1.4 Исследование устойчивости

1.4.1 Общие сведения об устойчивости энергосистем

Устойчивость энергосистемы – это способность ее возвращаться в исходное состояние при малых или значительных возмущениях.

Отклонения от нормального режима работы системы, которые происходят при отключениях, коротких замыканиях, внезапном сбросе или набросе нагрузки, могут привести к нарушению устойчивости, что является одной из наиболее тяжелых аварий, приводящей к перерыву электроснабжения потребителей.

Различают два вида устойчивости: статическую и динамическую.

Статическая устойчивость, или устойчивость исходного установившегося режима – это способность системы восстанавливать исходный режим после малого его возмущения или режим, близкий к исходному, если возмущающее воздействие не снято.

В энергосистеме постоянно происходят малые возмущения, причина которых и место возникновения не фиксированы. Эти свободные возмущения, вызывающие соответственно свободные движения, могут быть нарастающими или затухающими, колебательными или апериодическими. Их характер и определяет статическую устойчивость, являющуюся необходимым условием работоспособности системы. Статическая устойчивость проверяется при перспективном и рабочем проектировании, разработке специальных устройств автоматического регулирования (расчеты и эксперименты), вводе в эксплуатацию новых элементов системы, изменении условий эксплуатации (объединение систем, ввод новых электростанций, промежуточных подстанций, линий электропередачи).

При решении задач анализа проверяется устойчивость заданного установившегося режима, определяется предельно устойчивый режим энергосистемы, оцениваются показатели качества переходного процесса.

Для общей характеристики статической устойчивости энергосистемы достаточно рассмотреть схему, в которой регулируемый генератор, представленный неизменной ЭДС E_q и реактивным сопротивлением связан с такой точкой энергосистемы, в которой напряжение остается неизменным по модулю и фазе при любых процессах в рассматриваемой части энергосистемы, т.е. с шинами бесконечной мощности (рис. 5).

Рисунок 5 – Одномашинная модель энергосистемы

Поток активной мощности идет от генератора к шинам, поэтому ЭДС опережает по фазе напряжение U на некоторый угол  – угол между векторами E_q и U или угол между одноименными осями роторов рассматриваемого генератора и шин «бесконечной мощности».

Установившийся режим в этой схеме описывается уравнением баланса между мощностью турбины и электрической мощностью генератора -

Основным вычисляемым параметром режима является угол , который определяется выражением

где – максимально возможная передаваемая мощность, определяемая как

Установившийся режим существует для всех , не превышающих (рис. 6), причем устойчивы только те режимы, которые соответствуют участкам синусоиды, показанным сплошной линией.

Рисунок 6 – Угловая характеристика мощности

Если режим характеризуется точкой А при =₀, то малое увеличение угла до значения ₀+, которому соответствует точка А₁, приведет к тому, что электрическая мощность окажется больше мощности турбины. Это вызовет снижение частоты вращения генератора и уменьшение угла, т.е. движение, направленное к исходному состоянию. Соответственно при случайном отклонении угла в обратную сторону (точкаА₂) , и угол будет увеличиваться.

Наоборот, при отклонении угла от точки Б, где также, движение будет направлено в сторону удаления от исходной точки: в точкеБ₁ , угол будет продолжать увеличиваться, а в случаеБ₂ , угол будет уменьшаться. Работа при режиме, соответствующем точкеБ, невозможна, этот режим неустойчив.

В любой точке восходящей ветви угловой характеристики случайно возникающий небаланс мощности и соответствующее ему приращение углаимеют одинаковые знаки, их отношение положительно и может рассматриваться как формальный признак устойчивости.

При переходе к бесконечно малым приращениям и учёте экстремальной точки угловой характеристики, где , этот признак записывается каки используется как практический критерий статической устойчивости.

Предельному по условиям статической устойчивости режиму энергосистемы соответствует равенство .

В этом режиме критический угол . Критический угол– угол, после прохождения которого ротор генератора снова начнет ускоряться.

Динамическая устойчивость энергосистемы характеризует способность системы сохранять синхронизм после внезапных и резких изменений параметров режима или при авариях в системе – коротких замыканиях, отключениях генераторов, линий или трансформаторов. После таких нарушений в системе возникает переходный процесс, по окончании которого вновь должен наступить установившийся послеаварийный режим работы.