Name: transient stability in synchronous generators
Uploaded: 2024-11-21T14:54:38.000Z
Duration: 1 min 30 s
Channel: JoVE

يعد نموذج الآلة المتزامنة أمرا بالغ الأهمية في دراسات الاستقرار العابر.
إنه يمثل آلة متزامنة ذات جهد داخلي ثابت خلف مفاعلة عابرة للمحور المباشر في ظل ظروف التسلسل الموجب ثلاثية الأطوار المتوازنة ، والإثارة المستمرة ، وعدم وجود خسائر أو تشبع.
هنا ، يتصل كل مولد بنظام يتكون من خطوط نقل ومحولات وأحمال وآلات أخرى ممثلة بناقل لا نهائي خلف مفاعلة النظام.
ضع في اعتبارك مولدا متزامنا متصلا بشبكة أو ناقل لانهائي بحجم جهد ثابت وطور وتردد. قوتها هي وظيفة جيبية لزاوية طاقة الماكينة.
أثناء العابرين ، تعتبر الفولتية الداخلية والحافلة ثابتة لحسابات الطاقة.
يتم استخدام معيار المساحة المتساوية عند حدوث تغيير في الخطوة في الطاقة الميكانيكية. يتسارع الدوار بسبب القصور الذاتي ، ويتجاوز نقطة الحالة المستقرة النهائية قبل أن يستقر بسبب التخميد الناتج عن الخسائر الميكانيكية والكهربائية.
ينطبق معيار المساحة المتساوية على جهاز واحد متصل بناقل لانهائي أو جهازين مترابطين.
بالنسبة للأنظمة متعددة الماكينات ، يتم حل معادلة التأرجح غير الخطية لكل آلة باستخدام التكامل العددي لتحديد الاستقرار وزاوية الطاقة القصوى.

نموذج مبسط للآلة المتزامنة

<div style="direction:rtl">
يعد نموذج الآلة المتزامنة أداة أساسية في تحليل وضمان الاستقرار لأنظمة الطاقة. يبسط هذا النموذج تمثيل آلة متزامنة في ظل ظروف تسلسل موجب متوازنة ثلاثية الطور، مع افتراض إثارة ثابتة وتجاهل الخسائر والتشبّع. يعد النموذج محوريًا لفهم سلوك المولدات المتزامنة المتصلة بشبكة الطاقة، وخاصة أثناء الأحداث المؤقتة.

في هذا النموذج، يتم توصيل كل مولد بنظام يتضمن خطوط نقل ومحولات وأحمال وآلات أخرى، وكلها ممثلة بحافلة لا نهائية خلف مفاعلة النظام. يفترض مفهوم الحافلة اللانهائية مقدار جهد ثابت وطور وتردد، ويعمل كنقطة مرجعية لتحليل استقرار النظام.

عند النظر إلى مولد متزامن متصل بالشبكة، فإن طاقة خرجه هي دالة جيبية لزاوية قدرة الآلة (δ). يتم التعبير عن هذه العلاقة على النحو التالي:

<img alt="Equation1" src="/files/ftp_upload/16169/16169_PT_Equation_001.svg" style="height: 50px;">

حيث V_bus هو جهد الناقل، وE^’ هو الجهد الداخلي للمولد، و X_eq هي المفاعلة. أثناء الأحداث العابرة، يُفترض أن الجهد الداخلي E وجهد الناقل V يظلان ثابتين، مما يبسط حسابات القدرة.

معيار المساحة المتساوية هو طريقة بيانية تستخدم لتقييم استقرار النظام بعد حدوث تغيير مفاجئ في القدرة الميكانيكية. فعندما يحدث تغيير تدريجي، يتسارع دوران الآلة المتزامنة بسبب قصوره الذاتي، ويتجاوز موضعه النهائي في الحالة المستقرة قبل الاستقرار من خلال تأثيرات التخميد للخسائر الميكانيكية والكهربائية. وينص المعيار على أن المساحة التي تمثل قوة التسارع (القوة الميكانيكية ناقص القوة الكهربائية) يجب أن تساوي المساحة التي تمثل قوة التباطؤ حتى يعود النظام إلى نقطة التشغيل المستقرة.

إن معيار المساحة المتساوية مفيد بشكل خاص لتحليل آلة واحدة متصلة بحافلة لا نهائية أو آلتين مترابطتين. بالنسبة للأنظمة المتعددة الآلات الأكثر تعقيدًا، يتطلب تحليل الاستقرار العابر حل معادلة التأرجح غير الخطية لكل آلة باستخدام تقنيات التكامل العددي. يأخذ هذا النهج في الاعتبار التفاعلات بين المولدات المتعددة ويحدد الاستقرار العام للنظام وزاوية القدرة القصوى التي يمكن لكل مولد تحملها.

