Stabilität im stationären Zustand in Stromnetzen: Definition Ursachen und Verbesserungsmethoden
Definition der stationären Stabilität
Stationäre Stabilität wird definiert als die Fähigkeit eines elektrischen Energieversorgungssystems, seinen ursprünglichen Betriebszustand nach einer geringfügigen Störung aufrechtzuerhalten oder zu einem Zustand zurückzukehren, der dem ursprünglichen Zustand nahekommt, wenn die Störung anhält. Dieses Konzept hat eine kritische Bedeutung in der Planung und Gestaltung von Stromsystemen, der Entwicklung spezieller automatischer Steuergeräte, der Inbetriebnahme neuer Systemkomponenten und der Anpassung der Betriebsbedingungen.
Die Bewertung des Grenzwerts der stationären Stabilität ist für die Analyse des Stromsystems wesentlich, die die Überprüfung der Systemleistung unter spezifizierten stationären Bedingungen, die Bestimmung von Stabilitätsgrenzen, die qualitative Bewertung von Übergangsprozessen und die Bewertung von Faktoren wie Art und Steuerung des Erregersystems, Steuerungsmodi und Parameter von Erreger- und Automatisierungssystemen umfasst.
Stabilitätsanforderungen werden durch den Stabilitätsgrenzwert, die Qualität der elektrischen Energie unter stationären Bedingungen und die Übergangsleistung bestimmt. Der Grenzwert der stationären Stabilität bezieht sich auf den maximalen Leistungsfluss durch einen bestimmten Punkt im System, der ohne Auslösung von Instabilität bei stufenweiser Erhöhung des Leistungsflusses aufrechterhalten werden kann.
In der Analyse von Stromsystemen werden alle Maschinen innerhalb eines einzelnen Segments als eine einzige große Maschine behandelt, die an diesem Punkt angeschlossen ist – selbst wenn sie nicht direkt an den gleichen Bus angeschlossen sind und durch signifikante Reaktanzen getrennt sind. Großskalige Systeme werden in der Regel mit konstanter Spannung angenommen und als unendlicher Bus modelliert.
Betrachten wir ein System, das aus einem Generator (G), einer Leitung und einem Synchronmotor (M) als Last besteht.
Der unten gezeigte Ausdruck gibt die von einem Generator G und einem Synchronmotor M entwickelte Leistung an.
Der unten gezeigte Ausdruck gibt die maximale Leistung an, die von dem Generator G und dem Synchronmotor M erzeugt wird.
Hierbei stellen A, B und D die verallgemeinerten Konstanten der Zweipolmaschine dar. Der obige Ausdruck liefert die Leistung in Watt, berechnet pro Phase – vorausgesetzt, dass die verwendeten Spannungen Phasenspannungen in Volt sind.
Gründe für Systeminstabilität
Betrachten wir einen Synchronmotor, der an einen unendlichen Schienleiter angeschlossen ist und mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet. Seine Eingangsleistung entspricht der Ausgangsleistung plus Verlusten. Wenn der kleinste Zuwachs der Wellelast zum Motor hinzugefügt wird, nimmt die Ausgangsleistung des Motors zu, während seine Eingangsleistung unverändert bleibt. Dies führt zu einem netto bremsenden Drehmoment, das die Motorgeschwindigkeit vorübergehend senkt.
Während das bremsende Drehmoment die Motorgeschwindigkeit reduziert, erhöht sich der Phasenwinkel zwischen der internen Spannung des Motors und der Systemspannung, bis die elektrische Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung plus Verlusten ist.
Während dieses Übergangsintervalls, da die elektrische Eingangsleistung des Motors kleiner ist als die mechanische Last, wird die erforderliche zusätzliche Leistung aus der gespeicherten Energie im rotierenden System gezogen. Der Motor oszilliert um den Gleichgewichtspunkt und kann letztendlich entweder zum Stillstand kommen oder die Synchronisation verlieren.
Ein System verliert auch Stabilität, wenn eine große Last angewendet wird oder wenn eine Last zu plötzlich auf die Maschine angewendet wird.
Die folgende Gleichung beschreibt die maximale Leistung, die ein Motor entwickeln kann. Diese maximale Last ist nur dann erreichbar, wenn der Leistungswinkel (δ) gleich dem Lastwinkel (β) ist. Die Last kann bis zu diesem Punkt zunehmen; darüber hinaus führt jede weitere Laststeigerung dazu, dass die Maschine aufgrund unzureichender Leistungsausgabe die Synchronisation verliert.
Der fehlende Leistungsteil wird dann durch die gespeicherte Energie des rotierenden Systems gedeckt, was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt. Je größer der Leistungsmangel wird, desto weiter nimmt der Winkel ab, bis der Motor zum Stillstand kommt.
Für jedes gegebene δ beträgt die Differenz zwischen der vom Motor und dem Generator entwickelten Leistung die Leitungsverluste. Wenn der Widerstand und die Nebenschaltadmittanz der Leitung vernachlässigbar sind, kann die zwischen dem Wechselstromgenerator und dem Motor übertragene Leistung wie folgt ausgedrückt werden:
Dabei steht X für die Leitungsreaktanz.
VG – Spannung des Generators
VM – Spannung des Motors
δ – Lastwinkel
PM – Leistung des Motors
PG – Leistung des Motors
Pmax – maximale Leistung
Methoden zur Verbesserung des Grenzwerts der stationären Stabilität
Die maximal übertragbare Leistung zwischen einem Wechselstromgenerator und einem Motor ist direkt proportional zum Produkt ihrer internen elektromotorischen Kräfte (EMF) und indirekt proportional zur Leitungsreaktanz. Der Grenzwert der stationären Stabilität kann durch zwei Hauptansätze erhöht werden:
Serienkondensatoren werden hauptsächlich in extra-hochspannungs (EHV) Leitungen verwendet, um die Effizienz der Leistungsovertragung zu steigern und sind für Entfernungen von mehr als 350 km wirtschaftlicher.
