Sistem electroenergetic (SEE)

1. Consideratii generale.

Un sistem electroenergetic (SEE) are rolul de a converti sursele de energie in energie electrica si de a transporta aceasta energie in zonele de consum precum si de a o distribui la consumatori. Avantajul utilizarii energiei electrice rezulta din faptul ca aceasta poate fi transportata pe distante mari si controlata usor cu un grad mare de eficienta si fiabilitate.

In acest context, proiectarea si exploatarea SEE trebuie sa satisfaca urmatoarele cerinte fundamentale:

trebuie sa fie capabil sa satisfaca in permanenta cererea de putere activa si reactiva a consumatorilor. Datorita variatiei continue a consumului de energie, sistemele electroenergetice trebuie sa dispuna de rezerve de putere activa si reactiva controlabile in orice moment.

trebuie sa furnizeze energia ceruta la costuri mici si impact ecologic mic.

trebuie sa asigure parametrii de calitate ai energiei furnizate (U=constant, f=constant), la o fiabilitate ridicata.

Pentru a satisface aceste cerinte, sistemele electroenergetice sunt controlate pe nivele ierarhice, folosind in acest sens o diversitate de dispozitive de reglare si control.

Aspectele tehnico-economice legate de planificarea, exploatarea si controlul SEE, in ansamblu, sunt complexe si vizeaza atat problemele specifice fiecarui subsistem (sistem de producere, de transpot, de distributie si furnizare), dar mai ales interactiunile dintre acestea care definesc domeniul de activitate al ingineriei de sistem. In acest context se dezvolta metode de calcul si analiza asistate de calculator care sa monitorizeze aceste probleme atat in conditii normale de functionare cat si anormale de functionare.

Un SEE este considerat ca functioneaza in conditii normale atunci cand nu este perturbat de aparitia unor modificari a structurii sale sau a marimilor ce il caracterizeaza, in special puterea ceruta de consumatori. In momentul aparitiei perturbatiilor (conectari sau deconectari de linii, de consumatori, de generatore, sau modificarea puterii cerute de consumatori), sistemul este dezechilibrat si se declanseaza procese tranzitorii care trebuiesc monitorizate si reglate, iar aceste concepte stau la baza problemelor ce trebuiesc rezolvate prin metode de calcul si analiza asistate de calculator care sunt cunoscute sub numele de studii de stabilitate.

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 a unuia sau mai multor parametri ai sistemului electric.

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 1.1 si fig. 1.2).

Tabelul 1.1 Clasificarea problemelor de stabilitate dintr-un SEE in functie de domeniul de timp

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 si electromagnetic care determina accelerarea/ decelerarea rotorului masinii sincrone (ecuatia "de miscare").

(ii) Stabilitatea de tensiune, definita ca proprietatea sistemului electroenergetic de a mentine un nivel de tensiune in limite acceptabile in toate nodurile retelei atat in conditii normale, cat si in urma unor perturbatii 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. Se stie ca una din masurile de salvare a stabilitatii este descarcarea de sarcina.

(iv) Clasa stabilitatii de unghi inscrie stabilitatea la mici perturbatii care comporta studiul stabilitatii locale in jurul unui punct de echilibru initial, pe baza sistemului de ecuatii linearizate, dar se refera si 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).

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

Analiza stabilitatii tranzitorii 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.

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 iar 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.

Desi in esenta instabilitatea de tensiune este un fenomen local, consecintele sale au un impact major in functionarea de ansamblu a sistemului putand conduce la colapsul de tensiune.

Fenomenul de "prabusire" sau "colaps" de tensiune consta intr-o succesiune de evenimente in cascada, insotite de fenomenul de instabilitate, ce determina reducerea drastica a nivelului de tensiune intr-o zona sau in tot sistemul, antrenand in final si pierderea stabilitatii unghiulare a sistemului.

Sistemul electroenergetic este stabil in tensiune, relativ la o perturbatie oarecare, daca:

(i)             in urma perturbatiei traiectoria sistemului tinde catre un punct de echilibru stabil caracterizat de un nivel de tensiune acceptabil;

(ii)           valorile tensiunilor in timpul procesului tranzitoriu de trecere la noua stare de echilibru se mentin in limitele admisibile.

Instabilitatea de tensiune consta intr-un proces de diminuare sau crestere necontrolata a nivelului de tensiune intr-o zona sau in tot sistemul. In urma unui astfel de fenomen, sistemul electroenergetic poate suferi o prabusire partiala sau totala a nivelului de tensiune, daca valorile tensiunilor in starea de echilibru de dupa avarie sunt inferioare valorilor limita admisibile.

