ความมั่นคงในภาวะคงที่ของระบบไฟฟ้า: คำจำกัดความ สาเหตุ และวิธีการปรับปรุง

นิยามของความมั่นคงในภาวะคงที่

ความมั่นคงในภาวะคงที่ถูกกำหนดว่าเป็นความสามารถของระบบไฟฟ้าในการรักษาสภาพการดำเนินงานเริ่มต้นหลังจากเกิดการรบกวนเล็กน้อย หรือกลับมาสู่สถานะที่ใกล้เคียงกับสภาพเริ่มต้นเมื่อมีการรบกวนอย่างต่อเนื่อง แนวคิดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการวางแผนและออกแบบระบบไฟฟ้า การพัฒนาอุปกรณ์ควบคุมอัตโนมัติเฉพาะทาง การนำเข้าส่วนประกอบใหม่ของระบบ และการปรับเปลี่ยนสภาพการดำเนินงาน

การประเมินขีดจำกัดของความมั่นคงในภาวะคงที่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ระบบไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบภายใต้เงื่อนไขภาวะคงที่ที่ระบุไว้ การกำหนดขีดจำกัดความมั่นคง การประเมินกระบวนการชั่วคราวเชิงคุณภาพ และการประเมินปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทของระบบกระตุ้นและการควบคุม โหมดควบคุม และพารามิเตอร์ของระบบกระตุ้นและระบบอัตโนมัติ

ข้อกำหนดความมั่นคงถูกกำหนดโดยขีดจำกัดความมั่นคง คุณภาพของพลังงานไฟฟ้าภายใต้ภาวะคงที่ และประสิทธิภาพชั่วคราว ขีดจำกัดความมั่นคงในภาวะคงที่หมายถึงการไหลของพลังงานสูงสุดผ่านจุดเฉพาะในระบบที่สามารถรักษาได้โดยไม่ทำให้เกิดความไม่มั่นคงเมื่อเพิ่มกำลังอย่างค่อยเป็นค่อยไป

ในการวิเคราะห์ระบบไฟฟ้า เครื่องจักรทั้งหมดภายในส่วนเดียวจะถูกพิจารณาเป็นเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อที่จุดนั้นแม้ว่าจะไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรงกับบัสเดียวกันและถูกแยกโดยความต้านทานรีแอคทันซ์ที่มาก ระบบขนาดใหญ่โดยทั่วไปถูกสมมติว่ามีแรงดันคงที่และถูกจำลองเป็นบัสไร้ขอบเขต

พิจารณาระบบประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (G) เส้นส่ง และมอเตอร์ซิงโครนัส (M) ทำงานเป็นโหลด

การแสดงผลด้านล่างนี้ให้กำลังที่สร้างขึ้นโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า G และมอเตอร์ซิงโครนัส M

การแสดงผลด้านล่างนี้ให้กำลังสูงสุดที่สร้างขึ้นโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า G และมอเตอร์ซิงโครนัส M

ที่นี่ A, B, และ D แทนค่าคงที่ทั่วไปของเครื่องสองปลาย การแสดงผลด้านบนให้กำลังในหน่วยวัตต์ คำนวณต่อเฟส ตราบใดที่แรงดันที่ใช้เป็นแรงดันเฟสในหน่วยโวลต์

เหตุผลของการขาดความมั่นคงของระบบ

พิจารณามอเตอร์ซิงโครนัสที่เชื่อมต่อกับบัสไร้ขอบเขต ทำงานที่ความเร็วคงที่ กำลังขาเข้าเท่ากับกำลังขาออกบวกกับการสูญเสีย หากเพิ่มภาระบนเพลาเล็กน้อย กำลังขาออกของมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นในขณะที่กำลังขาเข้ายังคงไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งสร้างแรงบิดที่ลดลงทำให้ความเร็วของมอเตอร์ลดลงชั่วคราว

