Forståelse af spændingsstabilitet i kraftsystemer: Store versus små forstyrrelser og stabilitetsgrænser

Definition af Spændingsstabilitet

Spændingsstabilitet i et kraftsystem defineres som evnen til at opretholde acceptable spændinger på alle busser både under normale driftsforhold og efter at være udsat for en forstyrrelse. Under normal drift forbliver systemets spændinger stabile; dog kan spændingsinstabilitet opstå, når en fejl eller forstyrrelse indtræffer, hvilket fører til en progressiv og ukontrollerbar spændningsnedgang. Spændingsstabilitet kaldes nogle gange for "belastningsstabilitet."

Spændingsinstabilitet kan udløse spændingskollaps, hvis post-forstyrrelsens ligevægtsspænding nær belastningerne falder under acceptable grænser. Spændingskollaps er en proces, hvor spændingsinstabilitet resulterer i en ekstremt lav spændingsprofil over kritiske dele af systemet, potentielt med risiko for total eller delvis strømafbrydelse. Bemærk, at begreberne "spændingsinstabilitet" og "spændingskollaps" ofte bruges synonymt.

Klassificering af Spændingsstabilitet

Spændingsstabilitet inddeles i to hovedtyper:

• Stor-Forstyrrelsens Spændingsstabilitet: Dette refererer til systemets evne til at opretholde spændingskontrol efter betydelige forstyrrelser, såsom systemfejl, pludselig belastningsmangl eller genereringsmangl. Vurdering af denne form for stabilitet kræver analyse af systemets dynamiske præstation over en tidslinje, der er lang nok til at tage højde for adfærd hos enheder som belastningsbaserede tapændringstransformatorer, generatorfeltkontroller og strømbegrænsere. Stor-forstyrrelsens spændingsstabilitet undersøges typisk ved hjælp af ikke-lineære tidsdomænesimulationer med præcist systemmodellering.

• Lille-Forstyrrelsens Spændingsstabilitet: Et kraftsystem, der opererer i en bestemt tilstand, viser lille-forstyrrelsens spændingsstabilitet, hvis spændninger nær belastningerne enten forbliver uændrede eller står tæt på deres værdi før forstyrrelsen efter mindre forstyrrelser. Dette koncept er tæt knyttet til stabiltillstandsbetingelser og kan analyseres ved hjælp af småsignal-systemmodeller.

Spændingsstabilitetsgrænse

Spændingsstabilitetsgrænsen er den kritiske tærskel i et kraftsystem, hvortil ingen mængde reaktiv effektinjektion kan genoprette spændingerne til deres nominale niveauer. Indtil denne grænse kan systemets spændinger justeres gennem reaktiv effektinjektioner, mens stabiliteten bevares.Effektoverførslen over en tabfri linje er givet ved:

• hvor P = effekt overført per fase

• Vs = afsendende fasespænding

• Vr = modtagende fasespænding

• X = overførselsreaktance per fase

• δ = fasevinkel mellem Vs og Vr.

Da linjen er tabfri

Under antagelsen om, at effektgenereringen er konstant,

For maksimal effektoverførsel: δ = 90º, således at når δ→∞

Den ovenstående ligning fastlægger positionen af det kritiske punkt på kurven for δ versus Vs, med antagelsen, at modtagende-endespændingen forbliver konstant.Et lignende resultat kan udledes ved at antage, at afsendende-endespændingen er konstant, og behandle Vr som en variabel parameter, når systemet analyseres. I dette scenarie er den resulterende ligning

Udtrykket for reaktiv effekt ved modtagende-endebus kan skrives som

Den ovenstående ligning repræsenterer den stabiltillands spændingsstabilitetsgrænse. Den angiver, at ved den stabiltillands stabilitetsgrænse nærmer reaktiv effekt sig uendelig. Dette betyder, at differentialkvotienten dQ/dVr bliver nul. Dermed falder rotorvinklestabilitetsgrænsen under stabiltillandsbetingelser sammen med den stabiltillands spændingsstabilitetsgrænse. Desuden er den stabiltillands spændingsstabilitet også påvirket af belastningen.