Verständnis der Spannungsstabilität in elektrischen Netzen: Große vs. Kleine Störungen und Stabilitätsgrenzen
Definition der Spannungsstabilität
Die Spannungsstabilität in einem Stromnetz wird definiert als die Fähigkeit, an allen Knotenpunkten unter sowohl normalen Betriebsbedingungen als auch nach einer Störung akzeptable Spannungen aufrechtzuerhalten. Im normalen Betrieb bleiben die Systemspannungen stabil; jedoch kann bei einem Fehler oder einer Störung eine Spannungsinstabilität auftreten, die zu einem fortschreitenden und unkontrollierbaren Spannungsabfall führt. Spannungsstabilität wird manchmal auch als "Laststabilität" bezeichnet.
Eine Spannungsinstabilität kann zu einem Spannungskollaps führen, wenn die Gleichgewichtsspannung nahe den Lasten nach einer Störung unter akzeptable Grenzen fällt. Ein Spannungskollaps ist ein Prozess, bei dem durch Spannungsinstabilität ein extrem niedriges Spannungsprofil in kritischen Teilen des Systems entsteht, was potenziell zu einem vollständigen oder partiellen Stromausfall führen kann. Bemerkenswerterweise werden die Begriffe "Spannungsinstabilität" und "Spannungskollaps" oft synonym verwendet.
Klassifizierung der Spannungsstabilität
Die Spannungsstabilität wird in zwei Haupttypen eingeteilt:
Großstörungs-Spannungsstabilität: Dies bezieht sich auf die Fähigkeit des Systems, die Spannungskontrolle nach signifikanten Störungen, wie Systemfehlern, plötzlichem Last- oder Erzeugungsverlust, aufrechtzuerhalten. Die Bewertung dieser Form der Stabilität erfordert die Analyse der dynamischen Leistung des Systems über einen Zeitraum, der lang genug ist, um das Verhalten von Geräten wie lastabhängigen Transformatoren, Generatorfeldreglern und Strombegrenzern zu berücksichtigen. Großstörungs-Spannungsstabilität wird in der Regel mit nichtlinearen Zeitbereichssimulationen mit präziser Systemmodellierung untersucht.
Kleinstörungs-Spannungsstabilität: Ein Betriebszustand eines Stromnetzes weist Kleinstörungs-Spannungsstabilität auf, wenn nach geringfügigen Störungen die Spannungen in der Nähe der Lasten entweder unverändert bleiben oder nahe ihren Vorgängerwerten bleiben. Dieser Begriff ist eng mit stationären Bedingungen verbunden und kann mit Kleinsignal-Systemmodellen analysiert werden.
Grenze der Spannungsstabilität
Die Grenze der Spannungsstabilität ist der kritische Schwellwert in einem Stromnetz, jenseits dessen keine Menge an Blindleistung mehr die Spannungen auf ihre Nennwerte zurückführen kann. Bis zu diesem Limit können die Systemspannungen durch die Einspeisung von Blindleistung angepasst werden, während die Stabilität gewahrt bleibt.Die Leistungsovertragung über eine verlustfreie Leitung ergibt sich aus:
wo P = übertragene Leistung pro Phase
Vs = Sendeendphasenspannung
Vr = Empfangsendphasenspannung
X = Übertragungsreaktanz pro Phase
δ = Phasenwinkel zwischen Vs und Vr.
Da die Leitung verlustfrei ist
Unter der Annahme, dass die Energieerzeugung konstant ist,
Für die maximale Leistungsovertragung: δ = 90º, so dass, wenn δ→∞
Die obige Gleichung bestimmt die Position des kritischen Punktes auf der Kurve von δ gegen Vs, unter der Annahme, dass die Empfangsendspannung konstant bleibt.Ein ähnliches Ergebnis lässt sich ableiten, indem man die Sendeendspannung als konstant annimmt und Vr als variable Größe beim Analysieren des Systems betrachtet. In diesem Szenario lautet die resultierende Gleichung
Der Ausdruck für die Blindleistung am Empfangsendknoten kann geschrieben werden als
Die obige Gleichung repräsentiert die stationäre Spannungsstabilitätsgrenze. Sie zeigt, dass an der stationären Stabilitätsgrenze die Blindleistung gegen Unendlich strebt. Dies bedeutet, dass die Ableitung dQ/dVr Null wird. Somit fällt der Rotorwinkelschwingungsstabilitätsgrenzwert unter stationären Bedingungen mit der stationären Spannungsstabilitätsgrenze zusammen. Darüber hinaus wird die stationäre Spannungsstabilität auch von der Last beeinflusst.
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