Porozumění stabilitě napětí v elektrických systémech: Velké versus malé poruchy a limity stability

Definice stability napětí

Stabilita napětí v elektrickém systému je definována jako schopnost udržovat přijatelné hodnoty napětí na všech uzlech jak za běžných provozních podmínek, tak po vystavení poruše. Za normálního chodu zůstávají napěťové hodnoty systému stabilní; pokud však dojde k poruše nebo narušení, může nastat nestabilita napětí, což vede k postupnému a nekontrolovatelnému poklesu napětí. Stabilita napětí se někdy nazývá také „stabilita zátěže“.

Nestabilita napětí může vyvolat kolaps napětí, pokud rovnovážné napětí po vzniku poruchy blízko zátěže klesne pod přijatelné limity. Kolaps napětí je proces, při kterém nestabilita napětí vede k extrémně nízkému profilu napětí v klíčových částech systému, což může způsobit úplnou nebo částečnou výpadku. Poznamenejme, že termíny „nestabilita napětí“ a „kolaps napětí“ jsou často používány zaměnitelně.

Klasifikace stability napětí

Stabilita napětí se dělí na dvě hlavní kategorie:

• Stabilita napětí při velkých poruchách: Toto odkazuje na schopnost systému udržovat kontrolu nad napětím po významných poruchách, jako jsou poruchy systému, náhlý ztrátu zátěže nebo generace. Posouzení této formy stability vyžaduje analýzu dynamického výkonu systému v dostatečně dlouhém časovém období, aby bylo možné zohlednit chování zařízení, jako jsou transformátory s proměnnými vývodními členy, řízení pole generátorů a omezovače proudu. Stabilita napětí při velkých poruchách se obvykle zkoumá pomocí nelineárních simulací v časové doméně s přesným modelováním systému.

• Stabilita napětí při malých poruchách: Provozní stav elektrického systému ukazuje stabilitu napětí při malých poruchách, pokud po menších poruchách zůstanou napětí blízko zátěže buď nezměněná, nebo blízko svých hodnot před poruchou. Tento koncept je těsně spojen s stacionárními podmínkami a lze jej analyzovat pomocí modelů systému s malými signály.

Limita stability napětí

Limita stability napětí je kritická hranice v elektrickém systému, překročením které již žádné množství injekce reaktivního výkonu nemůže vrátit napětí na nominální úroveň. Až do této limity lze napětí v systému upravovat prostřednictvím injekcí reaktivního výkonu, přičemž se udržuje stabilita.Přenos výkonu přes bezztrátový vodič je dáno vztahem:

• kde P = převedený výkon na fázi

• Vs = fázové napětí na vysílací straně

• Vr = fázové napětí na přijímací straně

• X = přenosová reaktance na fázi

• δ = fázový úhel mezi Vs a Vr.

Protože vodič je bezztrátový

Předpokládáme, že výroba energie je konstantní,

Pro maximální přenos výkonu: δ = 90º, takže jak δ→∞

Výše uvedená rovnice určuje polohu kritického bodu na křivce δ versus Vs, za předpokladu, že napětí na přijímací straně zůstává konstantní.Podobný výsledek lze odvodit za předpokladu, že napětí na vysílací straně je konstantní a Vr se považuje za proměnný parametr při analýze systému. V tomto scénáři je výsledná rovnice

Výraz pro reaktivní výkon na uzlu na přijímací straně lze zapsat jako

Výše uvedená rovnice reprezentuje limitu stacionární stability napětí. Ukazuje, že na limitě stacionární stability se reaktivní výkon blíží k nekonečnu. To znamená, že derivace dQ/dVr se rovná nule. Tedy, limita stability rotorového úhlu za stacionárních podmínek splývá s limitou stacionární stability napětí. Kromě toho je stacionární stabilita napětí také ovlivněna zátěží.