Zrozumienie stabilności napięcia w systemach energetycznych: Duże versus małe zakłócenia i granice stabilności

Definicja stabilności napięcia

Stabilność napięcia w systemie elektroenergetycznym definiuje się jako zdolność utrzymania akceptowalnych napięć na wszystkich węzłach zarówno w normalnych warunkach pracy, jak i po wystąpieniu zakłócenia. W normalnej pracy napięcia w systemie pozostają stabilne; jednakże po wystąpieniu awarii lub zakłócenia może dojść do niestabilności napięcia, co prowadzi do postępującego i niekontrolowanego spadku napięcia. Stabilność napięcia czasami nazywana jest „stabilnością obciążenia”.

Niestabilność napięcia może wywołać zawalenie napięcia, jeśli równowagowe napięcie po zakłóceniu w pobliżu obciążeń spadnie poniżej dopuszczalnych granic. Zawalenie napięcia to proces, w którym niestabilność napięcia powoduje ekstremalnie niski profil napięcia w kluczowych częściach systemu, co potencjalnie może prowadzić do całkowitego lub częściowego zaciemnienia. Warto zauważyć, że terminy „niestabilność napięcia” i „zawalenie napięcia” często są używane wymiennie.

Klasyfikacja stabilności napięcia

Stabilność napięcia dzieli się na dwa główne typy:

• Stabilność napięcia przy dużych zakłóceniach: Odnosi się to do zdolności systemu do utrzymania kontroli napięcia po znaczących zakłóceniach, takich jak awarie systemu, nagłe utrata obciążenia lub generacji. Ocena tego rodzaju stabilności wymaga analizy dynamicznego zachowania systemu w dostatecznie długim okresie, aby uwzględnić zachowanie urządzeń takich jak transformatory z regulacją pod obciążeniem, regulatory pola generatorów i ograniczniki prądu. Stabilność napięcia przy dużych zakłóceniach jest zwykle badana za pomocą symulacji nieliniowych w dziedzinie czasu z dokładnym modelowaniem systemu.

• Stabilność napięcia przy małych zakłóceniach: Stan pracy systemu elektroenergetycznego cechuje się stabilnością napięcia przy małych zakłóceniach, jeśli po drobnych zakłóceniach napięcia w pobliżu obciążeń pozostają niezmienione lub bliskie wartościom przed zakłóceniem. Ten pojęcie jest ściśle związane z warunkami ustalonego stanu i może być analizowane za pomocą modeli systemu z małymi sygnałami.

Granica stabilności napięcia

Granica stabilności napięcia to krytyczny próg w systemie elektroenergetycznym, po przekroczeniu którego żadna ilość wprowadzanego mocy reaktywnej nie jest w stanie przywrócić napięć do ich nominalnych poziomów. Do tej granicy napięcia w systemie mogą być dostosowywane poprzez wprowadzanie mocy reaktywnej, jednocześnie utrzymując stabilność.Przetwarzana moc przez linię bez strat wynosi:

• gdzie P = przenoszona moc na fazę

• Vs = napięcie fazy wysyłającej

• Vr = napięcie fazy odbierającej

• X = reaktancja przesyłu na fazę

• δ = kąt fazowy między Vs a Vr.

Ponieważ linia jest bezstratna

Założono stałą generację mocy,

Dla maksymalnego przepływu mocy: δ = 90º, tak że gdy δ→∞

Powyższe równanie określa położenie punktu krytycznego na krzywej δ w zależności od Vs, zakładając, że napięcie odbiorcze pozostaje stałe.Podobny rezultat można uzyskać, zakładając stałe napięcie wysyłające i traktując Vr jako zmienny parametr podczas analizy systemu. W tym scenariuszu, wynikowe równanie to

Wyrażenie mocy reaktywnej na węźle odbiorczym można zapisać jako

Powyższe równanie reprezentuje granicę stabilności napięcia w stanie ustalonym. Wskazuje ono, że w granicy stabilności napięcia w stanie ustalonym, moc reaktywna dąży do nieskończoności. To oznacza, że pochodna dQ/dVr staje się równa zero. Zatem granica stabilności kąta rotora w stanie ustalonym pokrywa się z granicą stabilności napięcia w stanie ustalonym. Ponadto, stabilność napięcia w stanie ustalonym jest również wpływana przez obciążenie.