现代电网的稳定性和安全性研究综述

王新雨+何勇寰+金鑫

摘要：本文针对励磁在维持电力系统稳定性中发挥的重要作用，梳理目前有关励磁方面的研究情况和成果，主要包括以下三方面内容：同步发电机励磁控制、变压器励磁涌流识别、混合励磁电机技术。文章着重介绍了同步发电机励磁控制模型、变压器励磁涌流识别方法以及各种混合励磁电机技术。

关键词：电力系统稳定性；励磁控制；励磁涌流识别；混合励磁电机

一、引言

励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置，励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁系统包括励磁电源和励磁装置，其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器；励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求，分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能，对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。

励磁装置可以单独提供，亦可作为发电设备配套供应。它对同步电机的作用可以从以下几个方面体现：①调节励磁，可以维持电压恒定；②可使各台机组间无功功率合理分配；③采用完善的励磁系统及其自动调节装置，可以提高输送功率极限，扩大静态稳定运行的范围；④在发生短路时，强行励磁又有利于提高动态稳定能力；⑤在暂态过程中，同步电机的行为在很大程度上取决于励磁系统的性能。因此可知，深入研究和分析励磁相关问题是必须和必要的。

二、研究综述

通过对相关文献的阅读，本文将主要研究一下三方面内容：同步发电机励磁控制、变压器励磁涌流识别、混合励磁电机技术。

1、同步发电机励磁控制研究综述。同步发电机的励磁控制系统是非线性、参数时变、要求响应速度快的实时闭环反馈控制系统。到了近代，无旋转励磁机的可控硅自并励方式逐渐被世界各地所接受。有关励磁控制所基于的设计模型主要包括以下几种：①线性传递函数数学模型上的单变量设计；②线性传递函数数学模型上的多变量设计；③线性状态空间模型上的多变量忧化设计；④基于反馈线性化的非线性设计；⑤基于微分几何的反馈线性化方法；⑥自适应控制设计。

随着现代控制理论和智能控制理论的发展，很多学者对将新型控制理论应用于发电机的励磁控制系统做了大量的研究工作，并取得了可喜的成绩。线性最优励磁控制能提高系统的稳定性并改善系统的动态品质，被电力系统广泛应用。由于模糊控制对系统模型精度的要求不高，鲁棒性较好，对发电机的任何运行工况都可以采用相应的模糊控制决策，因而在发电机励磁调节器的设计中受到了关注。

2、变压器励磁涌流识别研究综述。电力变压器是电力系统中重要的电气设备，它的安全性和稳定性对整个电力系统的运行是很重要的也是必须的。现代大型变压器容量大、电压等级高、结构复杂、造价昂贵，一旦发生故障而损坏，造成的经济损失是不可估量的。

近年来，国内外学者提出的诸多鉴别原理，根据鉴别原理的不同特点，按照判别励磁涌流所用的信号特征，大致可分为：基于谐波含量识别法；基于波形特征识别法；基于磁通特性识别法；基于等值电路法；基于功率差动法。基于模型的原理，有基于磁通特性、基于等值电路方程、基于功率差动方法等。

3、混合励磁电机技术研究综述。由于永磁材料的固有特性，永磁电机内气隙磁场基本保持恒定，用作电动运行时，调速范围有限，在诸如航空航天、电动汽车等需宽调速直接驱动场合的应用受到一定的限制；作发电运行时，电压调整率较大，影响供电质量。如何实现气隙磁场的有效调节与控制一直是永磁电机研究的热点和难点。合理改变永磁电机结构，引入辅助电励磁绕组，文献提出的实现气隙磁场灵活调节的“混合励磁”思想，得到国内外电机界学者的认可与关注，同时各国学者对各种混合励磁电机结构及其控制系统进行了有益的探索与研究。

与永磁电机比较，混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗。混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多特点，而且具有电励磁电机气隙磁场平滑可调的优点，用作发电机，可获得较宽的调压范围，在飞机、舰船和车辆中可作为独立的发电系统。

分析表明，混合励磁电机能继承永磁电机的优点，克服永磁电机气隙磁场难以调节的不足，在航空航天、电动汽车等场合具有应用前景。因此，对混合励磁电机开展深入研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有工程推广和实用价值。总体而言，由于我国在混合励磁电机方面的研究起步较晚，同时，受到国内材料、加工制造技术落后等不利因素的影响，我国在混合励磁电机方面的研究，力度不够，水平不高，尚无成熟产品。

三、结论

总之，通过对以上三部分相关文献的阅读和知识的梳理，可以得到以下三點结论：

1、从国内外相关研究文献可以看出：励磁控制长久以来便是电力系统一个很活跃的课题，是因为随着电力系统的快速发展和新器件的应用，给传统的控制带来了很多新的问题。励磁控制的任务从过去简单地维护发电机端电压恒定，到现在的高精度电压调节为主，兼顾抑制振荡，提高系统的静态，动态，暂态稳定。

2、目前变压器保护的难题仍是如何正确识别励磁涌流和故障电流。近年来，国内外学者提出的诸多鉴别原理大体可分为基于模型和基于波形两种。新近提出的原理，如波形对称原理、波形相关性分析法、采样值差动原理等，是基于间断角原理及其改进或者其衍生。基于该原理的识别方案存在着受CT传变影响等问题。

综上所述，本文通过对现代电力系统稳定性的研究内容进行详细分析，可知同步发电机励磁控制、变压器励磁涌流识别以及混合励磁电机技术对维持电力系统的稳定性以及工程推广都有极其重要的价值，因此，在今后的研究中有必要挖掘新方法，探索新思路来填补我国在这些方面的空白。

参考文献

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