Din punct de vedere practic, stabilitatea de tensiune poate fi definita astfel: "un sistem electroenergetic vazut dintr-un nod i este stabil din punct de vedere al tensiunii in acel nod daca adaugarea unei conductante , respectiv a unei susceptante , eventual infinitezimale, determina o crestere a puterii active, respectiv reactive consumate si in acelasi timp o scadere a tensiunii in nodul considerat".

Aceasta definitie constituie de fapt conditia necesara si suficienta de controlabilitate in tensiune a sistemului electroenergetic si poate fi exprimata matematic prin intermediul relatiilor(1.1):

(1.1)

Conditiile de stabilitate (1.1) sunt mai generale decat cele care definesc stabilitatea clasica:

(1.2)

Un sistem electroenergetic este stabil din punct de vedere al tensiunii, in sensul definitiei de mai sus, in toate nodurile.

Aceste definitii pot fi detaliate intr-o maniera mult mai completa in functie de marimea perturbatiei si dinamica fenomenelor, astfel:

Stabilitatea de tensiune la mici perturbatii.

Un sistem electroenergetic aflat in conditii de exploatare date si supus unei mici perturbatii este stabil din punct de vedere al tensiunii daca in noua stare de echilibru valorile tensiunilor in nodurile ce deservesc zonele de consum sunt identice sau apropiate de valorile inregistrate in starea anterioara de echilibru. Aceste caz corespunde unui model dinamic liniarizat in jurul punctului de echilibru avand valorile proprii cu partea reala negativa. In general, instabilitatea de tensiune la mici perturbatii este caracterizata de trecerea prin zero a unei valori proprii reale si corespunde unei bifurcatii statice de tip nod sa.

● Stabilitatea de tensiune la mari perturbatii.

Fenomenele de instabilitate si colaps de tensiune, in majoritatea cazurilor, sunt declansate in timpul proceselor dinamice ce urmeaza unei perturbatii mari, incluzand si cresterea sarcinii sau a puterii transportate, datorita unui deficit de putere reactiva in sistem corelat cu un comportament dinamic defavorabil al sarcinii si al mijloacelor de control a tensiunii. Aceste procese dinamice sunt dependente de timpul de raspuns al echipamentelor si pot dura un interval de timp care variaza de la cateva fractiuni de secunda pana la zeci de minute.

Astfel, putem defini noile concepte de stabilitate de tensiune tranzitorie si stabilitate de tensiune pe termen lung.

Instabilitatea tranzitorie de tensiune se poate produce intr-un interval de timp de cateva secunde de la aparitia perturbatiei si este cauzata de sarcini avand un timp de raspuns rapid cum sunt motoarele asincrone, convertoarele din statiile terminale ale legaturilor de tensiune continua etc.

Instabilitatea de tensiune pe termen lung poate fi declansata de procesul lent de revenire a sarcinii determinat fie de actiunea transformatoarelor cu reglaj sub sarcina, fie de actiunile de reglaj aferente sarcinilor termostatate, care urmeaza unei mari perturbatii, corelat cu limitarea curentului rotoric sau statoric al generatoarelor. Prabusirea tensiunii apare dupa un interval de timp cuprins intre 0.5 si 30 de minute.

Desi instabilitatea, respectiv prabusirea tensiunii este un fenomen dinamic, stabilitatea de tensiune pe termen lung datorita dinamicii lente care o caracterizeaza, poate fi analizata prin simulari statice bazate pe modelul de calcul al regimului permanent.

Este important de mentionat faptul ca in timpul perioadei ce precede prabusirea tensiunii, frecventa tensiunii ramane practic constanta sau chiar putin ridicata. Prin urmare, in aceasta faza, un plan de prevenire a instabilitatii de tensiune bazat numai pe delestajul de sarcina este ineficient si nu va putea evita prabusirea tensiunii care va conduce in final la anularea capacitatii de transport a retelei si, in consecinta, la pierderea sincronismului intre grupurile situate la extreme. Caracteristica esentiala a instabilitatii de tensiune pe termen lung este ca pierderea sincronismului este rezultatul prabusirii tensiunii si nu cauza sa.

In consecinta, pentru prevenirea colapsului total sau partial al sistemului, in astfel de situatii de urgenta, este necesar un plan de salvare care sa coreleze si sa coordoneze actiunile de blocare a reglajului automat al ploturilor transformatoarelor cu reglaj sub sarcina si conectarea de noi surse de putere reactiva care sa previna limitarea curentului rotoric sau statoric al unor generatoare puternic incarcate.