Стабилност на постоянното състояние в електроенергийните системи: дефиниция причина и методи за подобряване

Определение на стабилността в устойчиво състояние

Стабилността в устойчиво състояние се дефинира като способността на електрическата система за доставка на енергия да поддържа своето първоначално работно състояние след малко разстройство или да се приближи до състояние, близко до първоначалното, когато разстройството продължава. Тази концепция има ключово значение за планирането и проектирането на системите за доставка на енергия, развитието на специализирани автоматични устройства за управление, включването на нови компоненти на системата и коригирането на условията за работа.

Оценяването на границата на стабилността в устойчиво състояние е необходимо за анализ на системата за доставка на енергия, който включва проверка на производителността на системата при определени условия на устойчиво състояние, определяне на граници на стабилност, качествена оценка на преходните процеси и оценка на фактори като типа на система за возбуждане и нейното управление, режими на управление и параметри на системите за возбуждане и автоматизация.

Изискванията за стабилност се определят от границата на стабилността, качеството на електрическата енергия при устойчиво състояние и преходната производителност. Границата на стабилността в устойчиво състояние се отнася до максималния поток на мощност през определена точка в системата, който може да бъде поддържан без да бъде спровокирана нестабилност, когато мощността се увеличава постепенно.

В анализа на системите за доставка на енергия всички машини в един сегмент се третират като една голяма машина, свързана в тази точка – дори ако те не са директно свързани с един и същ шин и са разделени от значителни реактивни съпротивления. Големите системи обикновено се приемат, че имат постоянна напрежение и се моделират като безкрайна шина.

Разглеждайте система, състояща се от генератор (G), линия за предаване и синхронен мотор (M), функциониращ като товар.

Показаното израз дава мощност, произведена от генератор G и синхронен мотор M.

Показаният израз дава максималната мощност, произведена от генератор G и синхронен мотор M

Тук A, B и D представляват обобщените константи на двустранната машина. Показаният израз дава мощност в ватове, изчислена по фаза – при условие, че използваните напрежения са фазни напрежения в волтове.

Причини за нестабилност на системата

Разглеждайте синхронен мотор, свързан с безкрайна шина, работещ при постоянна скорост. Неговата входна мощност е равна на изходната мощност плюс загуби. Ако към мотора се добави най-малкото увеличение на товара на вала, изходната мощност на мотора се увеличава, докато входната мощност остава непроменена. Това създава нетна забавяваща момента, причиняваща временно намаляване на скоростта на мотора.

Когато забавяващата момента намалява скоростта на мотора, ъгълът между вътрешното напрежение на мотора и напрежението на системата се увеличава, докато електрическата входна мощност стане равна на изходната мощност плюс загуби.

По време на този преходен интервал, тъй като електрическата входна мощност на мотора е по-малка от механичния товар, необходимата допълнителна мощност се извлича от съхранената енергия в ротационната система. Моторът осцилира около точката на равновесие и може в крайна сметка да спре или да загуби синхронизация.

Системата също губи стабилност, когато се приложи голям товар или когато товарът се приложи прекалено бързо към машината.

Показаният израз описва максималната мощност, която моторът може да произведе. Този максимален товар е постижим само когато ъгълът на мощността (δ) е равен на ъгъла на товара (β). Товарът може да се увеличава, докато това условие не бъде изпълнено; след тази точка, всяко допълнително увеличение на товара ще причини машината да загуби синхронизация поради недостатъчна изходна мощност.

Недостигащата мощност после ще бъде доставена от съхранената енергия на ротационната система, водейки до намаляване на скоростта. Като дефицитът на мощност става по-голям, ъгълът се намалява постепенно, докато моторът спре.

За всяко дадено δ, разликата между мощността, произведена от мотора и генератора, е равна на загубите в линията. Ако съпротивлението на линията и паралелната проводимост са пренебрежими, мощността, прехвърлена между алтернатора и мотора, може да бъде изразена както следва:

Където, X – реактивното съпротивление на линията

• V_G – напрежение на генератора

• V_M – напрежение на мотора

• δ – ъгъл на товара

• P_M – мощност на мотора

• P_G – мощност на генератора

• P_max – максимална мощност

Методи за подобряване на границата на стабилността в устойчиво състояние

Максималната мощност, прехвърлена между алтернатор и мотор, е прямо пропорционална на произведението от техните вътрешни електромагнитни сили (ЕМФ) и обратно пропорционална на реактивното съпротивление на линията. Границата на стабилността в устойчиво състояние може да бъде увеличена чрез два основни подхода:

• Увеличаване на возбуждането на генератора, мотора или и двете
  Подобряването на возбуждането повишава вътрешната ЕМФ на машините, което на свой ред увеличава максималната мощност, прехвърлена между тях. Освен това, по-високата вътрешна ЕМФ намалява ъгъла на товара (δ).

• Намаляване на преходното реактивно съпротивление
  Преходното реактивно съпротивление може да бъде намалено чрез:

• Добавяне на паралелни линии за предаване между точките на свързване;

• Използване на свързани проводници, които намаляват реактивното съпротивление на линията;

• Включване на сериен кондензатор в линията.

Сериените кондензатори се използват главно в линии с особено високо напрежение (EHV) за увеличаване на ефективността на прехвърлянето на мощност и са икономически оправдани за разстояния над 350 km.