Stalna stanja stabilnosti v sistemih za električno energijo: Definicija vzroki in metode za izboljšanje

Definicija stabilnosti pri stacionarnem stanju

Stabilnost pri stacionarnem stanju je definirana kot sposobnost električnega omrežja, da ohranja svoje začetno delovno stanje po majhnem motnju ali se približa stanju, ki ga dobro aproksimira, če motnjava traja. Ta koncept ima ključno pomen v načrtovanju in oblikovanju električnih sistemov, razvoju specializiranih avtomatskih naprav, uvedbi novih komponent sistema in prilagajanju delovnih pogojev.

Ocenjevanje meje stabilnosti pri stacionarnem stanju je bistveno za analizo električnega omrežja, ki vključuje preverjanje delovanja sistema pod določenimi stacionarnimi pogoji, določanje mej stabilnosti, kvalitativno ocenjevanje prehodnih procesov in ocenjevanje dejavnikov, kot so vrsta navadnega sistema in njegovih kontrol, načini kontrole ter parametri navadnih in avtomatiziranih sistemov.

Zahteve glede stabilnosti so določene z mejo stabilnosti, kakovostjo električne energije pri stacionarnem stanju in prehodnim delovanjem. Meja stabilnosti pri stacionarnem stanju se nanaša na največji pretok moči skozi določeno točko sistema, ki ga lahko vzdržujemo brez sprožitve nestabilnosti, ko je moč postopoma povečana.

V analizi električnega omrežja so vsi stroji znotraj enega segmenta obravnavani kot en velik stroj, povezan v tej točki – tudi če niso neposredno povezani z istim busom in so ločeni z znatnimi reaktivnostmi. Velika omrežja so tipično predpostavljena, da imajo konstantno napetost in so modelirana kot neskončni bus.

Razmislite o sistemu, sestavljenem iz generatorja (G), prenosne linije in sinhronnega motorja (M), ki deluje kot bremo.

Izraz, prikazan spodaj, daje moč, ki jo ustvari generator G in sinhronni motor M.

Izraz spodaj daje maksimalno moč, ki jo generira generator G in sinhronni motor M.

Tukaj A, B in D predstavljajo posplošene konstante dvotokovnega stroja. Zgoraj navedeni izraz daje moč v vatih, izračunano po fazah – pod pogojem, da uporabljene napetosti so faze napetosti v voltih.

Razlogi za nestabilnost sistema

Razmislite o sinhronnem motorju, povezanem z neskončnim busbarjem, ki deluje na stalni hitrosti. Njegova vhodna moč je enaka izhodni moči plus izgubam. Če je dodan najmanjši prirastek bremena na valjku motorja, se poveča izhodna moč motorja, medtem ko ostane vhodna moč nespremenjena. To ustvarja neto odporno vrtljivo, zaradi katerega začasno pada hitrost motorja.

Ko odporna vrtljiva zmanjša hitrost motorja, se poveča fazni kot med notranjo napetostjo motorja in napetostjo sistema, dokler se električna vhodna moč ne izenači z izhodno močjo plus izgubami.

Med tem prehodnim obdobjem, ker je električna vhodna moč motorja manjša od mehanskega bremena, je presežna potrebna moč odvzeta iz shranjene energije v vrtečem sistemu. Motor oscilira okoli ravnovesne točke in lahko na koncu pride do ustanka ali izgubi sinhronost.

Sistem izgubi tudi stabilnost, ko je nanj postavljen velik naložnik ali če je naložnik postavljen prehitro na stroj.

Spodnja enačba opisuje maksimalno moč, ki jo lahko motor razvije. Ta maksimalni naložnik je dosegljiv le, ko je močni kot (δ) enak kotu bremena (β). Naložnik se lahko poveča, dokler ta pogoji ni izpolnjen; nad to točko bo dodatni naraštaj naložnika povzročil, da stroj izgubi sinhronost zaradi nedostatka moči.

Manjkajoča moč bo potem odvzeta iz shranjene energije v vrtečem sistemu, kar bo vodilo do padca hitrosti. Ko se deficit moči poveča, se kot postopoma zmanjša, dokler motor ne pride do ustanka.

Za dani δ je razlika med močjo, ki jo razvije motor, in generator enaka izgubam v liniji. Če je odpornost in šuntovna prepoznavnost linije zanemarljiva, se moč, prenesena med alternatorjem in motorjem, lahko izrazi kot sledi:

Kjer X – reaktivnost linije

• V_G – napetost generatorja

• V_M – napetost motorja

• δ – kot bremena

• P_M – moč motorja

• P_G – moč generatorja

• P_max – maksimalna moč

Metode za izboljšanje meje stabilnosti pri stacionarnem stanju

Maksimalna moč, prenesena med alternatorjem in motorjem, je neposredno sorazmerna s produktom njunih notranjih elektromotornih sil (EMF) in obratno sorazmerna s reaktivnostjo linije. Mejo stabilnosti pri stacionarnem stanju lahko povečamo z dvema glavnima pristopoma:

• Povečanje navadbe generatorja, motorja ali obeh
  Povečanje navadbe zviša notranjo EMF strojev, kar vodi k povečanju maksimalne prenesene moči med njimi. Poleg tega zvišane notranje EMF zmanjšajo kot bremena (δ).

• Zmanjšanje prenosne reaktivnosti
  Prenosno reaktivnost lahko zmanjšamo z:

• Dodajanjem vzporednih prenosnih linij med povezovalnimi točkami;

• Uporabo združenih vodnikov, ki zmanjšajo reaktivnost linije;

• Vključevanjem serijskih kondenzatorjev v linijo.

Serijski kondenzatorji so predvsem uporabljeni v ekstra visokonapetostnih (EHV) linijah za povečanje učinkovitosti prenosa moči in so gospodarsko bolj pametni za razdalje, večje od 350 km.