układy do zdalnego montowania poziomu skuteczności procesu kompensacji oraz kontroli warunków eksploatacji użytkowanych kompensatorów - zwłaszcza baterii kondensatorów.

Niezbędnym warunkiem, jaki powinien spełniać nowoczesny re­gulator mocy biernej to możliwość podłączenia go do systemu BMS lub do innego systemu transmisji danych np. MODBUS. Nowoczes­ne systemy monitorowania skuteczności kompensacji i kontroli po­prawności pracy montowane w kompensatorach umożliwiają udzie­lanie gwarancji na zamontowany system kompensacji mocy biernej na okres 60 miesięcy. Gdy zamontowany w kompensatorze układ zdalnego monitoringu na bieżąco analizuje skuteczność procesu kompensacji, alarmuje natychmiast np. GSM w przypadku zadzia­łania zabezpieczeń lub pogorszenia się warunków eksploatacji, to jego dostawca powinien przyjąć na siebie zobowiązanie pokrywania opłat za nieskompensowaną energię bierną, jaka powstanie na sku­tek wadliwej lub nieefektywnej pracy dostarczonego systemu kom­pensacji biurowca. Wymiernym elektem tego zobowiązania będzie zdecydowanie mniejsza kwota przeznaczona dla firmy outsourcin­gowej za nadzór nad systemem monitorowania mocy biernej.

Mam nadzieję, że niniejszy artykuł udowodnił tezę, że dobór sku­tecznego systemu kompensacji mocy biernej biurowca nie jest prosty. Zróżnicowanie odbiorników, ich nieprzewidywalność oraz wartość ich sumarycznych mocy sprawia, że projektując układ kompensacji mocy biernej biurowca powinniśmy przewidzieć problemy, jakie mogą powstać w długim okresie jego eksploatacji. Im nasze rozwią­zanie będzie bardziej uniwersalne, im da większe możliwości mody­fikacji i modernizacji, tym zamontowany system kompensacji będzie działał dłużej i będzie skuteczny w całym okresie użytkowania.

W artykule pominięto problem kompensacji mocy biernej w ob­ciążeniach niesymetrycznych, czyli nierównomiernego obciążenia w czasie poszczególnych faz. W dużych biurowcach jest to stan prak­tycznie niespotykany. W mniejszych obiektach, gdzie udział (moco- wo) odbiorników jednofazowych jest porównywalny z mocą odbior­ników trójfazowych, aby uzyskać skuteczny system kompensacji, należy stosować specjalne kompensatory przeznaczone do kompen­sacji obciążeń niesymetrycznych. Rozwiązanie takie było opisane w Wiadomościach Elektrotechnicznych (nr 9/2010) w artykule Bateria na asymetrię - kompensacja mocy biernej ogranicza koszty i popra­wia jakość energii.