Stabilita stacionárního stavu v elektrických systémech: Definice příčiny a způsoby zlepšení

Definice stability v ustáleném stavu

Stabilita v ustáleném stavu je definována jako schopnost elektrického systému udržet svůj počáteční operační stav po malém poruchovém jevu, nebo se vrátit do stavu, který těsně přibližuje počátečnímu stavu, pokud porucha trvá. Tento koncept má klíčový význam pro plánování a návrh elektrických systémů, vývoj specializovaných automatických ovládacích zařízení, zprovoznění nových komponent systému a úpravu operačních podmínek.

Posouzení limitu stability v ustáleném stavu je zásadní pro analýzu elektrického systému, která zahrnuje ověření výkonu systému za specifikovaných stálých podmínek, určení limitů stability, kvalitativní hodnocení přechodných procesů a hodnocení faktorů, jako je typ excitačního systému a jeho řízení, režimy řízení a parametry excitačních a automatizačních systémů.

Požadavky na stabilitu jsou stanoveny limitem stability, kvalitou elektrické energie v ustáleném stavu a přechodnými vlastnostmi. Limit stability v ustáleném stavu označuje maximální tok energie skrz určitý bod systému, který lze udržet bez vyvolání nestability, když je výkon postupně zvyšován.

V analýze elektrického systému jsou všechny stroje v jedné části považovány za jeden velký stroj spojený v tomto bodě – i když nejsou přímo propojeny s tím samým sběračem a jsou odděleny významnými reaktancemi. Velké systémy jsou obvykle předpokládány s konstantním napětím a modelovány jako nekonečný sběrač.

Uvažujme systém složený z generátoru (G), přenosové linky a synchronního motoru (M) fungujícího jako zátěž.

Níže uvedený výraz dává výkon vyvinutý generátorem G a synchronním motorem M.

Níže uvedený výraz dává maximální výkon vygenerovaný generátorem G a synchronním motorem M.

Zde A, B a D reprezentují zobecněné konstanty dvoustranného stroje. Výše uvedený výraz dává výkon ve wattech, vypočítaný na fázové bázi – za předpokladu, že použitá napětí jsou fázová napětí v voltech.

Důvody pro nestabilitu systému

Uvažujme synchronní motor připojený k nekonečné sběračové liště, pracující s konstantní rychlostí. Jeho vstupní výkon je roven výstupnímu výkonu plus ztrátám. Pokud je k motoru přidáno nejmenší zvýšení zátěže na hřídel, výstupní výkon motoru se zvýší, zatímco vstupní výkon zůstane stejný. To vytvoří netovací moment, který dočasně sníží rychlost motoru.

Když netovací moment snižuje rychlost motoru, fázový úhel mezi vnitřním napětím motoru a napětím systému se zvětší, dokud elektrický vstupní výkon nebude roven výstupnímu výkonu plus ztrátám.

Během tohoto přechodného intervalu, když je elektrický vstupní výkon motoru menší než mechanická zátěž, je nadbytečná potřebná energie odvoděna ze skladované energie v rotujícím systému. Motor osciluje okolo bodu rovnováhy a může nakonec buď zastavit, nebo ztratit synchronismus.

Systém také ztrácí stabilitu, když je aplikována velká zátěž nebo když je zátěž aplikována příliš rychle na stroj.

Níže uvedená rovnice popisuje maximální výkon, který může motor vyvinout. Tato maximální zátěž je dosažitelná pouze tehdy, když úhel výkonu (δ) je roven úhlu zátěže (β). Zátěž může stoupat, dokud není splněna tato podmínka; za touto hranicí jakékoli další zvýšení zátěže způsobí, že stroj ztratí synchronismus kvůli nedostatečnému výkonu.

Schodek výkonu bude pak doplňován ze skladované energie rotujícího systému, což vedет к снижению скорости. По мере увеличения дефицита мощности угол постепенно уменьшается, пока двигатель не остановится.

Pro každé dané δ rozdíl mezi výkonem vyvinutým motorem a generátorem je roven ztrátám na lince. Pokud je odpornost a paralelní průchodnost linie zanedbatelná, výkon přenesený mezi alternátorem a motorem lze vyjádřit následovně:

Kde, X – induktivní reaktance linky

• V_G – napětí generátoru

• V_M – napětí motoru

• δ – úhel zátěže

• P_M – výkon motoru

• P_G – výkon generátoru

• P_max – maximální výkon

Metody pro zlepšení limitu stability v ustáleném stavu

Maximální přenesený výkon mezi alternátorem a motorem je přímo úměrný součinu jejich vnitřních elektromotorických sil (EMF) a nepřímo úměrný reaktanci linky. Limit stability v ustáleném stavu lze zvýšit dvěma hlavními přístupy:

• Zvýšení excitace generátoru, motoru nebo obou
  Zvýšení excitace zvyšuje vnitřní EMF strojů, což vede ke zvýšení maximálního přeneseného výkonu mezi nimi. Kromě toho vyšší vnitřní EMF snižují úhel zátěže (δ).

• Snižení přenosové reaktance
  Přenosovou reaktanci lze snížit:

• Přidáním paralelních přenosových linek mezi spojovacími body;

• Použitím svazkových vodičů, které snižují reaktanci linky;

• Zahrnutím sériových kondenzátorů v lince.

Sériové kondenzátory jsou hlavně používány v extra-vysokonapěťových (EHV) linkách k zvýšení efektivity přenosu energie a jsou ekonomicky výhodné pro vzdálenosti přesahující 350 km.