Comprensione della stabilità di tensione nei sistemi elettrici: grandi vs. piccole perturbazioni e limiti di stabilità

Definizione della Stabilità di Tensione

La stabilità di tensione in un sistema elettrico è definita come la capacità di mantenere tensioni accettabili in tutte le barre sia nelle condizioni operative normali che dopo essere state sottoposte a una perturbazione. In condizioni operative normali, le tensioni del sistema rimangono stabili; tuttavia, quando si verifica un guasto o una perturbazione, può insorgere l'instabilità di tensione, portando a un declino progressivo e incontrollabile della tensione. La stabilità di tensione viene talvolta chiamata "stabilità del carico".

L'instabilità di tensione può scatenare il crollo della tensione se la tensione d'equilibrio post-perturbazione vicino ai carichi scende al di sotto dei limiti accettabili. Il crollo della tensione è un processo in cui l'instabilità di tensione porta a un profilo di tensione estremamente basso in parti critiche del sistema, potenzialmente causando un blackout totale o parziale. Nota bene, i termini "instabilità di tensione" e "crollo della tensione" sono spesso usati in modo interscambiabile.

Classificazione della Stabilità di Tensione

La stabilità di tensione è categorizzata in due tipi principali:

• Stabilità di Tensione ad Alto Disturbo: Questo si riferisce alla capacità del sistema di mantenere il controllo della tensione dopo disturbi significativi, come guasti al sistema, perdita improvvisa di carico o generazione. L'analisi di questo tipo di stabilità richiede l'esame delle prestazioni dinamiche del sistema su un periodo di tempo sufficientemente lungo da tenere conto del comportamento di dispositivi come trasformatori con regolazione automatica, controlli di campo dei generatori e limitatori di corrente. La stabilità di tensione ad alto disturbo è solitamente studiata utilizzando simulazioni nel dominio del tempo non lineari con modellizzazione accurata del sistema.

• Stabilità di Tensione a Basso Disturbo: Uno stato operativo del sistema elettrico presenta stabilità di tensione a basso disturbo se, dopo piccoli disturbi, le tensioni vicino ai carichi rimangono invariate o rimangono vicine ai loro valori pre-disturbo. Questo concetto è strettamente legato alle condizioni a regime e può essere analizzato utilizzando modelli di sistema a piccolo segnale.

Limite di Stabilità di Tensione

Il limite di stabilità di tensione è la soglia critica in un sistema elettrico oltre la quale nessuna quantità di iniezione di potenza reattiva può ripristinare le tensioni ai loro livelli nominali. Fino a questo limite, le tensioni del sistema possono essere regolate attraverso iniezioni di potenza reattiva mantenendo la stabilità.Il trasferimento di potenza su una linea senza perdite è dato da:

• dove P = potenza trasferita per fase

• Vs = tensione di fase all'estremità di invio

• Vr = tensione di fase all'estremità di ricezione

• X = reattanza di trasferimento per fase

• δ = angolo di fase tra Vs e Vr.

Poiché la Linea è senza perdite

Assumendo che la generazione di potenza sia costante,

Per il trasferimento massimo di potenza: δ = 90º, quindi mentre δ→∞

L'equazione sopra determina la posizione del punto critico sulla curva di δ rispetto a Vs, con l'assunzione che la tensione all'estremità di ricezione rimanga costante.Un risultato simile può essere derivato assumendo che la tensione all'estremità di invio sia costante e trattando Vr come un parametro variabile durante l'analisi del sistema. In questo scenario, l'equazione risultante è

L'espressione della potenza reattiva alla barra di ricezione può essere scritta come

L'equazione sopra rappresenta il limite di stabilità di tensione a regime. Indica che, al limite di stabilità a regime, la potenza reattiva tende all'infinito. Ciò implica che la derivata dQ/dVr diventa zero. Pertanto, il limite di stabilità dell'angolo del rotore in condizioni a regime coincide con il limite di stabilità di tensione a regime. Inoltre, la stabilità di tensione a regime è anche influenzata dal carico.