Элементы теории автоматического управления (ТАУ) при исследовании устойчивости ЭЭС

Понятие устойчивости.

Практически во всех областях техники выделяют два вида устойчивости:

1. Статическая устойчивость. Устойчивость в малом. Устойчивость при малых возмущениях. Применительно к ЭЭС, статическая устойчивость - это способность электроэнергетической системы восстанавливать исходное состояние (режим) после малых его возмущений.
2. Динамическая устойчивость. Устойчивость в большом. Устойчивость при больших возмущениях. Применительно к ЭЭС, динамическая устойчивость - это способность электроэнергетической системы восстанавливать исходное состояние (режим) после больших возмущений. Что такое возмущение? Очевидно, что не существует технической системы, динамическая устойчивость которой обеспечивалась бы при любых сколь угодно больших возмущениях. В связи с этим, возмущения, для которых должна обеспечиваться динамическая устойчивость, всегда нормируются (например, методическими указаниями по устойчивости ЭЭС).

Применительно к электроэнергетическим задачам, можно выделить следующие основные виды устойчивости:

1. Устойчивость параллельной работы генераторов:
1. Статическая периодическая (колебательная) устойчивость. Данный вид устойчивости напрямую связан с настройкой автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов. АРВ должны быть настроены таким образом, чтобы исключать возможность самораскачивания системы в широком диапазоне режимов работы. Характерное изменение напряжения и угла ротора генератора при самораскачивании приведено на Рисунке 1. Необходимо обратить особое внимание на то, что нарушению устойчивости параллельной работы не предшествует какое-либо возмущение, что свидетельствует о нарушении именно статической, а не динамической устойчивости.
2. Динамическая устойчивость при больших возмущениях. Данный вид устойчивости связан с необходимостью сохранять устойчивость параллельной работы генераторов при нормативных возмущениях. Характерное изменение напряжения и угла ротора генераторов Усть-Илимской ГЭС при нарушении динамической устойчивости приведено на Рисунке 2. Необходимо обратить особое внимание на то, что нарушению устойчивости параллельной работы генераторов предшествует возмущение (однофазное КЗ с успешным ОАПВ), о чем свидетельствует временный провал напряжения.
2. Устойчивость узлов нагрузки (устойчивость по напряжению):
1. Статическая апериодическая устойчивость (сползание напряжения). Данный вид устойчивости напрямую связан с балансом реактивной мощности в системе. В случае недостатка реактивной мощности, в узле нагрузки происходит апериодическое сползание напряжения с одновременным возрастанием тока. Характерные изменения параметров режима при нарушении статической апериодической устойчивости узлов нагрузки приведены на Рисунке 3. Необходимо обратить особое внимание на плавное апериодическое изменение напряжения, которое сопровождается одновременным ростом тока.
2. Динамическая устойчивость узла нагрузки при больших возмущениях. Данный вид устойчивости крайне важен при рассмотрении таких вопросов, как самозапуск двигателей, т.е. восстановление нормальной работы узла нагрузки после возмущения.
3. и т.д. … Например, устойчивость по частоте, которая приводит к лавине частоты. В некотором смысле, можно также рассматривать термическую устойчивость элементов сети, нарушение которой может приводить к эффекту каскадного отключения линий. Можно отдельно рассматривать устойчивость вставок и передач постоянного тока, а также других устройств, использующих элементы силовой электроники и т.д. и т.п.

Напряжение на генераторе, о.е.

Угол ротора генератора, рад.

Рис. 1 Характерное изменение напряжения и угла ротора генератора при самораскачивании. Нарушение статической периодической (колебательной) устойчивости ЭЭС.

Рис. 2 Характерное изменение напряжения и угла ротора генераторов Усть-Илимской ГЭС при нарушении динамической устойчивости. Однофазное КЗ на ВЛ 500 кВ вблизи РУ Усть-Илимской ГЭС с ликвидацией повреждения в цикле с успешным ОАПВ.

Рис. 3 Характерные изменения параметров режима при нарушении статической апериодической устойчивости узлов нагрузки. Сползание напряжения.

В любом случае, необходимо помнить, что любая неустойчивость будет запускать цепь событий, которая может приводить к возникновению других видов неустойчивости, при этом в качестве последней, как правило, нарушается устойчивость параллельной работы генераторов с последующим разделением системы на асинхронно работающие подсистемы.

Элементы теории автоматического управления (ТАУ) при исследовании устойчивости ЭЭС

Для описания динамического поведения ЭЭС наиболее широкое применение нашли два основных подхода:

1. Метод пространства состояний – один из основных методов описания поведения динамической системы. Движение системы отражает изменение ее состояний. В пространстве состояний создаётся модель динамической системы в виде дифференциальных уравнений первого порядка, которые записываются в матричной форме.
2. Метод структурных схем – система представляется в виде схемы, содержащей основные функциональные звенья (апериодические, интегральные, пропорциональные и прочие блоки). Взаимодействия между звеньями осуществляется по принципу вход – выход.