CONCEPTE DE BAZA SI CLASIFICARI ALE STABILITATII SEE

CONCEPTE DE BAZA SI CLASIFICARI ALE STABILITATII SEE

In general, stabilitatea sistemelor electroenergetice se defineste prin capabilitatea acestora de a ramane intr-o stare de echilibru dupa aparitia unei mici perturbatii si de a reveni intr-o stare de echilibru acceptabila dupa aparitia unei perturbatii mari. O perturbatie se defineste ca o modificare brusca sau ca o secventa de modificari bruste ale unuia sau mai multor parametri ai sistemului electric. In tabelul 2.1 se prezinta un tablou general al problemelor de stabilitate a sistemelor electroenergetice.

In functie de marimea perturbatiei considerate - care influenteaza metoda de calcul si predictia instabilitatii - acestea pot fi clasificate in doua categorii:

Perturbatiile mici - sunt acele perturbatii care permit o liniarizare a sistemului de ecuatii care modeleaza regimul de functionare a sistemului in jurul punctului initial de functionare. Astfel de perturbatii apar in mod frecvent in sistemul electroenergetic, ca de exemplu mici variatii ale puterilor consumate sau generate.

Perturbatiile mari (puternice sau severe) - sunt acele perturbatii care nu permit o liniarizare a sistemului de ecuatii care modeleaza regimul de functionare a sistemului electroenergetic. In acest caz, pentru modelarea fenomenelor dinamice se foloseste un sistem de ecuatii neliniare. Astfel de perturbatii mari pot fi considerate: scurtcircuitele trifazate, deconectarile de generatoare, consumatori sau parti ale retelei de transport.

O alta clasificare in functie de dinamica fenomenelor cuprinde:

(i) stabilitatea unghiului rotoric (fenomen rapid);

(ii) stabilitatea frecventei (dinamici lente si/sau rapide);

(iii) stabilitatea de tensiune (fenomen lent).

De asemenea, problemele de stabilitate pot fi clasificate in functie de domeniul de timp (tabelul 2.1 si fig. 2.2).

Tabelul 2.1

Clasificarea problemelor de stabilitate dintr-un SEE in functie de domeniul de timp

Figura 2.1 Concepte ale stabilitatii sistemelor electroenergetice

Figura 2.2 Domeniile de frecventa ale diferitelor fenomene dinamice

Stabilitatea la mici perturbatii este proprietatea ca, dupa aparitia unei perturbatii mici, sistemul electric sa isi regaseasca un regim de functionare identic sau apropiat de regimul permanent anterior perturbatiei.

Stabilitatea tranzitorie a sistemului electroenergetic este asigurata daca, dupa aparitia unei perturbatii mari, acesta revine intr-un regim permanent acceptabil de functionare.

In ceea ce priveste semnificatia fizica a fenomenului de stabilitate se au in vedere urmatoarele aspecte:

(i) Stabilitatea unghiului rotoric, definita ca proprietatea fiecarei masini sincrone de a-si pastra sincronismul in raport cu celelalte masini, in sensul ca unghiul relativ intre rotoarele a doua masini sincrone oarecare sa nu se modifice semnificativ, adica una dintre masini sa nu efectueze o rotatie (alunecare a pozitiei polilor rotorului) de 2π radiani in raport cu o alta masina, in conditii normale de functionare sau dupa o perturbatie. Stabilitatea unghiului rotoric vizeaza doua aspecte: stabilitatea la mici perturbatii si stabilitatea tranzitorie. In analiza stabilitatii unghiului rotoric ecuatia esentiala este cea de bilant al cuplurilor mecanic C_m si electromagnetic C_e, care determina accelerarea sau decelerarea rotorului masinii sincrone (ecuatia "de miscare"); diferenta algebrica dintre C_m si C_e constituie cuplul de accelerare C_a.

(ii) Stabilitatea de tensiune, definita ca proprietatea sistemului electroenergetic de a mentine un nivel de tensiune acceptabil in nodurile retelei si de a evita colapsul de tensiune; stabilitatea/instabilitatea de tensiune este determinata in principal de bilantul puterilor reactive in nodurile retelei electrice.

(iii) Stabilitatea frecventei se refera la capacitatea sistemului electroenergetic de a-si mentine frecventa intr-un domeniu dat ca urmare a unei perturbatii importante in functionarea sa, care poate sau nu sa conduca la separarea sistemului in subsisteme. In acest sens, sistemul trebuie sa poata mentine echilibrul intre puterile generate si cele consumate cu pierderi minime ale sarcinii; una din masurile de salvare a stabilitatii este descarcarea de sarcina.

Intr-o prima clasa a stabilitatii de unghi rotoric se inscrie stabilitatea la mici perturbatii, care comporta studiul stabilitatii locale in jurul unui punct de echilibru initial, pe baza sistemului de ecuatii liniarizate.

