Динамическая устойчивость простейшей системы

Рассмотрим простейших случай, когда электростанция работает через двухцепную линию на шины бесконечной мощности. Условие постоянства напряжения на шинах системы (U = соnst) исключает качания генераторов приемной системы и значительно упрощает анализ динамической устойчивости.

Для выяснения принципиальных положений динамической устойчивости рассмотрим явления, возникающие при внезапном отключении одной из двух параллельных цепей электропередачи (см. рисунок 12.1), связывающей удаленную станцию с шинами неизменного напряжения.

Рисунок 12.1

Схема замещения в нормальном режиме (до отключения цепи) представлена на рисунке 12.2,а. Индуктивное сопротивление системы

 

Х_с = Х_г + Х_т1 + 0,5Х_л + Х_т2,

 

определяет амплитуду характеристики мощности в этих условиях:

 

.

 

Рисунок 12.2

 

При отключении одной цепи линии электропередачи индуктивное сопротивление системы получает новое значение

 

Х_с1 = Х_г + Х_т1 + Х_л + Х_т2,

 

которое больше, чем в нормальном режиме. Амплитуда характеристики мощности при отключении цепи соответственно уменьшается до значения ЕU/Х_с1.

Характеристики мощности в условиях нормального режима и при отключенной цепи показаны на рисунке 12.3.

 

 

 

Рисунок 12.3

 

Нормальному режиму соответствует кривая I, режиму после отключения – кривая II. Точка а и угол δ₀ при мощности Р₀ определяют режим работы до отключения. Точка b определяет режим работы после отключения при том же значении угла δ = δ₀, что и в нормальном режиме.

Таким образом, в момент отключения цепи режим работы изменяется и характеризуется не точкой а, а точкой b на новой характеристике, что обусловливает внезапное уменьшение мощности генератора. Мощность турбины остается при этом неизменной и равной Р₀, так как регуляторы турбин реагируют на изменение частоты вращения агрегата, которая в момент отключения цепи сохраняет свое нормальное значение.

Неравенство мощностей, а следовательно, и моментов на валу турбины и генератора вызывает появление избыточного момента, под влиянием которого агрегат турбина – генератор начинает ускоряться. Связанный с ротором генератора вектор ЭДС начинает вращаться быстрее, чем вращающийся с неизменной синхронной скоростью ω₀ вектор напряжения шин приемной системы .

Изменение относительной скорости вращения приводит к увеличению угла δ, и на характеристики мощности генератора при отключенной цепи рабочая точка перемещается из точки b по направлению к точке с. При этом мощность генератора начинает возрастать. Однако вплоть до точки с мощность турбины все еще превышает мощность генератора и избыточный момент, хотя и уменьшается, но сохраняет свой знак, благодаря чему относительная скорость вращения непрерывно возрастает. В точке с мощность турбины и генератора вновь уравновешивают друг друга и избыточный момент равен нулю. Однако процесс не останавливается в этой точке, так как относительная скорость вращения ротора достигает здесь наибольшего значения и ротор проходит точку с по инерции.

При дальнейшем росте угла δ мощность генератора уже не превышает мощность турбины и избыточный момент изменяет свой знак. Он начинает тормозить агрегат. Относительная скорость вращения v теперь уменьшается и в некоторой точке d становится равной нулю. Это означает, что в точке d вектор ЭДС вращается с той же угловой скоростью, что и вектор напряжения и угол δ между ними больше не возрастает. Однако процесс еще не останавливается, так как вследствие неравенства мощностей турбины и генератора на валу агрегата существует избыточный момент тормозящего характера, под влиянием которого частота вращения продолжает уменьшаться, и рабочая точка, характеризующая процесс на характеристике мощности, перемещается в обратном направлении к точке с. Эту точку ротор вновь проходит по инерции, и около точки b угол достигает своего нового минимального значения, после чего вновь начинает возрастать. После ряда постепенно затухающих колебаний в точке с устанавливается новый установившийся режим с прежним значением передаваемой мощности Р₀ и новым значением угла δ_уст. Картина колебаний угла δ во времени показана на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4

 

Возможен и другой исход процесса (см. рисунок 12.5). Торможение ротора, начиная с точки с, уменьшает относительную скорость вращения ЭДС v. Однако угол в этой фазе процесса все еще возрастает, и если он успеет достигнуть критической величины δ_кр в точке с на пересечении падающей ветви синусоиды мощности генератора с горизонталью мощности турбины Р₀ прежде, чем относительная скорость v упадет до нуля, в дальнейшем избыточный момент на валу машины становится вновь ускоряющим, скорость v начнет быстро возрастать и генератор выпадает из синхронизма (см. рисунок 12.6).

 

Рисунок 12.5

 

Таким образом, если в процессе качаний будет пройдена точка с^', то возврат к установившемуся режиму уже невозможен.

 

 

Рисунок 12.6

 

Можно сделать вывод, что, несмотря на теоретическую возможность существования нового установившегося (и статически устойчивого) режима в точке с, процесс качания машины при переходе к этому режиму может привести к выпадению машины из синхронизма. Такой характер нарушения устойчивости называется динамическим.

Основной причиной нарушений динамической устойчивости электрических систем являются обычно короткие замыкания, резко уменьшающие амплитуду характеристики мощности.

Внезапное отключение одной из двух параллельных линий