درک پایداری ولتاژ در سیستم‌های برق: اختلال بزرگ در مقایسه با اختلال کوچک و محدوده‌های پایداری

تعریف پایداری ولتاژ

پایداری ولتاژ در یک سیستم برق به توانایی حفظ ولتاژهای قابل قبول در تمام ایستگاه‌ها تحت شرایط عملیاتی عادی و پس از مواجهه با اختلال اشاره دارد. در عملیات عادی، ولتاژهای سیستم پایدار می‌مانند؛ اما هنگامی که خطا یا اختلالی رخ می‌دهد، عدم پایداری ولتاژ ممکن است ظاهر شود که منجر به کاهش تدریجی و غیرقابل کنترل ولتاژ می‌شود. گاهی اوقات پایداری ولتاژ به عنوان "پایداری بار" نیز شناخته می‌شود.

عدم پایداری ولتاژ می‌تواند منجر به فروپاشی ولتاژ شود اگر ولتاژ تعادل پس از اختلال نزدیک بارها زیر حد قابل قبول بیفتد. فروپاشی ولتاژ یک فرآیند است که در آن عدم پایداری ولتاژ منجر به پروفیل ولتاژ بسیار پایین در بخش‌های مهم سیستم می‌شود که ممکن است منجر به قطع کامل یا جزئی برق شود. توجه داشته باشید که اصطلاحات "عدم پایداری ولتاژ" و "فروپاشی ولتاژ" اغلب به صورت جایگزین استفاده می‌شوند.

طبقه‌بندی پایداری ولتاژ

پایداری ولتاژ به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی می‌شود:

• پایداری ولتاژ در مقابل اختلالات بزرگ: این مورد به توانایی سیستم در حفظ کنترل ولتاژ پس از اختلالات قابل توجه اشاره دارد، مانند خطاهای سیستم، افت ناگهانی بار یا تولید. بررسی این نوع پایداری نیازمند تحلیل عملکرد پویای سیستم در یک بازه زمانی کافی برای در نظر گرفتن رفتار دستگاه‌هایی مانند ترانسفورماتورهای تنظیم‌کننده ولتاژ، کنترل‌کننده‌های میدان ژنراتور و محدودکننده‌های جریان است. معمولاً این نوع پایداری با استفاده از شبیه‌سازی‌های غیرخطی در حوزه زمان با مدل‌سازی دقیق سیستم مطالعه می‌شود.

• پایداری ولتاژ در مقابل اختلالات کوچک: حالت عملیاتی یک سیستم برق دارای پایداری ولتاژ در مقابل اختلالات کوچک است اگر بعد از اختلالات جزئی، ولتاژ نزدیک بارها بدون تغییر باقی بماند یا نزدیک به مقادیر قبل از اختلال باقی بماند. این مفهوم به شرایط پایدار حالت مربوط است و می‌تواند با استفاده از مدل‌های سیستمی با سیگنال‌های کوچک تحلیل شود.

حد پایداری ولتاژ

حد پایداری ولتاژ، آستانه بحرانی در یک سیستم برق است که فراتر از آن هیچ مقدار تزریق توان راکتیو نمی‌تواند ولتاژها را به سطح اسمی خود بازگرداند. تا این حد، می‌توان ولتاژهای سیستم را با تزریق توان راکتیو تنظیم کرد در حالی که پایداری حفظ می‌شود.انتقال توان از طریق یک خط بدون ضرر با معادله زیر محاسبه می‌شود:

• که در آن P = توان انتقالی هر فاز

• Vs = ولتاژ فاز ارسالی

• Vr = ولتاژ فاز دریافتی

• X = واکنش انتقالی هر فاز

• δ = زاویه فاز بین Vs و Vr.

از آنجا که خط بدون ضرر است

با فرض ثابت بودن تولید توان،

برای انتقال بیشینه توان: δ = ۹۰ درجه، به گونه‌ای که وقتی δ→∞

معادله فوق موقعیت نقطه بحرانی روی منحنی δ در مقابل Vs را مشخص می‌کند، با فرض ثابت بودن ولتاژ دریافتی.نتیجه مشابهی می‌تواند با فرض ثابت بودن ولتاژ ارسالی و در نظر گرفتن Vr به عنوان یک پارامتر متغیر در تحلیل سیستم به دست آید. در این سناریو، معادله حاصله به صورت زیر است

عبارت توان راکتیو در ایستگاه دریافتی می‌تواند به صورت زیر نوشته شود

معادله فوق حد پایداری ولتاژ در حالت پایدار حالت را نشان می‌دهد. این معادله نشان می‌دهد که در حد پایداری حالت پایدار، توان راکتیو به بینهایت میل می‌کند. این بدان معناست که مشتق dQ/dVr صفر می‌شود. بنابراین، حد پایداری زاویه روتور در شرایط پایدار حالت با حد پایداری ولتاژ حالت پایدار مطابقت دارد. علاوه بر این، پایداری ولتاژ حالت پایدار نیز توسط بار تأثیر می‌پذیرد.