Estabilitat en estat estacionari en sistemes elèctrics: Definició causes i mètodes d' millora

Definició de l'estabilitat d'estat estacionari

L'estabilitat d'estat estacionari es defineix com la capacitat d'un sistema elèctric de mantenir les seves condicions inicials d'operació després d'una petita pertorbació, o de convergir cap a un estat que s'aproxima molt a la condició inicial quan la pertorbació persisteix. Aquest concepte té una importància crítica en la planificació i disseny dels sistemes elèctrics, el desenvolupament de dispositius de control automàtic especialitzats, la posada en marxa de nous components del sistema i l'ajust de les condicions d'operació.

L'avaluació del límit d'estabilitat d'estat estacionari és essencial per a l'anàlisi del sistema elèctric, la qual inclou verificar el rendiment del sistema en condicions d'estat estacionari especificades, determinar els límits d'estabilitat, avaluar processos transitoris de manera qualitativa i avaluar factors com el tipus de sistema d'excitació i els seus controls, modes de control, i paràmetres dels sistemes d'excitació i automatització.

Els requisits d'estabilitat es determinen pel límit d'estabilitat, la qualitat de l'energia elèctrica en condicions d'estat estacionari i el rendiment transitori. El límit d'estabilitat d'estat estacionari fa referència al flux màxim de potència a través d'un punt específic del sistema que es pot mantenir sense desencadenar instabilitat quan la potència s'incrementa gradualment.

En l'anàlisi del sistema elèctric, totes les màquines dins d'un sol segment es tracten com una única màquina gran connectada a aquest punt, fins i tot si no estan directament enllaçades al mateix bus i estan separades per reactàncies significatives. Es suposa que els sistemes a gran escala tenen un voltatge constant i es modelitzen com un bus infinit.

Considerem un sistema que consta d'un generador (G), una línia de transmissió i un motor síncron (M) que funciona com a càrrega.

L'expressió mostrada a continuació dóna la potència desenvolupada pel generador G i el motor síncron M.

L'expressió següent dóna la potència màxima generada pel generador G i el motor síncron M.

Aquí, A, B i D representen les constants generalitzades de la màquina de dos terminals. L'expressió anterior proporciona la potència en watts, calculada per fase, assumint que els voltatges utilitzats són voltatges de fase en volts.

Raons de la Instabilitat del Sistema

Considerem un motor síncron connectat a un busbar infinit, operant a una velocitat constant. La seva potència d'entrada és igual a la potència de sortida més pèrdues. Si s'afegeix una increment mínima de càrrega al motor, la potència de sortida del motor augmenta mentre que la potència d'entrada roman inalterada. Això crea un moment retardatori net, causant una disminució temporal de la velocitat del motor.

Com el moment retardatori redueix la velocitat del motor, l'angle de fase entre el voltatge intern del motor i el voltatge del sistema augmenta fins que la potència d'entrada elèctrica és igual a la potència de sortida més pèrdues.

Durant aquest interval transitori, ja que la potència d'entrada elèctrica del motor és inferior a la càrrega mecànica, la potència excedentaria necessària es pren de l'energia emmagatzemada en el sistema rotatiu. El motor oscil·la al voltant del punt d'equilibri i finalment pot aturar-se o perdre sincronisme.

El sistema també perd estabilitat quan s'aplica una càrrega gran o quan la càrrega es fa servir de manera massa brusca a la màquina.

L'equació següent descriu la potència màxima que un motor pot desenvolupar. Aquesta càrrega màxima només és possible quan l'angle de potència (δ) és igual a l'angle de càrrega (β). La càrrega pot augmentar fins a aquest punt; més enllà, qualsevol increment addicional de càrrega farà que la màquina perdi sincronisme a causa d'una potència de sortida insuficient.

La potència deficitària llavors serà subministrada per l'energia emmagatzemada del sistema rotatiu, provocant una disminució de la velocitat. Com el deficit de potència es fa més gran, l'angle disminueix gradualment fins que el motor s'atura.

Per a qualsevol δ donat, la diferència entre la potència desenvolupada pel motor i el generador és igual a les pèrdues de línia. Si la resistència de la línia i l'admitància en paral·lel són negligibles, la potència transferida entre l'alternador i el motor es pot expressar com segueix:

On, X – reactància de la línia

• V_G – voltatge del generador

• V_M – voltatge del motor

• δ – Angle de Càrrega

• P_M – Potència del motor

• P_G – Potència del motor

• P_max – potència màxima

Mètodes per Millorar el Límit d'Estabilitat d'Estat Estacionari

La potència màxima transferida entre un alternador i un motor és directament proporcional al producte de les seves forces electromotrius (EMF) interns i inversament proporcional a la reactància de la línia. El límit d'estabilitat d'estat estacionari es pot augmentar mitjançant dos enfocaments principals:

• Aumentar l'excitació del generador, del motor o de tots dos
  Augmentar l'excitació eleva l'EMF intern de les màquines, el que a la vegada augmenta la potència màxima transferida entre elles. A més, EMFs interns més alts reduïxen l'angle de càrrega (δ).

• Reducir la reactància de transferència
  La reactància de transferència es pot reduir:

• Afegint línies de transmissió paral·leles entre els punts de connexió;

• Utilitzant conductors agrupats, que redueixen la reactància de la línia;

• Incorporant condensadors en sèrie a la línia.

Els condensadors en sèrie s'utilitzen principalment en línies d'alt voltatge (EHV) per augmentar l'eficiència de la transferència de potència i són econòmicament viables per a distàncies superiors als 350 km.