Gerilim Kararlılığı

Gerilim kararlılığı, bir güç sisteminin normal çalışma koşulları altında ve bir bozulmaya maruz bırakıldıktan sonra sistemdeki tüm baralarında sabit gerilimleri muhafaza etme kabiliyeti ile ilgilidir. Meydana gelebilecek kararsızlık, bazı baraların gerilimlerinin aşamalı düşmesi veya yükselmesi şeklinde gerçekleşir. Gerilim kararsızlılığının olası sonucu, gerilimlerin kabul edilemeyecek derecede düşük değerlere ulaştığı veya güç sisteminin bütünlüğünün kaybolduğu bölgede yükün kaybıdır. Bara gerilimlerindeki aşamalı düşüş, adım dışına çıkan rotor açılarıyla da ilişkilendirilebilir. Örneğin, iki makine grubu arasındaki rotor açıları 1800_{’ye yaklaştığı zaman veya bu değeri}

geçtiğinde makinelerin senkronizasyonu yavaş yavaş kaybedildiğinde, elektrik merkezine yakın şebekedeki orta noktalarda çok düşük gerilimler oluşacaktır [25]. Bunun aksine, gerilim kararsızlığına bağlı sürekli gerilim düşüşü tipi, rotor açısı kararlılığının önemli olmadığı durumlarda ortaya çıkar [94].

Gerilim kararsızlığı, iletim ve üretim sistem bileşiminin kapasitesinin ötesinde güç tüketimini yeniden oluşturmak için yük dinamiklerinin girişimlerinden kaynaklanır. Gerilim olgusu birçok şebeke barasında büyük şekillerde kontrol edilemeyen gerilim

düşüşleri şeklinde kendini gösterir. Maksimum ulaşılabilir güç sınırı aşıldığında, yük güç düzenleme mekanizması dengesiz hale gelir ve tüketilen güç azalabilir. Herhangi bir kararlılık problemi dinamikleri içerir ve bunlar ya diferansiyel denklemler (sürekli dinamikler) ile ya da fark denklemleri ile (ayrık dinamikler) modellenebilir. Yükler; gerilim kararsızlığının itici gücüdür ve bu nedenle bu olguya aynı zamanda yük dengesizliği de denir [97]. Gerilim kararsızlığı ve gerilim çökmesi birbirinin yerine kısmen kullanılabilir. Gerilim kararlılığı veya gerilim çökmesi sıklıkla statik (güç akışı) analizler için bir sürekli durum “uygulanabilir” problemine uygun olarak ele alınmıştır. Sürekli işletme şartları sırasında üretim kaynaklarından tüketim noktalarına reaktif güç transfer etme yeteneği gerilim kararlılığının en önemli yönüdür. Şebeke maksimum güç transfer limiti mutlaka gerilim kararlılık limiti değildir. Gerilim kararsızlığı veya çökmesi dinamik bir süreçtir. Kararlılık kelimesi bir dinamik sistemi ima eder. Bir güç sistemi dinamik bir sistemdir. Gerilim kararlılığı yük kararlılığı olarak isimlendirilir [98].

Gerilim, güç sistemi tepkisinin ayrılmaz bir parçası olarak düşünülmüştür ve sistem kararlılığı ve güvenliğinin önemli bir parçasıdır. Böylece gerilim kararsızlığı ve çöküşü, sistem kararlılığı probleminden ayrılamaz. İletim hatlarındaki artan yük, reaktif güç kısıtlamaları, yük kademe değiştiricisi dinamikleri ve yük karakteristikleri gibi gerilim çökmesine katkıda bulunan çeşitli faktörler vardır. Gerilim kararlılığının aksine, kontrolsüz generatör rotor salınımlarından kaynaklanan senkronizasyon kaybı problemi, açı dengesi olarak adlandırılır. Senkronizasyon kaybına aynı zamanda gerilim kararsızlığı da eşlik edebilir. Bununla birlikte, mevcut bağlamda gerilim kararsızlığı, gerilim çökmesine yol açan bir bozulma tarafından tetiklenen gerilimde kontrolsüz bir düşüş anlamına gelir ve esas olarak yük ile bağlantılı dinamiklerden kaynaklanır. Gerilim çökmesi üzerine frekans artabilir, ancak generatörler normalde senkronizasyonda kalır [99].

Rotor açısı kararlılığında olduğu gibi, gerilim kararlılığı da aşağıdaki alt kategorilere ayrılabilir [94]:

1.Büyük arıza gerilim kararlılığı, bir sistemin sistem arızaları, generatör kaybı veya devre arızaları gibi büyük bozucuları takiben gerilimleri kontrol etme kabiliyeti ile ilgilidir. Bu yeteneği, sistem yük özellikleri ve sürekli ve ayrık kontrollerin ve korumaların etkileşimleri belirler. Büyük bozucu kararlılığın saptanması, bir sistemin doğrusal olmayan dinamik performansının, yük altında transformatör kademe değiştiricileri ve generatör alan akım sınırlayıcıları gibi cihazların etkileşimlerini yakalamak için yeterli bir süre boyunca

incelenmesini gerektirir. Çalışma süresi, birkaç saniyeden onlarca dakikaya kadar uzayabilir. Bu nedenle, analiz için uzun dönemli dinamik simülasyonlar gerekir.

2.Küçük bozulma gerilim kararlılığı, bir sistemin sistem yükündeki artma değişiklikleri gibi küçük dalgalanmaları takiben gerilimleri kontrol etme kabiliyeti ile ilgilidir. Bu kararlılık şekli yüklerin özellikleri, sürekli kontroller ve belirli bir zamanda ayrık kontroller tarafından belirlenir. Bu konsept, herhangi bir anda sistem geriliminin küçük sistem değişikliklerine nasıl tepki vereceğini belirlemede yararlıdır. Statik analizler, kararlılık marjlarını belirlemede, kararlılığı etkileyen faktörleri belirlemede, geniş bir sistem koşulları aralığını ve çok sayıda beklenmedik durum sonrası senaryoları incelemede etkin bir şekilde kullanılabilmektedir. Küçük bozulma gerilim kararlılığı için bir kriter, sistemdeki her bir bara için belirli bir çalışma koşulunda, aynı baradaki reaktif güç enjeksiyonu arttıkça bara gerilim büyüklüğünün artmasıdır. Sistemdeki en azından bir bara için, aynı baradaki reaktif güç enjeksiyonu (Q) arttıkça, bara gerilim büyüklüğü (V) düşerse, bu sistem gerilimi kararsızdır. Başka bir deyişle, bir sistem, V-Q duyarlılığı her bara için pozitifse gerilim kararlıdır ve en az bir bara için V-Q duyarlılığı negatifse kararsızdır.

Gerilim kararlılığı kısa veya uzun dönemli bir olgu olabilir. Oluşan olgunun süresi temel alınarak gerilim kararlılığını aşağıdaki gibi sınıflandırmak ve analiz etmek genellikle daha etkilidir [94]:

Kısa dönemli gerilim kararlılığı, indüksiyon motorları, elektronik olarak kontrol edilen yükler ve HVDC dönüştürücüler gibi hızlı hareket eden cihazların dinamiklerini içerir. Uzun süreli gerilim kararlılığı, kademe değiştiren transformatörler, termostatik olarak kontrol edilen yükler ve generatör alan akım sınırlayıcıları gibi yavaş çalışan cihazları içerir. Çalışma süresi birkaç dakikaya kadar uzayabilir.