Vakauden ylläpitäminen sähköverkoissa: Määritelmä aiheuttajat ja parannusmenetelmät

Vakavuuden stabiilisuuden määritelmä

Vakavuuden stabiilisuus määritellään sähköverkon kyvyn ylläpitää alkuperäistä toimintatilaa pieniä häiriöitä seuraten, tai supistua tilaan, joka lähenee alkuperäistä tilaa, jos häiriö jatkuu. Tämä käsite on ratkaisevan tärkeä sähköverkon suunnittelussa ja suunnitteluun, erikoistuneiden automaattisten ohjauslaitteiden kehityksessä, uusien järjestelmäkomponenttien ottamisessa käyttöön sekä toimintatilojen säätämisessä.

Vakavuuden stabiilisuusrajan arviointi on olennainen osa sähköverkon analyysiä, joka kattaa järjestelmän suorituskyvyn tarkistamisen määritellyissä vakavuuden olosuhteissa, stabiilisuusrajojen määrittelyn, transitoriprosessien laadullisen arvioinnin ja tekijöiden, kuten herätejärjestelmän ja sen ohjausten tyyppien, ohjaustavan, sekä herättely- ja automaatiojärjestelmien parametrien arvioinnin.

Stabiilisuusvaatimukset määritellään stabiilisuusrajan, sähköenergian laadun vakavuuden olosuhteissa ja transitorisuorituksen perusteella. Vakavuuden stabiilisuusraja viittaa maksimaaliseen tehoon, jota voidaan ylläpitää tietyssä pisteessä järjestelmässä ilman epävakautta, kun teho kasvatetaan asteittain.

Sähköverkon analyysissä kaikki koneet yhden segmentin sisällä käsitellään yhtenä isona koneena, joka on kytketty kyseiseen pisteeseen - vaikka ne eivät olisi suoraan linkitetty samaan bussiin ja niitä erottaisi merkittävä reaktanssi. Isoihin järjestelmiin yleensä oletetaan vakiojännite ja ne mallinnetaan äärettömänä bussina.

Oletetaan järjestelmä, joka koostuu generaattorista (G), siirtolinjasta ja synkronoidusta moottorista (M) toimien kuormana.

Alla oleva ilmaisu antaa generaattorin G ja synkronoidun moottorin M tuottaman tehon.

Alla oleva ilmaisu antaa generaattorin G ja synkronoidun moottorin M tuottaman maksimitehon.

Tässä A, B ja D edustavat kahden päätteen koneen yleistettyjä vakioita. Yllä oleva ilmaisu antaa tehon vattein, laskettuna vaiheittain - olettaen, että käytetyt jännitteet ovat vaihejännitteitä voltteina.

Järjestelmän epävakauden syyt

Oletetaan synkronoidun moottorin kytkettyä äärettömään bussiin, joka toimii vakioajalla. Sen syöttötulo on yhtä suuri kuin lähtötulo plus hukka. Jos lisätään pieni lisä kuormaan, moottorin lähtötulo kasvaa, kun taas syöttötulo pysyy muuttumattomana. Tämä luo nettohitausmomentin, joka aiheuttaa moottorin nopeuden väliaikaisen pudotuksen.

Kun hitausmomentti vähentää moottorin nopeutta, moottorin sisäisen jännitteen ja järjestelmän jännitteen välisen vaihekulman kasvaa, kunnes sähköinen syöttötulo on yhtä suuri kuin lähtötulo plus hukka.

Tässä väliaikaisessa vaiheessa, koska moottorin sähköinen syöttötulo on pienempi kuin mekaninen kuorma, tarvittava ylitulli vedetään kiertävän järjestelmän varastoitusta energiasta. Moottori heilahtelee tasapainopisteen ympärillä ja saattaa lopulta pysähtyä tai menettää synkronisuutensa.

Järjestelmä myös menettää vakautuksensa, kun suuri kuorma lisätään tai kun kuorma lisätään liian nopeasti koneeseen.

Alla oleva yhtälö kuvaa maksimitulosta, jonka moottori voi tuottaa. Tämä maksimikuorma on mahdollista vain, kun tehokulma (δ) on yhtä suuri kuin kuormakulma (β). Kuorma voi kasvaa, kunnes tämä ehto täyttyy; tämän pisteen jälkeen mikä tahansa lisäkuorma aiheuttaa koneen menettävän synkronisuutensa riittämättömän tulon vuoksi.

Puutetta tuotetaan kiertävän järjestelmän varastoitusta energiasta, mikä johtaa nopeuden laskuun. Kun puute kasvaa, kulma vähenee asteittain, kunnes moottori pysähtyy.

Mille tahansa δ:lle moottorin ja generaattorin tuottaman tehon erotus on linjahukka. Jos linjan vastus ja rinnakkaistekijä ovat huomiotta jäävät, vaihtojenkkitiet ja moottorin välillä siirretty voima voidaan ilmaista seuraavasti:

Missä, X - linjan reaktanssi

• V_G – generaattorin jännite

• V_M – moottorin jännite

• δ – Kuormakulma

• P_M – moottorin teho

• P_G – moottorin teho

• P_max – maksimiteho

Menetelmiä vakavuuden stabiilisuusrajan parantamiseksi

Maksimiteho, joka siirretään vaihtojenkkitiet ja moottorin välillä, on suoraan verrannollinen niiden sisäisten sähkömoottoreiden (EMF) tuotteeseen ja kääntäen verrannollinen linjan reaktanssiin. Vakavuuden stabiilisuusraja voidaan lisätä kahdella pääasiallisella tavalla:

• Generaattorin, moottorin tai molempien herättelyn lisääminen
  Herättelyn lisääminen nostaa koneiden sisäistä EMF:tä, mikä puolestaan lisää niiden välillä siirrettyä maksimitehoa. Lisäksi korkeammat sisäiset EMF:t vähentävät kuormakulmaa (δ).

• Siirtoreaktanssin vähentäminen
  Siirtoreaktanssia voidaan vähentää:

• Lisäämällä paralleelisia siirtolinjoja yhdistyspisteiden välille;

• Käyttämällä sidottuja johtimia, jotka vähentävät linjan reaktanssia;

• Sijoittamalla sarjakapasitanssit linjaan.

Sarjakapasitanssit käytetään pääasiassa erittäin korkean jännitteen (EHV) linjoissa tehostamaan tehonsiirtoa, ja ne ovat taloudellisesti kannattavia etäisyyksille, jotka ylittävät 350 km.