Stalna stabilnost u električnim sustavima: Definicija uzroci i metode poboljšanja

Definicija stabilnosti u stacionarnom stanju

Stabilnost u stacionarnom stanju definirana je kao sposobnost električnog sustava da održi svoje početno radno stanje nakon male perturbacije, ili da konvergira u stanje koje je blizu početnom stanju kada perturbacija traje. Ova koncept ima ključnu važnost u planiranju i dizajnu električnih sustava, razvoju specijaliziranih uređaja za automatiku, uvođenju novih komponenti sustava te prilagođavanju uvjeta rada.

Procjena granice stabilnosti u stacionarnom stanju bitna je za analizu električnih sustava, što uključuje provjeru performansi sustava pod određenim stacionarnim uvjetima, određivanje granica stabilnosti, kvalitativnu procjenu prelaznih procesa te procjenu faktora poput vrste napajanja sustava i njegovog upravljanja, načina upravljanja, parametara napajanja i automatizacijskih sustava.

Zahtjevi za stabilnost određeni su granicom stabilnosti, kvalitetom električne energije u stacionarnom stanju i prelaznim performansama. Granica stabilnosti u stacionarnom stanju odnosi se na maksimalni protok snage kroz određenu točku u sustavu koji se može održati bez pokretanja nestabilnosti kada se snaga postupno povećava.

U analizi električnih sustava, svi strojevi unutar jednog segmenta tretiraju se kao jedan veliki stroj spojen u toj točki — čak i ako nisu direktno povezani na istu bus i razdvojeni su značajnim reaktancama. Veliki sustavi tipično se pretpostavlja da imaju konstantnu napetost i modeliraju se kao beskonačna bus.

Razmotrimo sustav s generatorom (G), prijenosnom linijom i sinkronim motorom (M) koji funkcionira kao opterećenje.

Ispod je izraz koji daje snagu razvijenu od strane generatora G i sinkronog motora M.

Ispod je izraz koji daje maksimalnu snagu generiranu od strane generatora G i sinkronog motora M.

Ovdje, A, B i D predstavljaju generalizirane konstante dvoterminalnog stroja. Gornji izraz daje snagu u vatima, izračunatu po fazi — uz pretpostavku da su korištene napetosti fazne napetosti u voltima.

Razlozi za nestabilnost sustava

Razmotrimo sinkroni motor spojen na beskonačnu busbar, koji radi na konstantnoj brzini. Njegova ulazna snaga jednaka je izlaznoj snazi plus gubitcima. Ako se najmanji pribroj na opterećenje vratila dodade motoru, izlazna snaga motora povećava dok ostaje nepromijenjena ulazna snaga. To stvara neto usporavajući moment, što dovodi do privremene padne brzine motora.

Kako usporavajući moment smanjuje brzinu motora, kut između unutarnje napetosti motora i napetosti sustava povećava se sve dok električna ulazna snaga ne postane jednaka izlaznoj snazi plus gubitcima.

Tijekom ovog prelaznog intervala, budući da je električna ulazna snaga motora manja od mehaničkog opterećenja, potrebna je viša snaga koja se povlači iz skladištena energija u rotirajućem sustavu. Motor oscilira oko ravnotežne točke i može eventualno prestati ili izgubiti sinkronizam.

Sustav također gubi stabilnost kada se veliko opterećenje primijeni ili kada se opterećenje primijeni prebrzo na stroj.

Ispod je izraz koji opisuje maksimalnu snagu koju motor može razviti. Ovo maksimalno opterećenje moguće je postići samo kada kut snage (δ) jednak je kutu opterećenja (β). Opterećenje može rasti sve dok se ne ispuni ovaj uvjet; izvan toga, bilo kakvo daljnje povećanje opterećenja uzrokovat će da stroj izgubi sinkronizam zbog nedostatka snage.

Nedostatak snage bi se tada ispunio iz skladištena energija u rotirajućem sustavu, što bi dovelo do pada brzine. Kako se nedostatak snage povećava, kut postupno smanjuje dok motor ne prestane.

Za svaki zadani δ, razlika između snage razvijene od strane motora i generatora jednaka je gubitcima na liniji. Ako je otpor linije i shunt admicija zanemarljivi, snaga prenesena između alternatora i motora može se izraziti sljedećim:

Gdje, X – reaktivna otpornost linije

• V_G – napetost generatora

• V_M – napetost motora

• δ – Kut opterećenja

• P_M – Snaga motora

• P_G – Snaga motora

• P_max – maksimalna snaga

Metode za poboljšanje granice stabilnosti u stacionarnom stanju

Maksimalna snaga prenesena između alternatora i motora direktno je proporcionalna produktu njihovih unutarnjih elektromotornih snaga (EMF) i obrnuto proporcionalna reaktivnoj otpornosti linije. Granica stabilnosti u stacionarnom stanju može se povećati putem dvije glavne metode:

• Povećanjem navoznog napajanja generatora, motora ili oba
  Povećanjem navoznog napajanja povećava se unutarnja EMF strojeva, što povećava maksimalnu prenesenu snagu između njih. Također, veće unutarnje EMF smanjuju kut opterećenja (δ).

• Smanjenjem prenosne reaktivne otpornosti
  Prenosna reaktivna otpornost može se smanjiti:

• Dodavanjem paralelnih prijenosnih linija između spojnih točaka;

• Korištenjem bundliranih vodnika, koji smanjuju reaktivnu otpornost linije;

• Uključivanjem serijalnih kondenzatora u liniju.

Serijalni kondenzatori uglavnom se koriste u extra-high-voltage (EHV) linijama kako bi se povećala učinkovitost prenosa snage i ekonomičnije su za udaljenosti preko 350 km.