現(xiàn)代電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性研究綜述

王新雨+何勇寰+金鑫

摘要：本文針對勵磁在維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性中發(fā)揮的重要作用，梳理目前有關(guān)勵磁方面的研究情況和成果，主要包括以下三方面內(nèi)容：同步發(fā)電機勵磁控制、變壓器勵磁涌流識別、混合勵磁電機技術(shù)。文章著重介紹了同步發(fā)電機勵磁控制模型、變壓器勵磁涌流識別方法以及各種混合勵磁電機技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；勵磁控制；勵磁涌流識別；混合勵磁電機

一、引言

勵磁裝置是指同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)中除勵磁電源以外的對勵磁電流能起控制和調(diào)節(jié)作用的電氣調(diào)控裝置，勵磁系統(tǒng)是電站設(shè)備中不可缺少的部分。勵磁系統(tǒng)包括勵磁電源和勵磁裝置，其中勵磁電源的主體是勵磁機或勵磁變壓器；勵磁裝置則根據(jù)不同的規(guī)格、型號和使用要求，分別由調(diào)節(jié)屏、控制屏、滅磁屏和整流屏幾部分組合而成。勵磁裝置的使用，是當電力系統(tǒng)正常工作的情況下，維持同步發(fā)電機機端電壓于一給定的水平上，同時，還具有強行增磁、減磁和滅磁功能，對于采用勵磁變壓器作為勵磁電源的還具有整流功能。

勵磁裝置可以單獨提供，亦可作為發(fā)電設(shè)備配套供應(yīng)。它對同步電機的作用可以從以下幾個方面體現(xiàn)：①調(diào)節(jié)勵磁，可以維持電壓恒定；②可使各臺機組間無功功率合理分配；③采用完善的勵磁系統(tǒng)及其自動調(diào)節(jié)裝置，可以提高輸送功率極限，擴大靜態(tài)穩(wěn)定運行的范圍；④在發(fā)生短路時，強行勵磁又有利于提高動態(tài)穩(wěn)定能力；⑤在暫態(tài)過程中，同步電機的行為在很大程度上取決于勵磁系統(tǒng)的性能。因此可知，深入研究和分析勵磁相關(guān)問題是必須和必要的。

二、研究綜述

通過對相關(guān)文獻的閱讀，本文將主要研究一下三方面內(nèi)容：同步發(fā)電機勵磁控制、變壓器勵磁涌流識別、混合勵磁電機技術(shù)。

1、同步發(fā)電機勵磁控制研究綜述。同步發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)是非線性、參數(shù)時變、要求響應(yīng)速度快的實時閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。到了近代，無旋轉(zhuǎn)勵磁機的可控硅自并勵方式逐漸被世界各地所接受。有關(guān)勵磁控制所基于的設(shè)計模型主要包括以下幾種：①線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型上的單變量設(shè)計；②線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型上的多變量設(shè)計；③線性狀態(tài)空間模型上的多變量憂化設(shè)計；④基于反饋線性化的非線性設(shè)計；⑤基于微分幾何的反饋線性化方法；⑥自適應(yīng)控制設(shè)計。

隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的發(fā)展，很多學(xué)者對將新型控制理論應(yīng)用于發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)做了大量的研究工作，并取得了可喜的成績。線性最優(yōu)勵磁控制能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，被電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。由于模糊控制對系統(tǒng)模型精度的要求不高，魯棒性較好，對發(fā)電機的任何運行工況都可以采用相應(yīng)的模糊控制決策，因而在發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計中受到了關(guān)注。

2、變壓器勵磁涌流識別研究綜述。電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，它的安全性和穩(wěn)定性對整個電力系統(tǒng)的運行是很重要的也是必須的。現(xiàn)代大型變壓器容量大、電壓等級高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，一旦發(fā)生故障而損壞，造成的經(jīng)濟損失是不可估量的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出的諸多鑒別原理，根據(jù)鑒別原理的不同特點，按照判別勵磁涌流所用的信號特征，大致可分為：基于諧波含量識別法；基于波形特征識別法；基于磁通特性識別法；基于等值電路法；基于功率差動法。基于模型的原理，有基于磁通特性、基于等值電路方程、基于功率差動方法等。

3、混合勵磁電機技術(shù)研究綜述。由于永磁材料的固有特性，永磁電機內(nèi)氣隙磁場基本保持恒定，用作電動運行時，調(diào)速范圍有限，在諸如航空航天、電動汽車等需寬調(diào)速直接驅(qū)動場合的應(yīng)用受到一定的限制；作發(fā)電運行時，電壓調(diào)整率較大，影響供電質(zhì)量。如何實現(xiàn)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)與控制一直是永磁電機研究的熱點和難點。合理改變永磁電機結(jié)構(gòu)，引入輔助電勵磁繞組，文獻提出的實現(xiàn)氣隙磁場靈活調(diào)節(jié)的“混合勵磁”思想，得到國內(nèi)外電機界學(xué)者的認可與關(guān)注，同時各國學(xué)者對各種混合勵磁電機結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進行了有益的探索與研究。

與永磁電機比較，混合勵磁電機具有調(diào)節(jié)氣隙磁場的能力；與電勵磁同步電機相比，具有較小的電樞反應(yīng)電抗。混合勵磁電機不僅能繼承永磁電機的諸多特點，而且具有電勵磁電機氣隙磁場平滑可調(diào)的優(yōu)點，用作發(fā)電機，可獲得較寬的調(diào)壓范圍，在飛機、艦船和車輛中可作為獨立的發(fā)電系統(tǒng)。

分析表明，混合勵磁電機能繼承永磁電機的優(yōu)點，克服永磁電機氣隙磁場難以調(diào)節(jié)的不足，在航空航天、電動汽車等場合具有應(yīng)用前景。因此，對混合勵磁電機開展深入研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有工程推廣和實用價值。總體而言，由于我國在混合勵磁電機方面的研究起步較晚，同時，受到國內(nèi)材料、加工制造技術(shù)落后等不利因素的影響，我國在混合勵磁電機方面的研究，力度不夠，水平不高，尚無成熟產(chǎn)品。

三、結(jié)論

總之，通過對以上三部分相關(guān)文獻的閱讀和知識的梳理，可以得到以下三點結(jié)論：

1、從國內(nèi)外相關(guān)研究文獻可以看出：勵磁控制長久以來便是電力系統(tǒng)一個很活躍的課題，是因為隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展和新器件的應(yīng)用，給傳統(tǒng)的控制帶來了很多新的問題。勵磁控制的任務(wù)從過去簡單地維護發(fā)電機端電壓恒定，到現(xiàn)在的高精度電壓調(diào)節(jié)為主，兼顧抑制振蕩，提高系統(tǒng)的靜態(tài)，動態(tài)，暫態(tài)穩(wěn)定。

2、目前變壓器保護的難題仍是如何正確識別勵磁涌流和故障電流。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出的諸多鑒別原理大體可分為基于模型和基于波形兩種。新近提出的原理，如波形對稱原理、波形相關(guān)性分析法、采樣值差動原理等，是基于間斷角原理及其改進或者其衍生。基于該原理的識別方案存在著受CT傳變影響等問題。

綜上所述，本文通過對現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究內(nèi)容進行詳細分析，可知同步發(fā)電機勵磁控制、變壓器勵磁涌流識別以及混合勵磁電機技術(shù)對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及工程推廣都有極其重要的價值，因此，在今后的研究中有必要挖掘新方法，探索新思路來填補我國在這些方面的空白。

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