เมื่อแรงบิดที่ลดลงทำให้ความเร็วของมอเตอร์ลดลง มุมระหว่างแรงดันภายในของมอเตอร์และแรงดันของระบบจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งกำลังขาเข้าทางไฟฟ้าเท่ากับกำลังขาออกบวกกับการสูญเสีย

ในช่วงเวลาชั่วคราวนี้ เนื่องจากกำลังขาเข้าทางไฟฟ้าของมอเตอร์น้อยกว่าภาระทางกล กำลังที่เหลือจะถูกดึงจากพลังงานที่เก็บสะสมในระบบหมุน มอเตอร์จะแกว่งรอบจุดสมดุลและอาจหยุดหรือสูญเสียความซิงโครนัสในที่สุด

ระบบยังขาดความมั่นคงเมื่อมีภาระจำนวนมากถูกนำไปใช้หรือเมื่อมีภาระถูกนำไปใช้ทันทีกับเครื่องจักร

สมการด้านล่างบรรยายถึงกำลังสูงสุดที่มอเตอร์สามารถสร้างได้ ภาระสูงสุดนี้สามารถทำได้เฉพาะเมื่อมุมกำลัง (δ) เท่ากับมุมภาระ (β) ภาระสามารถเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงเงื่อนไขนี้ แต่หากภาระเพิ่มขึ้นอีกจะทำให้เครื่องจักรสูญเสียความซิงโครนัสเนื่องจากกำลังขาออกไม่เพียงพอ

กำลังขาดแคลนจะถูกจ่ายโดยพลังงานที่เก็บสะสมในระบบหมุน ทำให้ความเร็วลดลง เมื่อความขาดแคลนกำลังเพิ่มขึ้น มุมจะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปจนกว่ามอเตอร์จะหยุด

สำหรับ δ ที่กำหนด ความแตกต่างระหว่างกำลังที่สร้างโดยมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่ากับการสูญเสียบนสาย หากความต้านทานและอัตราการยอมรับขนานของสายมีน้อย กำลังที่ถ่ายโอนระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์สามารถแสดงเป็นดังนี้:

ที่ X – รีแอคทันซ์ของสาย

• V_G – แรงดันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

• V_M – แรงดันของมอเตอร์

• δ – มุมภาระ

• P_M – กำลังของมอเตอร์

• P_G – กำลังของมอเตอร์

• P_max – กำลังสูงสุด

วิธีการเพิ่มขีดจำกัดความมั่นคงในภาวะคงที่

กำลังสูงสุดที่ถ่ายโอนระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์มีความสัมพันธ์โดยตรงกับผลคูณของแรงดันไฟฟ้าภายใน (EMF) ของเครื่องจักรและมีความสัมพันธ์ผกผันกับรีแอคทันซ์ของสาย ขีดจำกัดความมั่นคงในภาวะคงที่สามารถเพิ่มขึ้นผ่านสองวิธีหลัก:

• เพิ่มการกระตุ้นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มอเตอร์ หรือทั้งสอง
  การเพิ่มการกระตุ้นทำให้ EMF ภายในของเครื่องจักรเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้กำลังสูงสุดที่ถ่ายโอนระหว่างเครื่องจักรเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ EMF ภายในที่สูงขึ้นยังลดมุมภาระ (δ)

• ลดรีแอคทันซ์การถ่ายโอน
  รีแอคทันซ์การถ่ายโอนสามารถลดลงโดย:

• เพิ่มสายส่งขนานระหว่างจุดเชื่อมต่อ;

• ใช้สายนำแบบรวมกัน ซึ่งลดรีแอคทันซ์ของสาย;

• ใช้คอนเดนเซอร์อนุกรมในสาย

คอนเดนเซอร์อนุกรมถูกใช้เป็นหลักในสายส่งระดับสูงสุด (EHV) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนกำลังและเป็นทางเลือกที่ประหยัดสำหรับระยะทางที่เกิน 350 กิโลเมตร