전력 시스템의 정상 상태 안정성: 정의, 원인 및 개선 방법
정상 상태 안정성의 정의
정상 상태 안정성은 전력 시스템이 작은 교란 후 초기 운전 상태를 유지하거나, 교란이 지속될 때 초기 상태와 매우 유사한 상태로 수렴할 수 있는 능력을 의미합니다. 이 개념은 전력 시스템 계획 및 설계, 특수 자동 제어 장치 개발, 새로운 시스템 구성 요소의 가동, 운영 조건 조정 등에서 중요한 역할을 합니다.
정상 상태 안정성 한도의 평가는 전력 시스템 분석에 필수적입니다. 이는 특정 정상 상태 조건 하에서 시스템 성능을 검증하고, 안정성 한도를 결정하며, 일시적인 과정을 질적으로 평가하고, 흥분 시스템의 종류와 그 제어, 제어 모드, 흥분 및 자동화 시스템의 매개변수 등을 평가하는 것을 포함합니다.
안정성 요구 사항은 안정성 한도, 정상 상태 조건 하에서의 전기 에너지 품질, 일시적인 성능에 의해 결정됩니다. 정상 상태 안정성 한도는 점진적으로 전력을 증가시키면서 불안정성을 유발하지 않고 특정 지점에서 유지할 수 있는 최대 전력 흐름을 의미합니다.
전력 시스템 분석에서 단일 세그먼트 내의 모든 기계는 해당 지점에서 연결된 하나의 큰 기계로 간주됩니다. 즉, 동일한 버스에 직접 연결되어 있지 않고 상당한 반응으로 구분되어 있어도 마찬가지입니다. 대규모 시스템은 일반적으로 일정한 전압을 가지며 무한 버스로 모델링됩니다.
발전기(G), 송전선, 부하로 작용하는 동기 모터(M)로 구성된 시스템을 고려해 보겠습니다.
아래 표현은 발전기 G와 동기 모터 M이 발생시키는 전력을 나타냅니다.
아래 표현은 발전기 G와 동기 모터 M이 발생시키는 최대 전력을 나타냅니다.
여기서 A, B, D는 두단자 기계의 일반화된 상수를 나타냅니다. 위 표현은 볼트(V)로 표시된 위상 전압을 사용할 때 와트(W)로 계산된 전력을 제공합니다.
시스템 불안정의 원인
무한 버스바에 연결되어 일정한 속도로 작동하는 동기 모터를 고려해 보겠습니다. 입력 전력은 출력 전력과 손실의 합과 같습니다. 만약 모터의 축 부하에 가장 작은 증가가 추가되면, 모터의 출력 전력은 증가하지만 입력 전력은 변하지 않습니다. 이는 모터의 속도를 일시적으로 감소시키는 순간적인 저항력을 생성합니다.
저항력이 모터의 속도를 줄임에 따라, 모터의 내부 전압과 시스템 전압 사이의 위상각이 증가하여 전기 입력 전력이 출력 전력과 손실의 합과 같아질 때까지 증가합니다.
이 일시적인 간격 동안, 모터의 전기 입력 전력이 기계 부하보다 적으므로, 필요한 초과 전력은 회전 시스템의 저장 에너지로부터 공급됩니다. 모터는 균형점 주변에서 진동하며, 결국 멈추거나 동기화를 잃을 수 있습니다.
큰 부하가 적용되거나, 부하가 너무 빨리 기계에 적용될 때 시스템은 또한 불안정성을 잃습니다.
아래 식은 모터가 발생시킬 수 있는 최대 전력을 설명합니다. 이 최대 부하는 전력 각(δ)이 부하 각(β)과 같을 때만 달성 가능합니다. 이 조건을 만족할 때까지 부하는 증가할 수 있으며, 이점을 넘어서는 더 이상의 부하 증가는 출력 전력 부족으로 인해 기계가 동기화를 잃게 됩니다.
결손된 전력은 회전 시스템의 저장 에너지로 공급되며, 이로 인해 속도가 감소합니다. 결손된 전력이 커짐에 따라 각도는 점차 감소하여 모터가 멈춥니다.
주어진 δ에 대해, 모터와 발전기가 발생시키는 전력의 차이는 선 손실과 같습니다. 선의 저항과 셔트 어드미턴스가 무시할 정도로 작다면, 발전기와 모터 사이의 전력 전송은 다음과 같이 표현될 수 있습니다:
여기서, X - 선 반응
VG - 발전기의 전압
VM - 모터의 전압
δ - 부하 각
PM - 모터의 전력
PG - 발전기의 전력
Pmax - 최대 전력
정상 상태 안정성 한도 개선 방법
발전기와 모터 사이에 전송되는 최대 전력은 그들의 내부 전기 동력(EF)의 곱과 비례하며, 선 반응과는 반비례합니다. 정상 상태 안정성 한도는 다음 두 가지 주요 접근 방식을 통해 증가시킬 수 있습니다:
직렬 콘덴서는 주로 350km를 초과하는 거리에서 경제적으로 효율적인 EHV 선에 사용되어 전력 전송 효율을 높입니다.