Variatia cuplului electromagnetic al unei masini sincrone ca urmare a aparitiei unei perturbatii mici, contine doua componente:

ΔCe=ΔCs+ΔCa=k_sΔδ+k_DΔω

In care:

k_sΔδ este componenta in faza cu variatia unghiului rotoric Δδ, denumita si cuplu sincronizant; k_s este coeficient de sincronizare

k_DΔω- componenta in faza cu variatia vitezei de rotatie Δω, denumita si cuplu de amortizare; k_D este coeficientul de amortizare.

Stabilitatea la mici perturbatii depinde de existenta ambelor componente ale cuplului electromagnetic al masinii sincrone si anume:

lipsa unui cuplu de sincronizare suficient conduce la instabilitate prin cresterea (cvasi)-aperiodica a unghiului rotoric (instabilitate aperiodica sau neoscilatorie);

lipsa unui cuplu de amortizare suficient determina instabilitatea prin oscilatii ale unghiului rotoric de amplitudine crescatoare (instabilitate oscilatorie).

Natura raspunsului sistemului la mici perturbatii depinde de un numar de factori care includ punctul initial de functionare, puterea sistemului de transport, respectiv, existenta si tipul sistemului de control al excitatiei. Astfel, in cazul unui generator sincron in lipsa regulatorului automat de tensiune - RAT (adica tensiunea de excitatie este considerata constanta):

daca ambele cupluri sunt pozitive, adica C_s>0 si C_a>0, atunci oscilatia se amortizeaza si sistemul este stabil (fig. 2.3,a);

Figura 2.3. a, b - Categorii de raspuns la mici perturbatii

daca C_s<0 si C_a>0, atunci instabilitatea se datoreaza lipsei unui cuplu suficient de sincronizare. Apare astfel o instabilitate printr-un mod non-oscilatoriu (fig. 2.3,b). In plus, daca se neglijeaza cuplul de amortizare (C_a= 0), atunci se obtine instabilitate aperiodica.

Fig.2.3 c,d - Categorii de raspuns la mici perturbatii

daca generatorul sincron dispune de RAT in functiune, atunci problema asigurarii stabilitatii la mici perturbatii este legata de existenta unei amortizari suficiente a oscilatiilor sistemului. Astfel, pentru C_s>0 si C_a>0 sistemul este stabil (fig.2.3,c).

in SEE moderne, in general pierderea stabilitatii la mici perturbatii are loc atunci cand variatia cuplului de amortizare devine negativa (C_a<0). Instabilitatea se produce normal prin cresterea amplitudinii oscilatiilor (fig. 2.3,d).

Problemele stabilitatii la mici perturbatii a unghiului rotoric pot fi:

- Probleme locale, care cuprind o mica parte a sistemului si sunt asociate cu oscilatiile unghiului rotoric ale unei singure centrale in raport cu restul sistemului. Astfel de oscilatii sunt numite moduri de oscilatie locale. Stabilitatea (amortizarea) acestor oscilatii depinde de puterea sistemului de transport, de sistemele de control al excitatiei generatorului si de puterea centralei.

- Probleme globale, care sunt cauzate de interactiunile intre marile grupuri de generatoare si efectul lor, se resimt pe suprafete intinse geografic. In acest caz, generatoarele dintr-o anumita zona oscileaza coerent, dar diferit in raport cu oscilatiile generatoarelor dintr-o alta zona a sistemului electroenergetic. Astfel de oscilatii apar in SEE de dimensiuni mari, atunci cand zonele respective sunt interconectate prin legaturi slabe (de mica capacitate) si sunt numite moduri de oscilatie intre zonele unui SEE.

Caracteristicile lor sunt foarte complexe si difera in mod semnificativ de cele ale modurilor de oscilatie locale. Caracteristicile sarcinilor, in particular, au un efect major asupra stabilitatii modurilor de oscilatie interzone.

In plus, in SEE apar si alte moduri de oscilatie, ca de exemplu:

modurile de reglaj care sunt asociate cu sistemele de reglare ale tensiunii si turatiei grupurilor generatoare sau cu sistemele de reglare ale compensatoarelor de putere reactiva, compensatoare sincrone, SVC, STATCOM;

modurile torsionale de oscilatii care sunt asociate cu componentele in rotatie (turbina-generator) si actioneaza asupra arborelui mecanic care face legatura intre turbina si generator.

Domeniul de timp pentru studiile de stabilitate la mici perturbatii este de ordinul a 1020 secunde dupa producerea unei perturbatii.

Instabilitatea poate sa apara si din cauza interactiunilor dintre frecventele de oscilatie ale rotorului si frecventa tensiunii de pe liniile electrice lungi compensate cu condensatoare in serie (datorita unor fenomene de rezonanta).

