Güç Sistemlerinde Durağan Durum Kararlılığı: Tanım Nedenleri ve İyileştirme Yöntemleri

Durağan Durum Stabilitesinin Tanımı

Durağan durum stabilitesi, elektrik güç sisteminin küçük bir bozulma sonrası ilk işletim koşulunu sürdürme yeteneği veya bozulma devam ederken ilk duruma yakın bir duruma yakınsama yeteneği olarak tanımlanır. Bu kavram, güç sistem planlaması ve tasarımı, özel otomatik kontrol cihazlarının geliştirilmesi, yeni sistem bileşenlerinin komisyonlanması ve işletim koşullarının ayarlanmasında kritik öneme sahiptir.

Durağan durum stabilite sınırının değerlendirilmesi, belirli durağan durum koşulları altında sistemin performansını doğrulamayı, stabilite sınırlarını belirlemeyi, geçici süreçleri niteliksel olarak değerlendirmeyi ve manyetizasyon sistemi türü ve kontrolleri, kontrol modları, manyetizasyon ve otomasyon sistemlerinin parametreleri gibi faktörleri değerlendirmeyi içeren güç sistem analizi için zorunludur.

Stabilite gereksinimleri, stabilite sınırı, durağan durum koşullarındaki elektrik enerjisinin kalitesi ve geçici performansa göre belirlenir. Durağan durum stabilite sınırı, güç azami seviyeye kadar arttıkça o noktada sistemin istikrarsızlığa neden olmaksızın koruyabileceği maksimum güç akışını ifade eder.

Güç sistem analizinde, aynı bölgedeki tüm makineler, aynı hatla doğrudan bağlı olmasalar da ve önemli reaktanslar tarafından ayrılışlarına rağmen, bu noktada bağlantılı tek büyük makine olarak ele alınır. Büyük ölçekli sistemler genellikle sabit voltajlı kabul edilir ve sonsuz hat olarak modelleştirilir.

Bir jeneratör (G), bir iletim hattı ve yük olarak çalışan senkron motor (M) içeren bir sistemi düşünün.

Aşağıdaki ifade, G jeneratörü ve M senkron motoru tarafından üretilen güce verir.

Aşağıdaki ifade, G jeneratörü ve M senkron motoru tarafından üretilen maksimum gücü verir.

Burada, A, B ve D iki uçlu makinenin genelleştirilmiş sabitlerini temsil eder. Yukarıdaki ifade, kullanılan gerilimler faz gerilimleri olduğu sürece, watt cinsinden güç verir.

Sistemin İstikrarsız Olmasının Nedenleri

Sonsuz hatbarına bağlı, sabit hızda çalışan bir senkron motoru düşünün. Girdi gücü, çıkış gücüne ve kayıplara eşittir. Eğer motora en küçük bir eksen yükü eklenirse, motordan çıkan güç artarken girdi gücü değişmez. Bu, motora net bir gerileme torku oluşturur ve motorun hızını geçici olarak düşürür.

Gerileme torku motorun hızını azaltırken, motorun dahili gerilimi ile sistem gerilimi arasındaki faz açısı, elektrik girdi gücü çıkış gücüne ve kayıplara eşit olana kadar artar.

Bu geçici aralıkta, motorun elektrik girdi gücü mekanik yükten daha düşük olduğundan, gereken fazladan güç dönen sistemin depolanan enerjisinden çekilir. Motor denge noktasında salınırlar ve sonunda ya durur ya da senkronizmi kaybeder.

Bir sistem, büyük bir yük uygulandığında veya yük çok ani bir şekilde makineye uygulandığında de istikrarsızlaşır.

Aşağıdaki denklem, bir motorun geliştirabileceği maksimum gücü tarif eder. Bu maksimum yük, güç açısı (δ) yük açısı (β) ile eşit olduğunda ulaşılabilir. Yük, bu koşul sağlandığı sürece artabilir; bu noktanın ötesinde, herhangi bir ek yük artışı, yetersiz güç çıkışı nedeniyle makinenin senkronizmini kaybetmesine neden olur.

Eksik güç, dönen sistemin depolanan enerjisinden sağlanarak, hızda bir düşüşe neden olur. Güç eksikliği büyüdükçe, açı yavaş yavaş azalır ve motor durdurulur.

Herhangi bir δ için, motor tarafından üretilen güç ile jeneratör tarafından üretilen güç arasındaki fark, hat kayıplarına eşittir. Eğer hat direnç ve şunt admittance ihmal edilebilir ise, alternatör ile motor arasında aktarılan güç şu şekilde ifade edilebilir:

Burada, X - hat reaktansı

• V_G - jeneratör gerilimi

• V_M - motor gerilimi

• δ - Yük Açısı

• P_M - motor gücü

• P_G - jeneratör gücü

• P_max - maksimum güç

Durağan Durum Stabilite Sınırını Artırmak İçin Yöntemler

Alternatör ile motor arasında aktarılan maksimum güç, iç EMF'lerinin çarpımına orantılıdır ve hat reaktansına ters orantılıdır. Durağan durum stabilite sınırı, iki ana yaklaşım aracılığıyla artırılabilir:

• Jeneratör, motor veya ikisinin de manyetizasyonunu artırma
  Manyetizasyonu artırmak, makinelerin iç EMF'lerini yükseltir, bu da onların arasında aktarılan maksimum gücü artırır. Ayrıca, daha yüksek iç EMF'ler, yük açısını (δ) azaltır.

• Aktarım reaktansını azaltma
  Aktarım reaktansı, aşağıdaki yöntemlerle azaltılabilir:

• Bağlantı noktaları arasında paralel iletim hatları eklemek;

• Hat reaktansını azaltan demetli iletkenler kullanmak;

• Hat içinde serisi kapasitörler kullanmak.

Serisi kapasitörler, özellikle extra yüksek voltaj (EHV) hatlarında güç aktarım verimliliğini artırmak için kullanılır ve 350 km'den uzun mesafelerde daha ekonomikdir.