Stabilność stanu ustalonego w systemach elektroenergetycznych: Definicja przyczyny i metody poprawy

Definicja stabilności stanu ustalonego

Stabilność stanu ustalonego definiuje się jako zdolność systemu elektroenergetycznego do utrzymania początkowych warunków pracy po niewielkim zakłóceniu, lub do zbieżności do stanu bliskiego stanowi początkowemu, gdy zakłócenie trwa. Ten pojęcie ma kluczowe znaczenie w planowaniu i projektowaniu systemów energetycznych, rozwoju specjalistycznych urządzeń automatycznej kontroli, wprowadzaniu nowych elementów systemu oraz dostosowywaniu warunków pracy.

Ocena granicy stabilności stanu ustalonego jest niezbędna do analizy systemu energetycznego, która obejmuje weryfikację wydajności systemu w określonych warunkach stanu ustalonego, określanie granic stabilności, jakościową ocenę procesów przejściowych oraz ocenę czynników takich jak typ systemu wzbudzenia i jego sterowania, tryby sterowania oraz parametry systemów wzbudzenia i automatyzacji.

Wymagania dotyczące stabilności są określane przez granicę stabilności, jakość energii elektrycznej w stanie ustalonym oraz wydajność przejściową. Granica stabilności stanu ustalonego odnosi się do maksymalnego przepływu mocy przez określony punkt w systemie, który może być utrzymywany bez wywoływania niestabilności, gdy moc jest stopniowo zwiększana.

W analizie systemu energetycznego wszystkie maszyny w jednym segmencie są traktowane jako jedna duża maszyna podłączona w tym punkcie – nawet jeśli nie są one bezpośrednio połączone z tym samym szyną i są oddzielone istotnymi reaktywami. W dużych systemach zakładamy stałe napięcie i modelujemy je jako nieskończoną szynę.

Rozważmy system składający się z generatora (G), linii przesyłowej i silnika synchronicznego (M) działającego jako obciążenie.

Poniższe wyrażenie przedstawia moc generowaną przez generator G i silnik synchroniczny M.

Poniższe wyrażenie przedstawia maksymalną moc generowaną przez generator G i silnik synchroniczny M.

Tutaj, A, B i D oznaczają uogólnione stałe dwustronnego urządzenia. Powyższe wyrażenie daje moc w watbach, obliczoną na fazę – pod warunkiem, że użyte napięcia to napięcia fazowe w woltach.

Przyczyny niestabilności systemu

Rozważmy silnik synchroniczny podłączony do nieskończonej szyny, działający ze stałą prędkością. Jego moc wejściowa równa się mocy wyjściowej plus straty. Jeśli dodamy najmniejszy przyrost obciążenia wału, moc wyjściowa silnika zwiększa się, podczas gdy moc wejściowa pozostaje niezmieniona. To tworzy netto hamujący moment, powodując tymczasowe spadki prędkości silnika.

Gdy hamujący moment zmniejsza prędkość silnika, kąt fazowy między wewnętrznym napięciem silnika a napięciem systemu zwiększa się, aż do momentu, gdy moc wejściowa elektryczna równa się mocy wyjściowej plus straty.

Podczas tego okresu przejściowego, ponieważ moc wejściowa elektryczna silnika jest mniejsza niż obciążenie mechaniczne, potrzebna dodatkowa moc jest pobierana z energii magazynowanej w układzie wirującym. Silnik oscyluje wokół punktu równowagi i może ostatecznie albo zatrzymać się, albo stracić synchronizację.

System również traci stabilność, gdy stosuje się duże obciążenie lub gdy obciążenie jest zastosowane zbyt szybko do maszyny.

Poniższe równanie opisuje maksymalną moc, jaką silnik może wytworzyć. Ta maksymalna moc jest osiągalna tylko wtedy, gdy kąt mocy (δ) równa się kątowi obciążenia (β). Obciążenie może wzrosnąć do momentu spełnienia tego warunku; po przekroczeniu tego punktu, dalszy wzrost obciążenia spowoduje, że maszyna straci synchronizację z powodu niewystarczającej mocy wyjściowej.

Brakująca moc zostanie następnie dostarczona z energii magazynowanej w układzie wirującym, co prowadzi do spadku prędkości. Gdy brak mocy staje się większy, kąt stopniowo maleje, aż silnik zatrzyma się.

Dla danego δ, różnica między mocą wytworzoną przez silnik i generator równa się stratom liniowym. Jeśli opór i dopuszczalność boczna linii są zaniedbywalne, moc przesyłana między alternatorem a silnikiem może być wyrażona następująco:

Gdzie, X – reaktancja linii

• V_G – napięcie generatora

• V_M – napięcie silnika

• δ – Kąt obciążenia

• P_M – Moc silnika

• P_G – Moc silnika

• P_max – maksymalna moc

Metody poprawy granicy stabilności stanu ustalonego

Maksymalna moc przesyłana między alternatorem a silnikiem jest proporcjonalna do iloczynu ich wewnętrznych sił elektromotorycznych (EMF) i odwrotnie proporcjonalna do reaktancji linii. Granicę stabilności stanu ustalonego można zwiększyć dwiema głównymi metodami:

• Zwiększenie wzbudzenia generatora, silnika lub obu
  Zwiększenie wzbudzenia podnosi wewnętrzną EMF maszyn, co z kolei zwiększa maksymalną moc przesyłaną między nimi. Dodatkowo, wyższe wewnętrzne EMF zmniejszają kąt obciążenia (δ).

• Zmniejszenie reaktancji przesyłowej
  Reaktancję przesyłową można obniżyć przez:

• Dodanie równoległych linii przesyłowych między punktami połączeń;

• Użycie skręconych przewodników, które zmniejszają reaktancję linii;

• Wprowadzenie kondensatorów szeregowych w linii.

Kondensatory szeregowe są głównie stosowane w liniach nadwysokiego napięcia (EHV) do zwiększenia efektywności przesyłania mocy i są bardziej ekonomiczne dla odległości przekraczających 350 km.