Estabilidade de Estado Estacionario nos Sistemas Eléctricos Definición Causas e Métodos de Melhoria

Definición de estabilidade en estado estable

A estabilidade en estado estable defínese como a capacidade dun sistema eléctrico de manter a súa condición inicial de funcionamento despois dunha pequena perturbación, ou converxer a un estado que se aproxime moi de proxecto á condición inicial cando a perturbación persiste. Este concepto ten unha significación crítica no planeamento e deseño de sistemas eléctricos, no desenvolvemento de dispositivos automáticos de control especializados, na puesta en marcha de novos compoñentes do sistema e no axuste das condicións de funcionamento.

A valoración do límite de estabilidade en estado estable é esencial para a análise do sistema eléctrico, o cal inclúe verificar o rendemento do sistema baixo condicións especificadas de estado estable, determinar os límites de estabilidade, avaliar cualitativamente os procesos transitorios e avaliar factores como o tipo de sistema de excitación e os seus controles, os modos de control e os parámetros dos sistemas de excitación e automatización.

Os requisitos de estabilidade déterminanse polo límite de estabilidade, a calidade da enerxía eléctrica baixo condicións de estado estable e o rendemento transitorio. O límite de estabilidade en estado estable refírese ao máximo flujo de potencia a través dun punto específico do sistema que pode manterse sen provocar inestabilidade cando a potencia aumenta gradualmente.

Na análise do sistema eléctrico, todas as máquinas dentro dun segmento único trátanse como unha única máquina grande conectada nese punto, incluso se non están ligadas directamente ao mesmo bus e están separadas por reactancias significativas. Os sistemas de gran escala adoitan supoñerse que teñen unha tensión constante e modelarse como un bus infinito.

Consideremos un sistema que comprende un xerador (G), unha liña de transmisión e un motor síncrono (M) que funciona como carga.

A expresión mostrada a continuación dá a potencia desenvolvida por un xerador G e un motor síncrono M.

A expresión seguinte dá a máxima potencia xerada polo xerador G e o motor síncrono M

Aquí, A, B e D representan as constantes xeralizadas da máquina de dúas terminais. A expresión anterior proporciona a potencia en vatios, calculada por fase, sempre que as voltaxes utilizadas sexan voltaxes de fase en volts.

Razóns para a inestabilidade do sistema

Consideremos un motor síncrono conectado a un busbar infinito, operando a unha velocidade constante. A súa potencia de entrada é igual á potencia de saída máis as perdas. Se se engade a menor incremento de carga ao motor, a potencia de saída do motor aumenta mentres que a súa potencia de entrada permanece inalterada. Isto crea un torque de retardo neto, causando que a velocidade do motor decrece temporalmente.

Ao reducir o torque de retardo a velocidade do motor, o ángulo de fase entre a tensión interna do motor e a tensión do sistema aumenta ata que a potencia eléctrica de entrada sexa igual á potencia de saída máis as perdas.

Durante este intervalo transitorio, xa que a potencia eléctrica de entrada do motor é menor que a carga mecánica, a potencia extra necesaria extraese da enerxía almacenada no sistema rotatorio. O motor oscila arredor do punto de equilibrio e pode acabar deténdose ou perdendo a sincronización.

O sistema tamén perde estabilidade cando se aplica unha carga grande ou cando a carga se aplica de forma demasiado súbita á máquina.

A ecuación seguinte describe a máxima potencia que un motor pode desenvolver. Esta máxima carga só é alcanzable cando o ángulo de potencia (δ) é igual ao ángulo de carga (β). A carga pode aumentar ata que se cumpra esta condición; máis aló deste punto, calquera aumento adicional da carga fará que a máquina perda a sincronización debido a unha potencia de saída insuficiente.

A potencia deficitaria entón fornécese pola enerxía almacenada do sistema rotatorio, levando a unha diminución da velocidade. A medida que o déficit de potencia aumenta, o ángulo diminúe gradualmente ata que o motor pare.

Para un δ dado, a diferenza entre a potencia desenvolvida polo motor e o xerador é igual ás perdas da liña. Se a resistencia da liña e a admitancia en paralelo son desprezables, a potencia transferida entre o alternador e o motor pode expresarse do seguinte xeito:

Onde, X – reactancia da liña

• V_G – tensión do xerador

• V_M – tensión do motor

• δ – Ángulo de carga

• P_M – Potencia do motor

• P_G – Potencia do xerador

• P_max – potencia máxima

Métodos para mellorar o límite de estabilidade en estado estable

A máxima potencia transferida entre un alternador e un motor é directamente proporcional ao produto das súas forzas electromotrices (FEM) internas e inversamente proporcional á reactancia da liña. O límite de estabilidade en estado estable pode aumentarse mediante dous enfoques principais:

• Aumentar a excitación do xerador, do motor ou de ambos
  Melorar a excitación aumenta a FEM interna das máquinas, o que a súa vez aumenta a máxima potencia transferida entre elas. Ademais, as FEM internas máis altas reducen o ángulo de carga (δ).

• Reducir a reactancia de transferencia
  A reactancia de transferencia pode reducirse:

• Engadindo liñas de transmisión paralelas entre os puntos de conexión;

• Utilizando conductores agrupados, que reducen a reactancia da liña;

• Incorporando capacitores en serie na liña.

Os capacitores en serie usáronse principalmente en liñas de alta tensión (HT) para aumentar a eficiencia de transferencia de potencia e son máis económicamente viables para distancias superiores a 350 km.