Stabil Stand i Elkraftsystemer: Definition Årsager og Forbedringsmetoder

Definition af stabil tilstand

Stabil tilstand defineres som evnen hos et elektrisk kraftsystem til at opretholde sin oprindelige driftsforhold efter en lille forstyrrelse, eller at konvergere mod en tilstand, der tæt på svarer til den oprindelige tilstand, når forstyrrelsen vedvarende. Dette koncept har afgørende betydning for planlægning og design af kraftsystemer, udvikling af specialiserede automatiske styringsenheder, kommissionering af nye systemkomponenter, og justering af driftsforhold.

Vurderingen af grænsen for stabil tilstand er afgørende for analyse af kraftsystemet, hvilket omfatter bekræftelse af systemets ydeevne under angivne stabile tilstande, fastsættelse af stabilitetsgrænser, kvalitativ vurdering af overgangsprocesser, og vurdering af faktorer såsom type af opspændingsanlæg og dens kontroller, kontroltilstande, og parametre for opspændings- og automatiseringssystemer.

Stabilitetskrav fastsættes af stabilitetsgrænsen, kvaliteten af elektrisk energi under stabil tilstand, og overgangsydeevne. Grænsen for stabil tilstand refererer til det maksimale effektflow gennem et specifikt punkt i systemet, der kan opretholdes uden at udløse ustabilitet, når effekten gradvis øges.

I analyse af kraftsystemer behandles alle maskiner inden for en enkelt segment som en enkelt stor maskine forbundet ved dette punkt - selv hvis de ikke direkte forbundet til samme busbar og adskilt af betydelige reaktancer. Storskalerede systemer antages typisk at have en konstant spænding og modelleres som en uendelig busbar.

Overvej et system, der består af en generator (G), en transmissionsledning, og en synkron motor (M) fungerende som last.

Udtrykket nedenfor giver effekten produceret af en generator G og en synkron motor M.

Udtrykket nedenfor giver den maksimale effekt produceret af generator G og synkron motor M

Her repræsenterer A, B, og D de generaliserede konstanter for den to-terminalige maskine. Ovenstående udtryk resulterer i effekt i watt, beregnet pr. fase - forudsat, at de anvendte spændinger er fasespændinger i volt.

Årsager til systemustabilitet

Overvej en synkron motor forbundet til en uendelig busbar, der fungerer med konstant hastighed. Dens indgangseffekt er lig med udgangseffekten plus tab. Hvis det mindste tillæg af skivebelastning tilføjes til motoren, øges motorens udgangseffekt, mens dens indgangseffekt forbliver uændret. Dette skaber en netto bremsemoment, der får motorens hastighed til midlertidigt at falde.

Da bremsemomentet reducerer motorens hastighed, øges faserelationen mellem motorens interne spænding og systemets spænding, indtil den elektriske indgangseffekt er lig med udgangseffekten plus tab.

Under denne overgangsperiode, da motorens elektriske indgangseffekt er mindre end den mekaniske last, hentes den ekstra nødvendige effekt fra den lagrede energi i det roterende system. Motoren oscillerer omkring ligevægtspunktet og kan eventuelt enten stoppe eller miste synkronisering.

Et system mister også stabilitet, når en stor last påføres, eller når en last påføres for hurtigt til maskinen.

Ligningen nedenfor beskriver den maksimale effekt, en motor kan producere. Denne maksimale last kan kun opnås, når effektvinklen (δ) er lig med lastvinklen (β). Lasten kan øges, indtil dette forhold er opfyldt; ud over dette punkt vil enhver yderligere laststigning føre til, at maskinen mister synkronisering pga. utilstrækkelig effektudbring.

Det manglende effekt vil derefter blive leveret af den lagrede energi i det roterende system, hvilket fører til en nedgang i hastighed. Jo større effektunderskuddet bliver, jo gradvist mindskes vinklen, indtil motoren stopper.

For ethvert givet δ, er forskellen mellem effekten produceret af motoren og generatoren lig med linjetab. Hvis linjens resistans og shunt-admittans er forholdsvis ubetydelig, kan effekten, der overføres mellem alternatoren og motoren, udtrykkes som følger:

Hvor, X – linjereaktance

• V_G – generatorens spænding

• V_M – motorens spænding

• δ – Lastvinkel

• P_M – motorens effekt

• P_G – motorens effekt

• P_max – maksimal effekt

Metoder til forbedring af grænsen for stabil tilstand

Den maksimale effekt, der overføres mellem en alternator og en motor, er direkte proportional med produktet af deres interne elektromotoriske kræfter (EMF) og invers proportional med linjereaktansen. Grænsen for stabil tilstand kan forhøjes gennem to primære metoder:

• Øgning af opspændingen af generator, motor, eller begge
  Forbedring af opspænding øger den interne EMF af maskinerne, hvilket i sin tur øger den maksimale effekt, der overføres mellem dem. Desuden reducerer højere interne EMF'ere lastvinklen (δ).

• Nedsættelse af overføringsreaktansen
  Overføringsreaktansen kan nedsættes ved:

• Tilføjelse af parallelle transmissionsledninger mellem forbindelsespunkter;

• Brug af bundlete ledninger, der reducerer linjereaktansen;

• Indbygning af seriekapacitorer i linjen.

Seriekapacitorer bruges primært i ekstra-høvspændings (EHV) ledninger for at forbedre effektoverførselseffektiviteten og er mere økonomisk levedygtige for afstande, der overstiger 350 km.