送電線電圧安定性の計算経過 ( 送電線が R と X の時 ) 以下では受電電圧 Vrが変数 Pのどの様な関数になっているかを求めます Vr Vs 負荷設備 Z = R + jx Ir Is 調相設備送電端 Ic = jyvr 受電端第 1 図系統図 P - jq jy( モー ) Vr 受電端相電圧 Vs 送電端相電圧 Z 送電線インピーダンス R 送電線抵抗分 X 送電線リアクタンス分 Is 送電線電流 Ir 負荷電流 Ic 調相電流 P 負荷有効電力 (1 相分 ) Q 負荷無効電力 (1 相分 ) Y 負荷設備サセプタンス Ic=jYVr Vs α Is θ Vr RIs jxis θ α VrとVsのなす角度 VrとIsのなす角度 Ir -Ic=-jYVr 第 2 図電圧電流ベクトル図 ( 以下では例えばVをベクトルとしVをVの絶対値として扱います ) 第 1 図及び第 2 図あるいは以下の計算式では全て受電電圧 Vrを基準ベクトルとします 第 1 図及び第 2 図から (1) から (4) が成り立ちます Vs = VsCOSθ + jvssinθ (1) Is = IsCOSα - jissinα (2) Vs = Vr + (R + jx)is (3) Ir = Is - Ic = Is - jyvr (4) (3) に (1)(2) を入れます VsCOSθ + jvssinθ = Vr + (R + jx)(cosα - jsinα)is (5) (5) から (VsCOSθ - Vr) + jvssinθ {(VsCOSθ - Vr) + jvssinθ}(r - jx) (COSα-jSINα)Is = = R + jx
(6) から R(VsCOSθ - Vr) + XVsSINθ X(VsCOSθ - Vr) - RVsSINθ = -j IsCOSα= R(VsCOSθ - Vr) + XVsSINθ (6) (7) IsSINα= X(VsCOSθ - Vr) - RVsSINθ (8) (2) を (4) にいれます Ir = Is - Ic = Is - jyvr = IsCOSα - j(issinα + YVr) (9) (9) に (7)(8) をいれます Ir= R(VsCOSθ - Vr) + XVsSINθ X(VsCOSθ - Vr) - RVsSINθ -j{ + YVr} (10) Vrを基準ベクトルとしますと Vr = Vr (11) として表せます またVrの共役のベクトルは Vr = Vr (12) となります この事から負荷電力 Wrは次の様になります Wr = IrVr = IrVr (13) (13) に (10) をいれます Wr= R(VsVrCOSθ - Vr 2 ) + XVsVrSINθ X(VsVrCOSθ - Vr 2 ) - RVsVrSINθ -j{ + YVr 2 } = P - jq (14) (14) から P= R(VsVrCOSθ - Vr 2 ) + XVsVrSINθ (15) X(VsVrCOSθ - Vr 2 Q= ) - RVsVrSINθ + YVr 2 (16) = Z 2 (17) (17) を (15)(16) にいれて (18)(19) の様にします
RVsVrCOSθ + XVsVrSINθ= PZ 2 + RVr 2 (18) XVsVrCOSθ - RVsVrSINθ= QZ 2 + (X - YZ 2 )Vr 2 (19) COSθと SINθを未知数として (18)(19) を連立方程式として解きます 先ずCOSθを求めます (18)*Rを(20) とします R 2 VsVrCOSθ + RXVsVrSINθ = PRZ 2 + R 2 Vr 2 (20) (19)*Xを(21) とします X 2 VsVrCOSθ - RXVsVrSINθ = QXZ 2 + X(X - YZ 2 )Vr 2 (21) (20)+(21)=(22) とします (R 2 + X2)VsVrCOSθ = (PR + QX)Z 2 + ( )(1 - XY)Vr 2 (22) (22) から COSθが (23) の様に求める事が出来ます COSθ= (RP + XQ) + (1 - XY)Vr 2 VsVr (23) 次にSINθを求めます (18)*Xを(24) とします RXVsVrCOSθ + X 2 VsVrSINθ = PXZ 2 + RXVr 2 (24) (19)*Rを(25) とします RXVsVrCOSθ - R 2 VsVrSINθ = QRZ 2 +R(X - YZ 2 )Vr 2 (25) (24)-(25)=(26) とします ( )VsVrSINθ = (XP -RQ)Z 2 + RYZ 2 Vr 2 (26) (26) から SINθが (27) の様に求める事が出来ます SINθ= (XP - RQ) + RYVr 2 VsVr (27) (23) の辺々を2 乗します {(RP + XQ) + (1 - XY)Vr 2 } 2 COS 2 θ= VsVr (28) (27) の辺々を2 乗します { (XP - RQ) + RYVr 2 } 2 SIN 2 θ= (29) VsVr (28)(29) の辺々の和をとりこれを整理すると (30) の様になります
