Stalna stabilnost u elektroenergetskim sistemima: Definicija uzroci i metode poboljšanja

Definicija stabilnosti u stacionarnom stanju

Stabilnost u stacionarnom stanju definisana je kao sposobnost električnog sistema da održi svoje početno radno stanje nakon male perturbacije, ili da konvergira u stanje koje se čvrsto približava početnom stanju kada perturbacija traje. Ovaj koncept ima ključnu važnost u planiranju i projektovanju sistema snabdevanja električnom energijom, razvoju specijalizovanih automatskih kontrolnih uređaja, komisionisanju novih komponenti sistema i prilagođavanju uslova rada.

Procena granice stabilnosti u stacionarnom stanju je neophodna za analizu sistema snabdevanja električnom energijom, što uključuje proveru performansi sistema pod određenim stacionarnim uslovima, određivanje granica stabilnosti, kvalitativnu procenu prelaznih procesa i ocenu faktora poput tipa sistema pobude i njegovih kontrola, načina kontrole, i parametara sistema pobude i automatizacije.

Zahtevi za stabilnost su određeni granicom stabilnosti, kvalitetom električne energije pod stacionarnim uslovima i prelaznim performansama. Granica stabilnosti u stacionarnom stanju odnosi se na maksimalni protok snage kroz određenu tačku u sistemu koji može biti održan bez izazivanja nestabilnosti kada se snaga postepeno povećava.

U analizi sistema snabdevanja električnom energijom, svi motori unutar jednog segmenta tretirani su kao jedan veliki motor spojen na toj tački—čak i ako nisu direktno povezani sa istom magistralom i razdvojeni su značajnim reaktancama. Veliki sistemi obično se pretpostavljaju da imaju konstantnu naponsku razinu i modelirani su kao beskonačna magistrala.

Razmotrimo sistem koji se sastoji od generatora (G), vodice za prijenos, i sinkronog motora (M) koji funkcioniše kao opterećenje.

Ispod data je izraz koja daje snagu razvijenu od strane generatora G i sinkronog motora M.

Ispod dat je izraz koji daje maksimalnu snagu generisanu od strane generatora G i sinkronog motora M

Ovdje, A, B i D predstavljaju generalizovane konstante dvoterminalnog mašine. Navedeni izraz daje snagu u vatima, izračunatu po fazama—pod uslovom da se koriste fazonaponi u voltima.

Razlozi za nestabilnost sistema

Razmotrimo sinkroni motor povezan na beskonačnu magistralu, koji radi na konstantnoj brzini. Njegova ulazna snaga jednaka je izlaznoj snazi plus gubitcima. Ako najmanji prirastak opterećenja na vrtaču dodat je motoru, izlazna snaga motora se povećava dok ostane nepromenjena ulazna snaga. To stvara neto usporavajući moment, uzrokujući privremeno pada brzine motora.

Kako usporavajući moment smanjuje brzinu motora, fazni ugao između unutrašnjeg naponog motora i naponog sistema se povećava dok električna ulazna snaga ne bude jednaka izlaznoj snazi plus gubitcima.

Tokom ovog prelaznog intervala, budući da je električna ulazna snaga motora manja od mehaničkog opterećenja, potrebna je prekomjerna snaga iz skladištenih energija u rotirajućem sistemu. Motor osciluje oko tačke ravnoteže i može konačno prestati ili izgubiti sinhronizam.

Sistem takođe gubi stabilnost kada se veliko opterećenje primeni ili kada se opterećenje primeni prebrzo na mašinu.

Ispod dati je izraz koji opisuje maksimalnu snagu koju motor može razviti. Ova maksimalna opterećenja dostižu se samo kada ugao snage (δ) jednak je uglu opterećenja (β). Opterećenje može rasti sve dok se ne ispunjava ovaj uslov; izvan toga, dalji porast opterećenja uzrokovat će mašini da izgubi sinhronizam zbog nedostatka izlazne snage.

Nedostatak snage će se onda nadoknaditi iz skladištenih energija rotirajućeg sistema, što dovodi do pada brzine. Kako nedostatak snage postaje veći, ugao se postepeno smanjuje dok motor ne stane.

Za svaki zadati δ, razlika između snage razvijene od strane motora i generatora jednaka je gubitcima na liniji. Ako su otpor linije i shunt admittance zanemarivi, snaga prenesena između alternatora i motora može se izraziti na sledeći način:

Gdje, X – reaktivni otpor linije

• V_G – naponska razina generatora

• V_M – naponska razina motora

• δ – Ugao opterećenja

• P_M – Snaga motora

• P_G – Snaga generatora

• P_max – maksimalna snaga

Metode za poboljšanje granice stabilnosti u stacionarnom stanju

Maksimalna snaga prenesena između alternatora i motora direktno je proporcionalna produktu njihovih unutrašnjih elektromotornih snaga (EMF) i obrnuto proporcionalna reaktivnom otporu linije. Granicu stabilnosti u stacionarnom stanju može se povećati putem dva glavna pristupa:

• Povećanjem pobude generatora, motora ili oba
  Poboljšanje pobude povećava unutrašnju EMF mašina, što uvećava maksimalnu prenesenu snagu između njih. Takođe, više unutrašnje EMF smanjuju ugao opterećenja (δ).

• Smanjenjem prenosnog reaktivnog otpora
  Prenosni reaktivni otpor se može smanjiti na sledeće načine:

• Dodavanjem paralelnih vodica za prijenos između tačaka spajanja;

• Korišćenjem bundliranih vodnika, koji smanjuju reaktivni otpor linije;

• Uključivanjem serijalnih kondenzatora u liniju.

Serijalni kondenzatori se uglavnom koriste u EHV linijama kako bi se povećala efikasnost prenosa snage i ekonomično su isplativi za udaljenosti veće od 350 km.