باختصار، يوفر نموذج الآلة المتزامنة، المكمل بمعيار المساحة المتساوية وطرق التكامل العددي، إطارًا قويًا لتحليل وضمان الاستقرار المؤقت لأنظمة الطاقة. إن فهم هذه المفاهيم أمر ضروري للحفاظ على استقرار الشبكة، وخاصة في مواجهة الاضطرابات وظروف التشغيل المتغيرة.
</div>

يعد نموذج الآلة المتزامنة أمرا بالغ الأهمية في دراسات الاستقرار العابر.
إنه يمثل آلة متزامنة ذات جهد داخلي ثابت خلف ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

الهندسة الكهربائية

Unit 1

الوحدة الأولى

Transient Stability and System Controls

الاستقرار العابر وأنظمة التحكم

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

Simplified Synchronous Machine Model

transient stability in synchronous generators

The synchronous machine model helps students analyze transient stability in power systems. It represents a synchronous generator under balanced three-phase positive-sequence conditions. The model assumes constant excitation and ignores losses and saturation. These simplifications make it easier to study how a generator behaves during a disturbance.

In this setup, the generator is connected to a network of transmission lines, transformers, loads, and other machines. That larger system is often represented by an infinite bus behind a system reactance. An infinite bus has constant voltage magnitude, phase, and frequency, so it serves as a stable reference for analysis.

For a synchronous generator connected to the grid, output power changes with the machine power angle, δ. The power follows a sinusoidal relationship with the bus voltage, the internal generator voltage E', and the equivalent reactance Xeq. During transient events, the internal voltage E and the bus voltage V are treated as constant, which simplifies the power calculation.

The Equal-Area Criterion is a graphical way to test stability after a sudden change in mechanical power. When a step change occurs, the rotor accelerates because of its inertia. It may overshoot its final steady-state position before damping from mechanical and electrical losses brings it back.

The criterion says the accelerating area, which is the difference between mechanical power and electrical power, must equal the decelerating area for the system to return to a stable operating point. This method is especially useful for a single machine connected to an infinite bus or for two interconnected machines. For more complex multi-machine systems, engineers solve each generator's nonlinear swing equation with numerical integration methods.

These calculations account for how multiple generators interact and help determine overall system stability. They also show the maximum power angle each generator can sustain. Together, the synchronous machine model, the Equal-Area Criterion, and numerical integration provide a practical framework for studying transient stability in power grids.

Transient Stability in Synchronous Generators

transient-stability-in-synchronous-generators

the swing equation

Generator Rotor Motion and the Swing Equation

Generator rotor motion is described by the Swing Equation in power system dynamics. It is used to study generating units such as three-phase synchronous generators. The equation comes from Newton’s second law applied to the generator rotor. It links inertia, angular acceleration, and the balance between mechanical and electrical torques. In steady-state operation, the mechanical torque supplied to the generator is equal to the electrical torque produced by the generator. When these torques...

simplified synchronous machine model

The synchronous machine model helps students analyze transient stability in power systems. It represents a synchronous generator under balanced three-phase positive-sequence conditions. The model assumes constant excitation and ignores losses and saturation. These simplifications make it easier to study how a generator behaves during a disturbance. In this setup, the generator is connected to a network of transmission lines, transformers, loads, and other machines. That larger system is often...

multimachine stability

Power-System Stability in Multi-Machine Networks

Power-system stability in multi-machine networks focuses on how several synchronous machines behave as they stay connected to an N-bus power system. The analysis solves the swing equations for the machines and tracks how the network responds when conditions change. It is used to study transient stability, which is the system’s ability to stay in step after a disturbance. The network is written with nodal equations that link bus voltages, machine voltages, and machine currents. In this model, V...

wind turbine machine models

Wind Turbine Types and Generator Control

Wind turbine machine models are used to study how wind turbines behave in transient stability analysis. In this setting, induction machines and synchronous machines are the main model types. Induction machines are common because they are simple and reliable. Induction machines work through the rotating magnetic field made by the stator and rotor. A key term is slip, which is the difference between synchronous speed and rotor speed relative to synchronous speed. Slip is zero at synchronous...

generator voltage control

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

Generator voltage regulation helps keep synchronous generators and wind turbines working stably. Older systems use a DC generator driven by the rotor to supply DC power to the rotor field winding. That power is passed through slip rings and brushes. Newer systems use static exciters or brushless exciters. A static exciter rectifies AC power from the generator terminals and sends DC power directly to the rotor. A brushless exciter uses an inverted synchronous generator, takes AC power from...

turbine-governor control

How Turbine Governors Stabilize Power Output

Turbine-governor control helps keep generator frequency and rotor speed stable when electrical load changes. It does this by matching turbine mechanical power with the power demand on the system. In a power grid, that balance is important for steady operation. Turbine-generator units also store kinetic energy because their parts are rotating. When load increases, that stored energy is released to help meet the demand. At first, electrical torque rises while mechanical torque stays nearly...

load-frequency control

Load-frequency control in power grids

Load-frequency control keeps a power grid stable when electrical demand changes. It helps keep system frequency and power flow within acceptable limits. Turbine-governor control reduces rotor speed changes after a load shift, but a steady-state frequency error can still remain when the turbine-governor reference setting does not change. In an interconnected power system, each area agrees to export or import a scheduled amount of power through tie-lines, which are the transmission lines that...

key terms and concepts

Explore how the synchronous machine model, infinite bus, and Equal-Area Criterion are used to study transient stability in power systems and grid behavior.

Transient Stability in Synchronous Generators | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

electrical engineering

Transient Stability in Synchronous Generators

Description

Transcript