ABC Jakości zasilania: Energia liczona czterokwadrantowo!

A-B-C Jakości Zasilania

Energia liczona czterokwadrantowo!

Skutki, pomiary, analiza » Przepływy energii! » Instalacje OZE! » Generacja/rekuperacja! » Dlaczego?

Czym tak naprawdę są energie czterokwadrantowe?

Pomiary napięć i prądów są podstawową możliwością analizy zjawisk zachodzących w instalacji elektrycznej. Chodzi przede wszystkim o zmiany wartości chwilowych obserwowane jako kształty oscylogramów, ich wartości skuteczne RMS reprezentujące właściwości energetyczne tych sygnałów, jak i parametry mocy skojarzonych par napięcia i prądu - reprezentujące chwilowe przepływy energii. Aby jednak móc wyznaczyć bilans tych przepływów konieczne jest kumulowanie wyników poszczególnych przepływów, co dokonuje się w liczydłach liczników energii. Sprawa byłaby prosta i oczywista, gdyby nie kilka, na pozór drobnych kwestii związanych z faktem, że energia jest kosztownym towarem, a rejestracja jej przepływu między dostawcą, a odbiorcą powinna być jednoznaczna.

Ponieważ moc czynna P i bierna Q mają znak wskazujący, w którym kierunku przepływają aktualnie poszczególne energie, w dowolnym momencie może wystąpić jednoznacznie tylko jeden z czterech stanów energetycznych pokazanych na Rys. 1. Wypadkowa moc pozorna S może znaleźć się w obszarze jednej z czterech ćwiartek koła, zwanych inaczej kwadrantami, co obrazowo przedstawiono na Rys. 1. Dzieląc pionowo obszar koła, po prawej stronie wskazuje na pobór mocy czynnej P>0 (wektor zielony). Obszar po lewej stornie pionowej osi wskazuje na oddawanie mocy czynnej P<0, czyli generację. Dla każdego z dwóch kierunków (znaków) mocy czynnej, możemy zależnie od znaku mocy biernej, podzielić dalej poszczególne połówki na ćwiartki. Ćwiartka Q>0 (wektor fioletowy) reprezentuje moc bierną indukcyjną podczas poboru mocy czynnej (P>0). Wówczas wypadkowy wektor mocy pozornej S (wektor brązowy) znajduje się w I ćwiartce (kwadrant I). Przez analogię do mocy czynnej powszechnie przyjęto, uzależniając od znaku mocy biernej, rozróżniać kierunki przepływu energii biernej. Na tej zasadzie odpowiednie liczydła zliczają poszczególne przepływy zależnie od kierunku i charakRys. 1. Energie czterokwadrantowe teru mocy.

strona 1 / 5

sonel.pl

Historycznie, w indukcyjnych licznikach energii czynnej zastosowano prosty mechanizm powodujący, że licznik energii kręcił się tylko w jedną stronę, zliczając przepływy energii tylko w jednym kierunku. Aby więc wyznaczyć pobór i generację energii czynnej, wystarczyło zastosować jednocześnie dwa liczniki. Podobnie postępowano z energią bierną podczas poboru, za którą odpowiadał odbiorca energii w ramach rozliczeń. Wystarczyło na poborze instalować dodatkowo dwa liczniki: jeden dla energii biernej indukcyjnej, a drugi dla energii biernej pojemnościowej. Obecnie, przepływy energii jednoznacznie mierzone są w zintegrowanych elektronicznych licznikach energii zawierających liczydła dla wszystkich możliwych stanów przepływu. Można jednak spotkać jeszcze rozwiązania uproszczone stosujące przytoczoną wcześniej bezzasadną konwencję określania kierunków przepływów mocy biernej, co obrazuje Rys. 2. Ponieważ rozwiązanie to występuje jeszcze dość powszechnie, nawet w zaawansowanych analizatorach elektronicznych, to dla wyjaśnienia krótko również zostanie to opisane. Dla mocy Q>0 występuje jedno liczydło energii biernej oznaczone EQ+ nazywanej energią bierną pobraną oraz dla mocy Q<0 jedno liczydło oznaczone EQ- nazywanej energią bierną oddawaną (generowaną). Widać od razu, że tak przyjęta Rys. 2. Uproszczona analiza przepływów energii konwencja jest niejednoznaczna, ponieważ jedno liczydło bierne zlicza dla dwóch kierunków przepływu energii czynnej, więc nie do końca wiadomo, co liczydła EQ+ i EQ- sobą reprezentują. Jedynym przypadkiem, w którym mamy zachowaną jednoznaczność metody uproszczonej jest stan poboru tylko energii czynnej, wówczas licznik EP-=0, bądź tylko generacji, gdy EP+=0. Ponieważ coraz trudniej w sieciach energetycznych o tak jednoznaczne przypadki, rozwiązanie uproszczone nie zawsze będzie skuteczne i dlatego należy na to zwrócić szczególną uwagę przy doborze sprzętu pomiarowego do konkretnych zastosowań.

