Стійкість у стаціонарному режимі в електроенергетичних системах: Визначення причин та методи покращення

Визначення стійкості в установившому режимі

Стійкість в установившому режимі визначається як здатність електроенергетичної системи підтримувати свій початковий робочий стан після невеликих збурень або збігати до стану, що близько наближений до початкового, коли збурення тривають. Це поняття має критичне значення для планування та проектування електроенергетичних систем, розробки спеціалізованих пристроїв автоматичного керування, введення в дію нових компонентів системи та налаштування умов роботи.

Оцінка межі стійкості в установившому режимі є важливою для аналізу електроенергетичних систем, який включає перевірку продуктивності системи при вказаних умовах установившогося режиму, визначення меж стійкості, якісну оцінку переходних процесів та оцінку таких факторів, як тип системи запалювання та її контролери, режими керування, параметри систем запалювання та автоматизації.

Вимоги до стійкості визначаються межами стійкості, якістю електричної енергії в установившому режимі та характеристиками переходних процесів. Межа стійкості в установившому режимі вказує на максимальний потік енергії через певну точку системи, який можна підтримувати без викликання нестійкості при поступовому збільшенні потужності.

У аналізі електроенергетичних систем всі машини в одному сегменті вважаються одним великим агрегатом, з'єднаним в цій точці, навіть якщо вони не пов'язані безпосередньо з одним і тим же шинопроводом і розділені значними реактивними опорами. Великі системи зазвичай вважаються мати постійну напругу і моделюються як нескінченна шина.

Розглянемо систему, що складається з генератора (G), лінії передачі та синхронного двигуна (M), який функціонує як навантаження.

Нижче наведено вираз, що дає потужність, вироблену генератором G та синхронним двигуном M.

Нижче наведено вираз, що дає максимальну потужність, вироблену генератором G та синхронним двигуном M

Тут A, B та D представляють узагальнені константи двокінцевої машини. Наданий вираз дає потужність в ватах, обчислена за фазою, при умові, що використані напруги є фазовими напругами в вольтах.

Причини нестійкості системи

Розглянемо синхронний двигун, з'єднаний з нескінченною шиною, який працює на постійній швидкості. Його вхідна потужність дорівнює вихідній потужності плюс втрати. Якщо додати найменший приріст навантаження на вал двигуна, то вихідна потужність двигуна збільшується, а його вхідна потужність залишається незмінною. Це створює загальний заторможуючий момент, що призводить до тимчасового зниження швидкості двигуна.

З початком зниження швидкості двигуна через заторможуючий момент, фазовий кут між внутрішнім напругом двигуна та напругою системи збільшується до тих пір, поки електрична вхідна потужність не дорівнює вихідній потужності плюс втрати.

Під час цього перехідного інтервалу, оскільки електрична вхідна потужність двигуна менша за механічне навантаження, надлишкова потужність, необхідна для забезпечення, виділяється з накопиченої енергії в обертовій системі. Двигун коливається навколо точки рівноваги і може врешті-решт зупинитися або втратити синхронізацію.

Система також втрачає стійкість, коли на неї накладається велике навантаження або коли навантаження застосовується занадто швидко до машини.

Нижче наведено рівняння, що описує максимальну потужність, яку може виробляти двигун. Це максимальне навантаження досягається лише тоді, коли кут потужності (δ) дорівнює куту навантаження (β). Навантаження може зростати до тих пір, поки не буде задоволено ця умова; після цього точки, будь-яке подальше збільшення навантаження призведе до втрати синхронізації машини через недостатню потужність виходу.

Дефіцит потужності буде покритий за рахунок накопиченої енергії обертової системи, що призведе до зниження швидкості. З початком зростання дефіциту потужності, кут поступово зменшується до тих пір, поки двигун не зупиниться.

Для будь-якого даного δ, різниця між потужністю, виробленою двигуном та генератором, дорівнює втратам на лінії. Якщо опір лінії та паралельна провідність незначні, потужність, передана між альтернативним генератором та двигуном, може бути виражена наступним чином:

Де X - реактивна опірність лінії

• V_G – напруга генератора

• V_M – напруга двигуна

• δ – Кут навантаження

• P_M – Потужність двигуна

• P_G – Потужність генератора

• P_max – максимальна потужність

Методи підвищення межі стійкості в установившому режимі

Максимальна потужність, передана між альтернативним генератором та двигуном, прямо пропорційна добутку їх внутрішніх електромотивних сил (ЕМФ) і обернено пропорційна реактивній опірності лінії. Межу стійкості в установившому режимі можна збільшити за допомогою двох основних підходів:

• Збільшення запалювання генератора, двигуна або обох
  Покращення запалювання підвищує внутрішню ЕМФ машин, що, у свою чергу, збільшує максимальну потужність, передану між ними. Додатково, більші внутрішні ЕМФ зменшують кут навантаження (δ).

• Зменшення перехідної реактивної опірності
  Перехідну реактивну опірність можна знизити за допомогою:

• Додавання паралельних ліній передачі між точками з'єднання;

• Використання згорнутого провідника, який зменшує реактивну опірність лінії;

• Впровадження серійних конденсаторів в лінію.

Серійні конденсатори в основному використовуються в лініях надвищо високої напруги (EHV) для підвищення ефективності передачі потужності і є економічно вигідними для відстаней, що перевищують 350 км.