Stabilità a Stato Stazionario nei Sistemi Elettrici: Definizione Causali e Metodi di Miglioramento

Definizione della Stabilità a Stato Stazionario

La stabilità a stato stazionario è definita come la capacità di un sistema elettrico di mantenere le sue condizioni iniziali di funzionamento dopo una piccola perturbazione, o di convergere verso uno stato che approssima strettamente la condizione iniziale quando la perturbazione persiste. Questo concetto riveste un'importanza critica nella pianificazione e progettazione dei sistemi elettrici, nello sviluppo di dispositivi automatici di controllo specializzati, nella messa in servizio di nuovi componenti del sistema e nell'adattamento delle condizioni operative.

La valutazione del limite di stabilità a stato stazionario è essenziale per l'analisi del sistema elettrico, che include la verifica delle prestazioni del sistema in determinate condizioni a stato stazionario, la determinazione dei limiti di stabilità, la valutazione qualitativa dei processi transitori e la valutazione di fattori come il tipo di sistema di eccitazione e i suoi controlli, le modalità di controllo e i parametri dei sistemi di eccitazione e automazione.

I requisiti di stabilità sono determinati dal limite di stabilità, dalla qualità dell'energia elettrica in condizioni a stato stazionario e dalle prestazioni transitorie. Il limite di stabilità a stato stazionario si riferisce al massimo flusso di potenza attraverso un punto specifico del sistema che può essere mantenuto senza scatenare instabilità quando il potere viene gradualmente aumentato.

Nell'analisi del sistema elettrico, tutte le macchine all'interno di un singolo segmento vengono trattate come una singola grande macchina collegata a quel punto, anche se non sono direttamente collegate alla stessa barra e sono separate da reattanze significative. I sistemi su larga scala sono tipicamente considerati con una tensione costante e modellati come una barra infinita.

Consideriamo un sistema composto da un generatore (G), una linea di trasmissione e un motore sincrono (M) che funge da carico.

L'espressione mostrata di seguito fornisce il potere sviluppato da un generatore G e un motore sincrono M.

L'espressione sottostante fornisce il potere massimo generato dal generatore G e dal motore sincrono M.

Qui, A, B e D rappresentano le costanti generalizzate della macchina a due terminali. L'espressione sopra fornisce il potere in watt, calcolato per fase, purché le tensioni utilizzate siano tensioni di fase in volt.

Ragioni per l'Instabilità del Sistema

Consideriamo un motore sincrono collegato a una barra infinita, operante a velocità costante. Il suo potere d'ingresso è uguale al potere d'uscita più le perdite. Se si aggiunge il minimo incremento di carico sullo scambiatore, il potere d'uscita del motore aumenta mentre il potere d'ingresso rimane invariato. Ciò crea un momento frenante netto, causando una diminuzione temporanea della velocità del motore.

A misura che il momento frenante riduce la velocità del motore, l'angolo di fase tra la tensione interna del motore e la tensione del sistema aumenta fino a quando il potere elettrico d'ingresso è uguale al potere d'uscita più le perdite.

Durante questo intervallo transitorio, poiché il potere elettrico d'ingresso del motore è inferiore al carico meccanico, l'eccesso di potere richiesto viene prelevato dall'energia accumulata nel sistema rotante. Il motore oscilla intorno al punto di equilibrio e potrebbe eventualmente fermarsi o perdere la sincronizzazione.

Un sistema perde anche la stabilità quando viene applicato un carico elevato o quando un carico viene applicato troppo rapidamente alla macchina.

L'equazione sottostante descrive il massimo potere che un motore può sviluppare. Questo carico massimo è raggiungibile solo quando l'angolo di potere (δ) è uguale all'angolo di carico (β). Il carico può aumentare fino a quando questa condizione è soddisfatta; oltre questo punto, qualsiasi ulteriore aumento del carico causerà la perdita di sincronizzazione della macchina a causa di un potere insufficiente.

Il deficit di potere sarà quindi fornito dall'energia accumulata del sistema rotante, portando a una diminuzione della velocità. Man mano che il deficit di potere diventa maggiore, l'angolo diminuisce gradualmente fino a quando il motore si ferma.

Per ogni δ dato, la differenza tra il potere sviluppato dal motore e dal generatore è uguale alle perdite sulla linea. Se la resistenza e l'ammettenza shunt della linea sono trascurabili, il potere trasferito tra l'alternatore e il motore può essere espresso come segue:

Dove, X – reattanza della linea

• V_G – tensione del generatore

• V_M – tensione del motore

• δ – Angolo di Carico

• P_M – Potere del motore

• P_G – Potere del generatore

• P_max – potere massimo

Metodi per Migliorare il Limite di Stabilità a Stato Stazionario

Il massimo potere trasferito tra un alternatore e un motore è direttamente proporzionale al prodotto delle loro forze elettromotrici interne (FEM) e inversamente proporzionale alla reattanza della linea. Il limite di stabilità a stato stazionario può essere aumentato attraverso due approcci principali:

• Aumentare l'eccitazione del generatore, del motore o di entrambi
  Aumentare l'eccitazione eleva la FEM interna delle macchine, che a sua volta aumenta il massimo potere trasferito tra di esse. Inoltre, FEM interne più elevate riducono l'angolo di carico (δ).

• Ridurre la reattanza di trasferimento
  La reattanza di trasferimento può essere ridotta mediante:

• Aggiunta di linee di trasmissione parallele tra i punti di connessione;

• Utilizzo di conduttori fasciati, che riducono la reattanza della linea;

• Incorporazione di condensatori in serie nella linea.

I condensatori in serie vengono principalmente utilizzati nelle linee ad extra-alta tensione (EHV) per aumentare l'efficienza del trasferimento di potenza ed sono più economicamente vantaggiosi per distanze superiori a 350 km.