Лекция 11

Тема: Динамическая устойчивость. Основные понятия и определения устойчивости

Цель лекции:Изучить теоретическую часть темы

Устойчивость электрической системы, устойчивость электроэнергетической системы, способность электрической системы (ЭС) восстанавливать исходное (или практически близкое к нему) состояние (режим) после какого-либо его возмущения, проявляющегося в отклонении значений параметров режима ЭС от исходных (начальных) значений. В электрической системе источниками электрической энергии обычно являются синхронные генераторы, связанные между собой электрически общей сетью, причём роторы всех генераторов вращаются синхронно; такой режим, называется нормальным, установившимся, должен быть устойчив, т. е. электрическая система должна возвращаться в исходное (или практически близкое к нему) состояние всякий раз после отклонений от установившегося режима. Отклонения могут быть связаны, например, с изменением мощности нагрузки, короткими замыканиями, отключениями линий электропередачи и т.п.

Устойчивость системы, как правило, уменьшается при увеличении нагрузки (мощности, отдаваемой генераторами) и понижении напряжения (росте мощности потребителей, снижении возбуждения генераторов); для каждой электрической системы могут быть определены некоторые предельные (критические) значения этих или связанных с ними величин, характеризующих предел устойчивости. Надёжное функционирование электрической системы возможно, если обеспечен определённый запас устойчивости электрических систем, т. е. если параметры режима работы и параметры самой электрической системы достаточно отличаются от критических. Для обеспечения устойчивости энергосистем предусматривают ряд мероприятий, таких, как обеспечение должного запаса устойчивости при проектировании электрической системы, использование автоматического регулирования возбуждения генераторов, применение противоаварийной автоматики и т.д. При анализе устойчивости энергосистем различают статическую, динамическую и результирующую устойчивость. Статическая устойчивость характеризует устойчивость энергосистем при малых возмущениях, т. е. таких возмущениях, при которых исследуемая электрическая система может рассматриваться как линейная.

Динамическая устойчивость определяет поведение электрической системы после сильных возмущений, возникающих вследствие коротких замыканий, отключении линий электропередач и т. и. При анализе динамической устойчивости (система, как правило, рассматривается как нелинейная) возникает необходимость интегрировать нелинейные трансцендентные уравнения высоких порядков. Для этого применяют аналоговые вычислительные машины и т. н. расчётные модели переменного тока; наиболее часто создают специальные алгоритмы и программы, позволяющие производить расчёты на ЦВМ. Состоятельность составленных программ проверяется сопоставлением результатов расчётов с результатами экспериментов на реальной ЭС либо на физической (динамической) модели ЭС.

Если статическая устойчивость характеризует установившийся режим системы, то при анализе динамической устойчивости выявляется способность системы сохранять синхронный режим работы при больших его возмущениях. Большие возмущения возникают при различных коротких замыканиях, отключении линий электропередачи, генераторов, трансформаторов и пр. К большим возмущениям относятся также изменения мощности крупной нагрузки, потеря возбуждения какого-либо генератора, включение крупных двигателей.

Одним из следствий возникшего возмущения является отклонение скоростей вращения роторов генераторов от синхрон­ной (качания роторов генераторов системы). Если после какого-либо возмущения взаимные углы роторов примут определенные значения (их колебания затухнут около ка­ких-либо новых значений), то считается, что динамическая устой­чивость сохраняется. Если хотя бы у одного генератора ротор начинает проворачиваться относительно поля статора, то это при­знак нарушения динамической устойчивости. В общем случае о динамической устойчивости системы можно судить по зависимо­стям S —f(t) полученным в результате совместного решения урав­нений движения роторов генераторов. Но существует более простой и наглядный метод, основанный на энергетическом под­ходе к анализу динамической устойчивости, который называется графическим методом или методом площадей.

Всякое внезапное нарушение рабочего режима электрической системы, состоя­щей из электростанций, линий электропередачи и нагрузок, вызывает кача­ния синхронных машин (генераторов, синхронных двигателей и компенсато­ров). При неблагоприятных условиях размах колебаний может получиться настолько большим, что отдельные машины или целые электростанции выпадут из синхронизма.

Причина возникновения качаний заключается в следующем. Как правило, аварии в системах передачи сопровождаются внезапным изменением мощ­ности, отдаваемой в сеть электростанциями. Регуляторы первичных двига­телей обладают значительной инерцией и могут реагировать на изменение мощности или, вернее, на изменение частоты вращения машины с опреде­ленным запаздыванием. В результате равновесие между отдаваемой генера­торами мощностью и мощностью, развиваемой первичными двигателями, нарушается и на валу машин возникают избыточные моменты, вызывающие изменение скорости и относительное перемещение роторов. Дальнейший характер возникших колебаний зависит от целого ряда факторов. Значения отдаваемой машинами мощности и избыточных моментов, ускоряющих или замедляющих роторы машин, в каждый момент времени определяются абсолютным значением и фазой э. д. с. всех машин системы, которые с те­чением времени изменяются, причем изменение фаз связано с относительным перемещением роторов и зависит, таким образом, от инерции вращающихся масс, т. е. от механических свойств системы, тогда как изменение абсолют­ных значений э. д. с. определяется преимущественно переходными электро­магнитными процессами в машинах и зависит от действий АРВ и ряда других факторов.

Качания синхронных машин могут возникнуть также в следующих слу­чаях: при внезапном скачке нагрузки, при отключении линии или трансфор­матора, при отключении генератора и при коротком замыкании (к.з.). Из этих видов аварии наиболее опасным является к.з., с которым и необходимо считаться в первую очередь. При заземленной нейтрали могут быть следующие виды к.з.: однофазное замыкание на землю; непосредствен­ное замыкание между двумя фазами; двухфазное замыкание на землю; трехфазное к. з.

Наибольшие затруднения в отношении устойчивости возникают при трех­фазном к.з. Вследствие резкого снижения напряжения при трехфазном к.з. связь между генераторными станциями настолько ослабляется, что устой­чивость системы часто нарушается. При однофазном и двухфазном к.з. (особенно в первом случае) снижение напряжения получается меньше и генераторы находятся в более благоприят­ных условиях, чем в случае трехфазного к.з. Поскольку вероятность однофазного к.з. достаточно велика, опас­ности выпадения машин из синхронизма в этих условиях необходимо избегать. В ответственных системах следует добиваться сохранения устойчивости также и при трехфазном к.з. Другие виды аварий, такие, как отключение линий, трансформаторов и генераторов, с точки зрения динамической устой­чивости обычно менее опасны, чем к.з. Поэтому расчеты динамической устойчивости проводятся [применительно к нарушению установившегося режима, причиной которого являются к.з.