Razumijevanje stabilnosti napona u elektroenergetskim sustavima: velika i mala perturbacija te granice stabilnosti

Definicija stabilnosti napona

Stabilnost napona u električnom sustavu definira se kao sposobnost održavanja prihvatljivih naponova na svim čvorovima, kako u normalnim uvjetima rada, tako i nakon izlaganja perturbaciji. Tijekom normalnog rada, naponi u sustavu ostaju stabilni; međutim, kada dođe do greške ili perturbacije, može nastati nestabilnost napona, što vodi progresivnom i nekontroliranom padu napona. Stabilnost napona ponekad se naziva "stabilnost opterećenja".

Nestabilnost napona može pokrenuti kolaps napona ako je ravnotežni napon blizu opterećenja nakon perturbacije ispod prihvatljivih granica. Kolaps napona je proces u kojem nestabilnost napona rezultira ekstremno niskim profilom napona u ključnim dijelovima sustava, što potencijalno može uzrokovati totalni ili djelomični smanjenje snage. Važno je napomenuti da se termini "nestabilnost napona" i "kolaps napona" često koriste zamenjivo.

Klasifikacija stabilnosti napona

Stabilnost napona klasificira se u dvije glavne kategorije:

• Stabilnost napona pri velikim perturbacijama: To odnosi se na sposobnost sustava održavati kontrolu nad naponom nakon značajnih perturbacija, poput grešaka u sustavu, naglog gubitka opterećenja ili generacije. Procjena ove forme stabilnosti zahtijeva analizu dinamičkog ponašanja sustava tijekom vremenskog intervala koji je dovoljno dug da obuhvati ponašanje uređaja poput transformatora s promjenjivim navitkom pod opterećenjem, upravljanje poljem generatora i ograničitelji struje. Stabilnost napona pri velikim perturbacijama tipično se proučava korištenjem nelinearnih simulacija u vremenskom domeni s točnim modeliranjem sustava.

• Stabilnost napona pri malim perturbacijama: Stanje rada električnog sustava pokazuje stabilnost napona pri malim perturbacijama ako, nakon manjih perturbacija, naponi blizu opterećenja ostaju nepromijenjeni ili blizu svojih vrijednosti prije perturbacije. Ova koncept je u tesnoj vezi s uspostavljenim stanjima i može se analizirati korištenjem modela sustava s malim signalima.

Granična vrijednost stabilnosti napona

Granična vrijednost stabilnosti napona je kritična granica u električnom sustavu, izvan koje nijedna količina ubacivanja reaktivne snage ne može vratiti napon na njegov nominalni nivo. Do te granice, naponi u sustavu mogu se prilagoditi kroz ubacivanje reaktivne snage dok se održava stabilnost.Prijenos snage preko linije bez gubitaka daje se formulom:

• gdje P = prijenos snage po fazi

• Vs = fazni napon pošiljalaca

• Vr = fazni napon primatelja

• X = transferna reaktancija po fazi

• δ = fazni kut između Vs i Vr.

Budući da je linija bez gubitaka

Pretpostavljajući da je generacija snage konstantna,

Za maksimalni prijenos snage: δ = 90º, tako da kad δ → ∞

Gornja jednadžba određuje položaj kritične točke na krivulji δ versus Vs, s pretpostavkom da se napon primatelja održava konstantan.Sličan rezultat može se izvesti pretpostavljajući da je napon pošiljalaca konstantan i tretirajući Vr kao varijabilni parametar prilikom analize sustava. U ovom scenariju, rezultirajuća jednadžba je

Izraz za reaktivnu snagu na čvoru primatelja može se zapisati kao

Gornja jednadžba predstavlja graničnu vrijednost stabilnosti napona u stacionarnom stanju. To ukazuje da, na graničnoj vrijednosti stabilnosti napona u stacionarnom stanju, reaktivna snaga teži beskonačnosti. To znači da derivacija dQ/dVr postaje nula. Stoga, granična vrijednost stabilnosti kutne pozicije rotora u stacionarnom stanju podudara se s graničnom vrijednosti stabilnosti napona u stacionarnom stanju. Također, stabilnost napona u stacionarnom stanju utjecaju i opterećenja.