Σταθερή Κατάσταση Σταθερότητας σε Συστήματα Ρεύματος: Ορισμός Διαιωνίωσης και Μέθοδοι Βελτίωσης

Ορισμός της Σταθερής Σταθερότητας

Η σταθερή σταθερότητα ορίζεται ως η δυνατότητα ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας να διατηρεί την αρχική του λειτουργική κατάσταση μετά από μια μικρή διαταραχή, ή να συγκλίνει σε μια κατάσταση που προσεγγίζει στενά την αρχική κατάσταση όταν η διαταραχή συνεχίζεται. Αυτός ο όρος έχει κρίσιμη σημασία στην προγραμματισμό και σχεδιασμό συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, την ανάπτυξη ειδικών αυτόματων συσκευών ελέγχου, την εγκατάσταση νέων συστατικών του συστήματος και την προσαρμογή των λειτουργικών συνθηκών.

Η αξιολόγηση του ορίου σταθερής σταθερότητας είναι απαραίτητη για την ανάλυση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία περιλαμβάνει την επαλήθευση της απόδοσης του συστήματος υπό συγκεκριμένες σταθερές συνθήκες, την καθορισμό των ορίων σταθερότητας, την ποιοτική αξιολόγηση των μεταβατικών διεργασιών και την αξιολόγηση παραγόντων όπως ο τύπος του συστήματος ενθάρρυνσης και των ελεγκτικών του, τα μόντα ελέγχου, καθώς και τα παράμετρα των συστημάτων ενθάρρυνσης και αυτοματοποίησης.

Τα απαιτήματα σταθερότητας καθορίζονται από το όριο σταθερότητας, την ποιότητα της ηλεκτρικής ενέργειας υπό σταθερές συνθήκες και τη μεταβατική απόδοση. Το όριο σταθερής σταθερότητας αναφέρεται στη μέγιστη ροή ενέργειας μέσω ενός συγκεκριμένου σημείου του συστήματος που μπορεί να διατηρηθεί χωρίς να προκαλεί αστάθεια όταν η ενέργεια αυξάνεται σταδιακά.

Στην ανάλυση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, όλα τα μηχανήματα ενός ενός τμήματος θεωρούνται ως ένα μεγάλο μηχάνημα που συνδέεται σε αυτό το σημείο, ακόμη κι αν δεν είναι άμεσα συνδεδεμένα στο ίδιο busbar και είναι διαχωρισμένα από σημαντικές αντιδραστικές αντιστάσεις. Τα μεγάλα συστήματα συνήθως υποθέτονται να έχουν σταθερή τάση και μοντελοποιούνται ως άπειρο busbar.

Υποθέστε ένα σύστημα που περιλαμβάνει έναν γεννήτρια (G), μια γραμμή μεταφοράς και ένα συγχρονισμένο μοτέρ (M) που λειτουργεί ως φορτίο.

Η παρακάτω έκφραση δίνει την ενέργεια που παράγεται από την γεννήτρια G και το συγχρονισμένο μοτέρ M.

Η παρακάτω έκφραση δίνει τη μέγιστη ενέργεια που παράγεται από την γεννήτρια G και το συγχρονισμένο μοτέρ M

Εδώ, A, B, και D αντιπροσωπεύουν τις γενικευμένες σταθερές του διτερμικού μηχανήματος. Η παραπάνω έκφραση δίνει την ενέργεια σε watt, υπολογισμένη ανά φάση, με την προϋπόθεση ότι οι χρησιμοποιούμενες τάσεις είναι φασικές τάσεις σε βολτ.

Αιτίες Αστάθειας του Συστήματος

Υποθέστε ένα συγχρονισμένο μοτέρ που είναι συνδεδεμένο σε ένα άπειρο busbar, λειτουργώντας σε σταθερή ταχύτητα. Το εισερχόμενο ενέργεια του μοτέρ ισούται με την εξερχόμενη ενέργεια πλέον των απωλειών. Εάν προστεθεί το μικρότερο επιπλέον φορτίο στον αξόνα του μοτέρ, η εξερχόμενη ενέργεια του μοτέρ αυξάνεται ενώ το εισερχόμενο ενέργεια παραμένει αναμενόμενο. Αυτό δημιουργεί μια συνολική αντιστροφική ροπή, που προκαλεί την προσωρινή μείωση της ταχύτητας του μοτέρ.