Tego ograniczenia nie posiada licznik w pełni czterokwadrantowy. Aby zapewnić jednoznaczną zdolność licznika do rozróżniania wszystkich przypadków, zliczanie musi odbywać się w poszczególnych obszarach reprezentowanych ćwiartkami koła (Rys. 3), z rozdzieleniem par liczydeł energii biernej dla poboru energii czynnej oraz dla generacji. Tworzy to łącznie 6 liczydeł energii jednoznacznie skojarzonych parami z poszczególnymi ćwiartkami obszaru koła (kwadrantami).

Znaczenie pełnej analizy czterokwadrantowej jest tym większe, że w niektórych krajach przepisy określają jakość energii, pod warunkiem spełnienia nieprzekraczalności współczynnika tg(φ) oraz maksymalnej mocy (np. 15- lub 30-minutowej). Tylko mając jednoznaczne przepływy energii biernej indukcyjnej podczas poboru energii czynnej, można jednoznacznie wyznaczyć właściwe wartości parametrów.

Pozostał jeszcze ostatni problem występujący w analizie czterokwadrantowej przepływów energii. Dotyczy sieci, w których występuje zarówno niesymetryczne obciążenie jak i niesymetryczna generacja energii. Przypadki takie występują coraz powszechniej w obliczu bardzo szybko rozpowszechniającej się energetyki odnawialnej i prosumenckich instalacji fotowoltaicznych. Okazuje się bowiem, że obowiązujące dla mocy fazowych analizy czterokwadrantowe mają sens fizyczny, jednak analiza bilansu trójfazowego energii biernej, liczona metodą wektorową, może dać niejednoznaczne wyniki przepływów Rys. 3. Pełna, czterokwadrantowa analiza przepływów energii trójfazowych.

strona 2 / 5

sonel.pl

Trzy przykłady niewłaściwych wyników energii!

Przykład I Przedstawiony na Rys. 4 przykład dla obiektu OZE, zawiera następujące nieścisłości spowodowane złym doborem analizatora, który nie posiadał liczników 4-kwadrantowych: a.) Maksymalna moc 15-min wyznaczona została na podstawie średniej mocy czynnej, co mogło skutkować zaniżoną wartością spowodowaną jednoczesnym występowaniem poboru P>0 i generacji P<0, wpływających na jedną wartość mocy średniej w ciągu 15 minut, b.) Bardzo wysoką wartością współczynnika tg(φ) spowodowaną w momentach przejściowych, pojawianiem się średniej mocy czynnej bliskich 0, co w efekcie dzielenia Q>0 przez P≈0 dawało wyniki współczynnika tg(φ), który matematycznie był poprawny, ale nie miał znaczenia praktycznego.

Było to spowodowane algorytmem niepełnej analizy kwadrantowej, a jedynym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie pełnej czterokwadrantowej rejestracji i analizy przepływów energii oraz wyznaczanie wartości tg(φ) na podstawie całościowego przepływu energii podczas poboru.

Rys. 4. Analiza warunków tg(φ) i maksymalna moc średnia 15-minutowa

Rozwiązanie tego problemu jest bardzo proste – w przypadku instalacji OZE, mikro OZE bądź instalacji umożliwiającej chwilowy odzysk energii, wystarczy stosować analizatory umożliwiające pełną analizę czterokwadrantową z aktualizacją liczydeł co 10 okresów sieci np. SONEL klasy A: PQM-702/703/710/711. Stosowanie typowych i powszechnych analizatorów parametrów zasilania, pozbawionych pełnej i szybkiej analizy czterokwadrantowej możliwe jest jedynie do celów diagnostycznych, pod warunkiem, że zmiany kierunków mocy występują znacznie wolniej niż zastosowany czas uśredniania. Wymaga to jednak dodatkowej uwagi, większych rozmiarów plików danych i nie zawsze może okazać się w pełni skuteczne w przypadkach szczególnych.

