Понимание устойчивости напряжения в энергосистемах: большие и малые возмущения и пределы устойчивости

Определение устойчивости напряжения

Устойчивость напряжения в электрической системе определяется как способность поддерживать приемлемые уровни напряжения на всех шинах как при нормальных условиях работы, так и после воздействия возмущения. В нормальном режиме работы напряжение в системе остается стабильным; однако при возникновении неисправности или возмущения может возникнуть неустойчивость напряжения, что приводит к прогрессирующему и неконтролируемому снижению напряжения. Устойчивость напряжения иногда называют "нагрузочной устойчивостью".

Неустойчивость напряжения может вызвать обвал напряжения, если пост-возмущенное равновесное напряжение вблизи нагрузок падает ниже допустимых пределов. Обвал напряжения — это процесс, при котором неустойчивость напряжения приводит к крайне низкому профилю напряжения на ключевых участках системы, что потенциально может вызвать полный или частичный отключение электроэнергии. Следует отметить, что термины "неустойчивость напряжения" и "обвал напряжения" часто используются взаимозаменяемо.

Классификация устойчивости напряжения

Устойчивость напряжения подразделяется на два основных типа:

• Устойчивость напряжения при больших возмущениях: Это относится к способности системы поддерживать контроль над напряжением после значительных возмущений, таких как неисправности в системе, внезапная потеря нагрузки или генерации. Оценка этого вида устойчивости требует анализа динамической производительности системы в течение достаточно длительного периода времени, чтобы учесть поведение устройств, таких как трансформаторы с регулировкой напряжения под нагрузкой, системы управления магнитным полем генераторов и ограничители тока. Устойчивость напряжения при больших возмущениях обычно изучается с использованием нелинейных временных симуляций с точной моделью системы.

• Устойчивость напряжения при малых возмущениях: Состояние работы электрической системы характеризуется устойчивостью напряжения при малых возмущениях, если после незначительных возмущений напряжение вблизи нагрузок либо остается неизменным, либо близко к своим значениям до возмущения. Этот концепт тесно связан с установившимися условиями и может быть проанализирован с использованием моделей системы с малыми сигналами.

Предел устойчивости напряжения

Предел устойчивости напряжения — это критический порог в электрической системе, за которым никакое количество инъекции реактивной мощности не сможет восстановить напряжение до номинальных значений. До этого предела напряжение в системе можно корректировать с помощью инъекций реактивной мощности, сохраняя устойчивость.Передача мощности по безындуктивной линии задается следующим образом:

• где P = передаваемая мощность на фазу

• Vs = фазное напряжение отправляющей стороны

• Vr = фазное напряжение принимающей стороны

• X = реактивное сопротивление на фазу

• δ = фазовый угол между Vs и Vr.

Так как линия безындуктивна

Предполагая, что генерация мощности постоянна,

Для максимальной передачи мощности: δ = 90º, так что при δ→∞

Указанное выше уравнение определяет положение критической точки на кривой δ против Vs, с предположением, что напряжение на принимающей стороне остается постоянным. Аналогичный результат можно получить, предполагая, что напряжение на отправляющей стороне остается постоянным, и рассматривая Vr как переменный параметр при анализе системы. В этом случае результирующее уравнение будет следующим

Выражение реактивной мощности на шине принимающей стороны может быть записано как

Указанное выше уравнение представляет собой предел устойчивости напряжения в установившемся состоянии. Оно указывает, что на пределе устойчивости в установившемся состоянии реактивная мощность стремится к бесконечности. Это означает, что производная dQ/dVr становится равной нулю. Таким образом, предел устойчивости по углу ротора в установившемся состоянии совпадает с пределом устойчивости напряжения в установившемся состоянии. Кроме того, устойчивость напряжения в установившемся состоянии также зависит от нагрузки.