Καθώς η αντιστροφική ροπή μειώνει την ταχύτητα του μοτέρ, ο φάσης μεταξύ της εσωτερικής τάσης του μοτέρ και της τάσης του συστήματος αυξάνεται μέχρι να ισούται το εισερχόμενο ενέργεια με την εξερχόμενη ενέργεια πλέον των απωλειών.

Κατά τη διάρκεια αυτής της μεταβατικής περιόδου, καθώς το εισερχόμενο ενέργεια του μοτέρ είναι μικρότερο από το μηχανικό φορτίο, η υπερβατική ενέργεια που απαιτείται αντλείται από την αποθηκευμένη ενέργεια στο στροβιλικό σύστημα. Το μοτέρ ταλαντώνεται γύρω από το σημείο ισορροπίας και μπορεί επιτέλους να σταματήσει ή να χάσει τη συγχρονισμό.

Ένα σύστημα χάνει επίσης τη σταθερότητα όταν εφαρμόζεται ένα μεγάλο φορτίο ή όταν το φορτίο εφαρμόζεται πολύ απότομα στο μηχάνημα.

Η παρακάτω εξίσωση περιγράφει τη μέγιστη ενέργεια που μπορεί να παράγει ένα μοτέρ. Αυτό το μέγιστο φορτίο είναι εφικτό μόνο όταν η γωνία ενέργειας (δ) ισούται με τη γωνία φορτίου (&β;). Το φορτίο μπορεί να αυξηθεί μέχρι να επιτευχθεί αυτή η συνθήκη· πέρα από αυτό το σημείο, οποιαδήποτε περαιτέρω αύξηση του φορτίου θα προκαλέσει την απώλεια της συγχρονισμός του μηχανήματος λόγω ανεπαρκούς εξόδου ενέργειας.

Η ελλειψή ενέργεια θα εφοδιαστεί τότε από την αποθηκευμένη ενέργεια του στροβιλικού συστήματος, οδηγώντας σε μείωση της ταχύτητας. Καθώς η ελλειψή ενέργεια αυξάνεται, η γωνία σταδιακά μειώνεται μέχρι το μοτέρ να σταματήσει.

Για κάθε δεδομένη &δ;, η διαφορά μεταξύ της ενέργειας που παράγεται από το μοτέρ και την γεννήτρια ισούται με τις απώλειες στη γραμμή. Εάν η αντίσταση και η παράλληλη αδέκτηση της γραμμής είναι αμελητές, η μεταφορά ενέργειας μεταξύ του αλτερνάτορα και του μοτέρ μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

Όπου, X – αντιδραστική αντίσταση της γραμμής

• V_G – τάση της γεννήτριας

• V_M – τάση του μοτέρ

• &δ; – Γωνία φορτίου

• P_M – Ισχύς του μοτέρ

• P_G – Ισχύς της γεννήτριας

• P_max – μέγιστη ισχύς

Μέθοδοι Μείωσης του Ορίου Σταθερής Σταθερότητας

Η μέγιστη ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ ενός αλτερνάτορα και ενός μοτέρ είναι ανάλογη με το γινόμενο των εσωτερικών ηλεκτρομοτικών δυνάμεων (EMF) τους και αντίστροφα ανάλογη με την αντιδραστική αντίσταση της γραμμής. Το όριο σταθερής σταθερότητας μπορεί να αυξηθεί μέσω δύο βασικών προσεγγίσεων:

• Αύξηση της ενθάρρυνσης της γεννήτριας, του μοτέρ ή και των δύο
  Η αύξηση της ενθάρρυνσης αυξάνει την εσωτερική EMF των μηχανημάτων, η οποία σε σειρά αυξάνει τη μέγιστη ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ τους. Επιπλέον, υψηλότερες εσωτερικές EMF μειώνουν τη γωνία φορτίου (&δ;).

• Μείωση της μεταφορικής αντιδραστικής αντίστασης
  Η μεταφορική αντιδραστική αντίσταση μπορεί να μειωθεί μέσω:

• Προσθήκης παράλληλων γραμμών μεταφοράς μεταξύ των σημείων σύνδεσης;

• Χρήσης συνδεδεμένων συνεισφορών, οι οποίες μειώνουν την αντιδραστική αντίσταση της γραμμής;

• Ενσωμάτωσης σειριακών καπασιτόρων στη γραμμή.

Οι σειριακοί καπασίτορες χρησιμοποιούνται κυρίως σε εξαιρετικά υψηλές τάσεις (EHV) γραμμές για την αύξηση της απόδοσης μεταφοράς ενέργειας και είναι οικονομικά πιο εφικτοί για αποστάσεις πάνω από 350 χιλιόμετρα.