Przykład II Problem występuje szczególnie przy okazji coraz powszechniej stosowanych urządzeń z optymalizacją zużycia energii. Stosując typowe czasy uśredniania rzędu 10 s w przypadku, gdy urządzenia potrafią krótkotrwale odzyskiwać energię i oddawać ją do sieci, typowa analiza mocy biernej na podstawie średnich mocy, a nawet na podstawie liczydeł energii przy niepełnej analizie kwadrantowej, będzie skutkowała błędnymi wnioskami. Podobnie, gdy charakter mocy biernej w wyniku niespokojności obciążenia, będzie zmieniał się wielokrotnie w trakcie jednego okresu uśredniania.

Wówczas wyznaczane przez algorytmy średnie moce czynne i bierne oraz wyliczane typowo przepływy energii na koniec okresu uśredniania będą nieprawdziwe. Rozwiązaniem tego problemu jest pełny, czterokwadrantowy licznik energii aktualizowany co 10 okresów sieci, jak to ma miejsce w analizatorach PQM. Przykład III Związany jest z coraz powszechniej występującą energetyką mikro OZE. Na Rys. 5 widoczne są przebiegi średniej trójfazowej mocy czynnej pobieranej (czerwony) oraz średniej trójfazowej mocy czynnej generowanej (zielony).

Dla przejrzystości na rysunku widoczne są jeszcze jedynie średnie moce pobierane w każdej fazie. W obszarze a.) widoczna jest średnia moc czynna pobierana P+ 15min Σ śred.=0 mimo, że widoczne moce fazowe są pobierane (P>0).

W obszarze b.) widoczne są już jako P<>0 trójfazowe moce zarówno pobierana (czerwony) jak generowana (zielony). Algorytm kwantyzacji mocy trójfazowej według bilansu wektorowego, spowodował naliczanie energii trójfazowych tylko gdy moce trójfazowe są różne od 0. W efekcie dominująca moc generacji, zamaskowała w obszarze a.) udział niezerowych mocy fazowych pobieranych, w wyniku czego obserwowany obraz trójfazowy jest niejednoznaczny.

strona 3 / 5

sonel.pl

Rys. 5. Obraz trójfazowych średnich mocy czynnych w rozbiciu na pobieraną (czerwony) i generowaną (zielony)

Kilka prostych działań w celu wykonania diagnostyki i pomiaru energii Najważniejsze to czym wiarygodnie rejestrować energię. Dysponując analizatorem PQM-701xx można rejestrować przypadki przepływów energii czynnej i biernej dla jednoznacznych odbiorów bądź jednoznacznych generacji (bez występujących stanów poboru potrzeb własnych). Dla przypadków występowania generacji i poboru, należy stosować analizatory klasy S (PQM-700, PQM-707) lub klasy A (PQM-702/703/710/711). Aby zarejestrować jednoznacznie przepływy energii należy: 1. W ustawieniach rejestracji w zakładce Moce i energie włączyć rejestrację zgodnie z IEEE 1459 oraz rejestrację mocy czynnych P i biernych Q1.

2. W zakładce Dodatkowe włączyć rejestrację średnich tg(φ) dla wszystkich kwadrantów.

3. W zakładce energie włączyć rejestrację wszystkich energii.

Rys. 6. Ustawienia rejestracji energii

strona 4 / 5

sonel.pl

4. Po połączeniu z analizatorem wysłać zmodyfikowane ustawienia.

5. Zarejestrować wybrany moment pracy obiektu korzystając z funkcji START/STOP. 6. Odczytać wyniki programem Sonel Analiza.

Uwaga: Dla rejestracji na zgodność z rozporządzeniem systemowym ustawienia mocy i energii są włączane automatycznie.

Analiza wyników pomiarów energii Po wczytaniu pliku pomiarowego zawierającego rejestrację energii za pomocą programu Sonel Analiza należy: 1. Nacisnąć przycisk Pomiary.

2. Wyszukać na liście interesujące moce średnie bądź tangensy kwadrantowe.

3. Zmieniając skalę czasu i skalę pionową, można powiększać interesujące fragmenty pomiaru.

4. Ustawiając znaczniki 1, 2, 3 w charakterystycznych miejscach (Rys. 5) można odczytać moment i wartość parametru dla każdego z trzech znaczników obrazowanych ikoną koła z numerem.

5. Na podstawie wyników różnic ze znaczników, można wyznaczyć odstęp czasowy i wartości pomiędzy poszczególnymi punktami tego samego sygnału.

strona 5 / 5

sonel.pl