A doua clasa a stabilitatii de unghi este cea tranzitorie care se refera la revenirea la un nou regim permanent in care majoritatea masinilor sincrone componente functioneaza "in sincronism", dupa ce sistemul electric a parcurs un regim tranzitoriu datorat aparitiei unei perturbatii mari (scurtcircuite monofazate, bifazate sau trifazate, deconectarea unui grup generator, a unui consumator important sau a unei parti din reteaua de transport) (fig.2.4).

Stabilitatea tranzitorie depinde de starea initiala de functionare a SEE si de severitatea perturbatiei, dar mentinerea ei este conditionata si de performantele protectiilor prin relee si ale sistemelor de reglare automata.

Figura 2.4 Cazuri posibile ale stabilitatii

a. stabilitate; b. instabilitate la prima oscilatie; c. instabilitate oscilatorie

Raspunsul sau comportarea sistemului electric dupa aparitia unei perturbatii mari consta din variatii importante ale marimilor fizice (unghiurile rotoarelor generatoarelor, puterile active produse, tensiunile in nodurile retelei) si este influentat in principal de caracteristicile neliniare putere-unghi ale masinilor sincrone. Astfel, in cazul instabilitatii la prima oscilatie analiza se efectueaza pe un interval de timp de pana la 10 s, reprezentand stabilitatea tranzitorie pe termen scurt.

Daca se extinde intervalul de timp intre 10 s si cateva minute se considera domeniul de studiu al stabilitatii pe termen mediu, iar intre cateva minute si zeci de minute domeniul stabilitatii pe termen lung. In literatura de specialitate aceste ultime doua tipuri de stabilitate au fost clasificate in cea de a treia clasa si anume stabilitatea frecventei sau de frecventa.

Perturbatiile puternice ce pot aparea in sistemul electroenergetic determina variatii mari ale frecventei, ale circulatiei de puteri, tensiunilor etc. si se desfasoara pe perioade care necesita considerarea unor procese, automatizari si protectii ce nu sunt de obicei modelate in studiile de stabilitate a unghiului rotoric. Timpii caracteristici acestor procese si echipamente variaza intre cateva secunde (automatizarile si protectiile generatoarelor) si cateva minute (sistemele de automatizare specifice cazanelor). Instabilitatea sistemului apare din necorelarea dintre generare si consum si/sau un reglaj necorespunzator al frecventei sistemului.

Stabilitatea pe termen mediu analizeaza in special oscilatiile lente de putere intre masinile sincrone, precum si ale fenomenelor lente asociate variatiilor mari de tensiune si frecventa.

In cadrul stabilitatii pe termen lung se presupune existenta unei frecvente unice in sistem si se studiaza reactia centralelor electrice (dinamica cazanelor in centralele termoelectrice, dinamica vanelor si a conductelor in centrale hidroelectrice, precum si controlul automat al generarii, protectiilor si automatizarilor din centrale) la aparitia unor modificari importante in bilantul de puteri produse si consumate. In acest caz se neglizeaza fenomenele dinamice rapide. Un sistem electroenergetic intra intr-o stare de instabilitate de tensiune cand o perturbatie - cresterea sarcinii sau o modificare in topologie - determina o scadere progresiva si necontrolabila a nivelului de tensiune intr-un nod, intr-o zona sau in tot sistemul. Procesul de degradare a tensiunii este la inceput lent, apoi din ce in ce mai rapid si se produce, in general, daca sistemul functioneaza in vecinatatea limitei de putere transmisibila. Principala cauza a fenomenului de instabilitate de tensiune o constituie caderile de tensiune datorate circulatiei de putere prin elementele inductive ale retelei electrice de transport in urma:

. cresterii consumului de putere corelat cu un deficit local sau zonal de putere reactiva;

. unor incidente care:

slabesc controlul local sau zonal de tensiune (depasirea limitelor de putere reactiva la unele generatoare si/sau declansarea unor grupuri generatoare);

slabesc reteaua de transport (declansarea de linii electrice, de transformatoare sau autotransformatoare, defecte pe barele statiilor electrice etc.);

maresc puterea tranzitata prin reteaua de transport (declansarea unor grupuri generatoare, separarea retelelor).

. functionarii necorespunzatoare a reglajului sub sarcina a prizelor transformatoarelor

electrice.

In timp ce stabilitatea unghiulara si cea de frecventa sunt conditionate de echilibrul cuplurilor, respectiv al puterilor active din sistem, stabilitatea de tensiune este conditionata de existenta unei rezerve suficiente de putere reactiva care sa asigure mentinerea unui nivel corespunzator al tensiunii in toate nodurile.