Staatssysteemstabiliteit in elektriciteitsnetwerken: Definitie oorzaken en verbeteringsmethoden

Definitie van Statische Stabiliteit

Statische stabiliteit wordt gedefinieerd als de mogelijkheid van een elektriciteitsnet om zijn initiële werkingstoestand te handhaven na een kleine verstoring, of om te convergeren naar een toestand die nauwkeurig de initiële toestand benadert wanneer de verstoring aanhoudt. Dit concept is cruciaal voor het plannen en ontwerpen van elektriciteitsnetten, de ontwikkeling van gespecialiseerde automatische regelapparatuur, het in gebruik nemen van nieuwe systeemcomponenten en het aanpassen van werkingstoestanden.

De beoordeling van de limiet van statische stabiliteit is essentieel voor de analyse van elektriciteitsnetten, wat omvat het controleren van de prestaties van het systeem onder gespecificeerde statische toestanden, het bepalen van stabiliteitslimieten, de kwalitatieve evaluatie van tijdelijke processen en de evaluatie van factoren zoals het type opwekkingssysteem en de bijbehorende regelingen, regelmodi en parameters van opwekking- en automatiseringsystemen.

Stabiliteitsvereisten worden bepaald door de stabiliteitslimiet, de kwaliteit van elektriciteit onder statische toestanden en tijdelijke prestaties. De limiet van statische stabiliteit verwijst naar de maximale stroomkracht door een specifiek punt in het systeem die kan worden gehandhaafd zonder instabiliteit te veroorzaken wanneer de stroomkracht geleidelijk wordt verhoogd.

Bij de analyse van elektriciteitsnetten worden alle machines binnen een enkel segment behandeld als één grote machine verbonden op dat punt—zelfs als ze niet direct verbonden zijn met dezelfde bus en gescheiden zijn door aanzienlijke reactanties. Grote systemen worden doorgaans verondersteld een constante spanning te hebben en worden gemodelleerd als een oneindige bus.

Overweeg een systeem bestaande uit een generator (G), een transmissielijn en een synchrone motor (M) die fungeert als belasting.

De formule hieronder geeft de stroomkracht die wordt geproduceerd door een generator G en een synchrone motor M.

De formule hieronder geeft de maximale stroomkracht die wordt geproduceerd door de generator G en de synchrone motor M.

Hierbij vertegenwoordigen A, B en D de algemene constanten van de twee-eindmachine. De bovenstaande formule levert vermogen in watt, berekend per fase—mits de gebruikte spanningen fasespanningen in volt zijn.

Redenen voor Systeeminstabiliteit

Overweeg een synchrone motor verbonden met een oneindige busbar, werkend op constante snelheid. Het ingangvermogen is gelijk aan het uitgangvermogen plus verliezen. Als er een kleinste verhoging van de asbelasting aan de motor wordt toegevoegd, neemt het uitgangvermogen van de motor toe terwijl het ingangvermogen onveranderd blijft. Dit creëert een netto remmend moment, waardoor de snelheid van de motor tijdelijk daalt.

Terwijl het remmende moment de motorknelheid vermindert, neemt de fasehoek tussen de interne spanning van de motor en de systeemspanning toe totdat het elektrische ingangvermogen gelijk is aan het uitgangvermogen plus verliezen.

Tijdens dit tijdelijke interval, aangezien het elektrische ingangvermogen van de motor minder is dan de mechanische belasting, wordt het extra vereiste vermogen getrokken uit de opgeslagen energie in het draaiende systeem. De motor oscilleert rond het evenwichtspunt en kan uiteindelijk tot stilstand komen of synchronisatie verliezen.

Een systeem raakt ook instabiel wanneer er een grote belasting wordt toegevoegd of wanneer de belasting te plotseling wordt toegevoegd aan de machine.

De formule hieronder beschrijft het maximale vermogen dat een motor kan ontwikkelen. Deze maximale belasting is alleen haalbaar wanneer de vermogenshoek (δ) gelijk is aan de belastingshoek (β). De belasting kan toenemen totdat deze conditie is voldaan; daarbuiten zal elke verdere belastingsverhoging de machine doen synchronisatie verliezen wegens ontoereikend vermogen.

Het tekort aan vermogen wordt dan geleverd door de opgeslagen energie van het draaiende systeem, wat leidt tot een daling van de snelheid. Naarmate het vermogenstekort groter wordt, neemt de hoek geleidelijk af totdat de motor tot stilstand komt.

Voor elke gegeven δ is het verschil tussen het vermogen dat door de motor en de generator wordt ontwikkeld, gelijk aan de lijnverliezen. Als de weerstand en de schakelparalleladmittantie van de lijn verwaarloosbaar zijn, kan het overgedragen vermogen tussen de alternator en de motor als volgt worden uitgedrukt:

Waarbij, X — lijnreactantie

• V_G — spanning van generator

• V_M — spanning van motor

• δ — Belastingshoek

• P_M — Vermogen van motor

• P_G — Vermogen van generator

• P_max — maximaal vermogen

Methoden om de Limiet van Statische Stabiliteit te Verbeteren

Het maximale overgedragen vermogen tussen een alternator en een motor is recht evenredig met het product van hun interne elektromotiviteiten (EMF's) en omgekeerd evenredig met de lijnreactantie. De limiet van statische stabiliteit kan worden verhoogd door twee primaire methoden:

• Het verhogen van de opwekking van de generator, de motor of beide
  Het verhogen van de opwekking verhoogt de interne EMF van de machines, wat op zijn beurt het maximaal overgedragen vermogen tussen hen verhoogt. Daarnaast verlagen hogere interne EMF's de belastingshoek (δ).

• Het verminderen van de overdrachtreactantie
  De overdrachtreactantie kan worden verlaagd door:

• Parallelle transmissielijnen toevoegen tussen de aansluitpunten;

• Gebruik maken van gebundelde geleiders, die de lijnreactantie verlagen;

• Serierecapacitoren in de lijn integreren.

Serierecapacitoren worden voornamelijk gebruikt in extra-hoogspanningslijnen (EHV) om de efficiëntie van de stroomoverdracht te verhogen en zijn economisch haalbaarder voor afstanden van meer dan 350 km.