Устойчивость в установившемся режиме в энергосистемах: определение причины и методы улучшения

Определение устойчивости в установившемся режиме

Устойчивость в установившемся режиме определяется как способность электрической системы поддерживать свои начальные условия работы после небольшого возмущения или сходиться к состоянию, близкому к начальному, если возмущение продолжается. Этот концепт имеет критическое значение при планировании и проектировании систем электроснабжения, разработке специализированных автоматических устройств управления, вводе в эксплуатацию новых компонентов системы и корректировке условий работы.

Оценка предела устойчивости в установившемся режиме необходима для анализа систем электроснабжения, который включает проверку производительности системы при заданных условиях установившегося режима, определение пределов устойчивости, качественную оценку переходных процессов и оценку таких факторов, как тип системы возбуждения и ее регуляторы, режимы управления и параметры систем возбуждения и автоматизации.

Требования к устойчивости определяются пределом устойчивости, качеством электроэнергии в установившемся режиме и переходными характеристиками. Предел устойчивости в установившемся режиме относится к максимальному потоку мощности через определенную точку системы, который можно поддерживать без вызова неустойчивости при постепенном увеличении мощности.

В анализе систем электроснабжения все машины в одном сегменте рассматриваются как одна большая машина, подключенная в этой точке, даже если они не связаны напрямую с одной шиной и разделены значительными реактивностями. Крупные системы обычно предполагаются с постоянным напряжением и моделируются как бесконечная шина.

Рассмотрим систему, состоящую из генератора (G), линии передачи и синхронного двигателя (M), выполняющего функцию нагрузки.

Выражение, приведенное ниже, дает мощность, развиваемую генератором G и синхронным двигателем M.

Выражение, приведенное ниже, дает максимальную мощность, генерируемую генератором G и синхронным двигателем M.

Здесь A, B и D представляют обобщенные константы двухтерминальной машины. Вышеуказанное выражение дает мощность в ваттах, рассчитанную на фазу, при условии, что используемые напряжения являются фазными напряжениями в вольтах.

Причины неустойчивости системы

Рассмотрим синхронный двигатель, подключенный к бесконечной шине, работающий на постоянной скорости. Его входная мощность равна выходной мощности плюс потери. Если добавить самое маленькое увеличение нагрузки на валу двигателя, его выходная мощность возрастет, а входная мощность останется неизменной. Это создает чистый тормозящий момент, вызывающий временное снижение скорости двигателя.

По мере того, как тормозящий момент снижает скорость двигателя, угол между внутренним напряжением двигателя и напряжением системы увеличивается до тех пор, пока электрическая входная мощность не станет равна выходной мощности плюс потери.

Во время этого переходного интервала, поскольку электрическая входная мощность двигателя меньше механической нагрузки, недостающая мощность берется из запасенной энергии вращающейся системы. Двигатель колеблется вокруг точки равновесия и может в конечном итоге остановиться или потерять синхронизм.

Система также теряет устойчивость, когда к машине применяется большая нагрузка или когда нагрузка применяется слишком внезапно.

Уравнение, приведенное ниже, описывает максимальную мощность, которую может развить двигатель. Этот максимальный уровень нагрузки достижим только тогда, когда угол мощности (δ) равен углу нагрузки (β). Нагрузка может увеличиваться до тех пор, пока это условие не будет выполнено; за этим пределом любое дальнейшее увеличение нагрузки вызовет потерю синхронизма машины из-за недостаточной мощности.

Недостающая мощность затем будет поставляться за счет запасенной энергии вращающейся системы, что приведет к снижению скорости. По мере увеличения дефицита мощности угол постепенно уменьшается до тех пор, пока двигатель не остановится.

Для любого данного δ разница между мощностью, развиваемой двигателем и генератором, равна потерям в линии. Если сопротивление и параллельная проводимость линии пренебрежимо малы, мощность, передаваемая между генератором и двигателем, может быть выражена следующим образом:

Где X — индуктивное сопротивление линии

• V_G — напряжение генератора

• V_M — напряжение двигателя

• δ — угол нагрузки

• P_M — мощность двигателя

• P_G — мощность генератора

• P_max — максимальная мощность

Методы повышения предела устойчивости в установившемся режиме

Максимальная мощность, передаваемая между генератором и двигателем, прямо пропорциональна произведению их внутренних ЭДС и обратно пропорциональна индуктивному сопротивлению линии. Предел устойчивости в установившемся режиме можно увеличить двумя основными методами:

• Увеличение возбуждения генератора, двигателя или обоих
  Усиление возбуждения повышает внутреннюю ЭДС машин, что, в свою очередь, увеличивает максимальную мощность, передаваемую между ними. Кроме того, более высокие внутренние ЭДС уменьшают угол нагрузки (δ).

• Уменьшение передаточного индуктивного сопротивления
  Передаточное индуктивное сопротивление можно снизить путем:

• Добавления параллельных линий передачи между точками подключения;

• Использования пучковых проводников, которые уменьшают индуктивное сопротивление линии;

• Установки последовательных конденсаторов в линии.

Последовательные конденсаторы в основном используются в сверхвысоковольтных (СВ) линиях для повышения эффективности передачи мощности и экономически целесообразны для расстояний, превышающих 350 км.