(1-2XY + Y 2 Z 2 )Vr 4 + {2(RP + XQ - QYZ 2 ) - Vs 2 }Vr 2 + (P 2 + Q 2 )Z 2 = 0 (30) (30) をVrを未知数として解きます V = Vr 2 (31) と置いて (31) を (30) にいれます (1-2XY + Y 2 Z 2 )V 2 + {2(RP + XQ - QYZ 2 ) - Vs 2 }V + (P 2 + Q 2 )Z 2 = 0 (32) とすればVの2 次方程式となります ここで Q = βp (33) と置いて (33) を (32) にいれます (1-2XY + Y 2 Z 2 )V 2 + {2(R + βx - βyz 2 )P - Vs 2 }V + (1 + β 2 )Z 2 P 2 = 0 (34) (34) に於いて A = 1-2XY + Y 2 Z 2 (35) B = 2(R + βx - βyz 2 )P - Vs 2 (36) C = (1 + β 2 )Z 2 P 2 (37) とします (35)(36)(37) を (34) にいれます AV 2 + BV + C = 0 (38) (38) をVについて解きます V = -B ± B 2-4AC 2A (39) (31) で V = Vr 2 と置いたので Vr = V = -B ± B 2-4AC (40) 2A Vrに負値は無いので (40) では負値は除きます (40) が変数 Pに対するVrの式となります (40) の B 2-4AC の前の ± の中の + が電圧安定性の 高め電圧 を-が 低め電圧 を示します負荷限界有効電力 Pmax は B 2-4AC = 0 となる時のP 値で示されます 送電線電圧安定解析ソフトでは (40) 式の P を 0 から少しづつ Pmax まで増加させた時の Vr をプロットして描画したものです 高橋電気管理事務所高橋永次
送電線電圧安定性の計算経過 ( 送電線が X のみの時 ) 以下では受電電圧 Vrが変数 Pのどの様な関数になっているかを求めます Vr Vs 負荷設備 Z = jx Ir Is 調相設備送電端 Ic = jyvr 受電端第 1 図系統図 P - jq jy( モー ) Vr 受電端相電圧 Vs 送電端相電圧 Z 送電線インピーダンス X 送電線リアクタンス分 Is 送電線電流 Ir 負荷電流 Ic 調相電流 P 負荷有効電力 (1 相分 ) Q 負荷無効電力 (1 相分 ) Y 負荷設備サセプタンス Vs Ic=jYVr α Is θ Vr jxis θ α VrとVsのなす角度 VrとIsのなす角度 Ir -Ic=-jYVr 第 2 図電圧電流ベクトル図 ( 以下では例えばVをベクトルとしVをVの絶対値として扱います ) 第 1 図及び第 2 図あるいは以下の計算式では全て受電電圧 Vrを基準ベクトルとします 第 1 図及び第 2 図から (1) から (4) が成り立ちます Vs = VsCOSθ + jvssinθ (1) Is = IsCOSα - jissinα (2) Vs = Vr + jxis (3) Ir = Is - Ic = Is - jyvr (4) (3) に (1)(2) を入れます VsCOSθ + jvssinθ = Vr + jx(cosα - jsinα)is (5) (5) から (VsCOSθ - Vr) + jvssinθ VsSINθ- j(vscosθ - Vr) (COSα-jSINα)Is = = jx X
(6) から VsSINθ VsCOSθ - Vr = -j X X IsCOSα= VsSINθ X (6) (7) IsSINα= VsCOSθ - Vr X (8) (2) を (4) にいれます Ir = Is - Ic = Is - jyvr = IsCOSα - j(issinα + YVr) (9) (9) に (7)(8) をいれます Ir= VsSINθ VsCOSθ - Vr -j{ X X + YVr} (10) Vrを基準ベクトルとしますと Vr = Vr (11) として表せます またVrの共役のベクトルは Vr = Vr (12) となります この事から負荷電力 Wrは次の様になります Wr = IrVr = IrVr (13) (13) に (10) をいれます Wr= VsVrSINθ VsVrCOSθ - Vr 2 -j{ X X + YVr 2 } = P - jq (14) (14) から P= VsVrSINθ X (15) VsVrCOS 1 Q= - ( - Y) Vr 2 (16) X X (15)(16) を (17)(18) の様にします
VsVrSINθ= PX (17) VsVrCOSθ = QX + (1 - XY)Vr 2 (18) (17)(18) を辺々 2 乗します (VsVrSINθ) 2 = P 2 X 2 (19) (VsVrCOSθ) 2 ={ QX + (1 - XY)Vr 2 } 2 (20) (19) + (20) を行って整理します Vs 2 Vr 2 = P 2 X 2 + {QX + (1 - XY)Vr 2 } 2 (21) (21) を更に整理します (1 - XY) 2 Vr 4 + {2QX(1 - XY) - Vs 2 }Vr 2 + (P 2 + Q 2 )X 2 = 0 (22) (22) をVrを未知数として解きます V = Vr 2 (23) と置いて (23) を (22) にいれます (1 - XY) 2 V 2 + {2QX(1 - XY) - Vs 2 }V + (P 2 + Q 2 )X 2 = 0 (24) とすればVの2 次方程式となります ここで Q = βp (25) と置いて (25) を (24) にいれます (1 - XY) 2 V 2 + {2β(1 - XY)PX - Vs 2 }V + (1 + β 2 )P 2 X 2 = 0 (26) (26) に於いて A = (1 - XY) 2 (27) B = 2β(1 - XY)PX - Vs 2 (28) C = (1 + β 2 )P 2 X 2 (29) と置きます (27)(28)(29) を (26) にいれます AV 2 + BV + C = 0 (30) (30) をVについて解きます V = -B ± B 2-4AC (31) 2A (23) で V = Vr 2 と置いたので Vr = V = -B ± B 2-4AC (32) 2A Vrに負値は無いので (32) では負値は除きます (32) が変数 Pに対するVrの式となります
(32) の B 2-4AC の前の ± の中の + が電圧安定性の 高め電圧 を - が 低め電圧 を示します負荷限界有効電力 Pmax は B 2-4AC = 0 となる時の P 値で示されます 高橋電気管理事務所高橋永次