現代電網的穩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穩定性中發揮的重要作用，梳理目前有關勵磁方面的研究情況和成果，主要包括以下三方面內容：同步發電機勵磁控制、變壓器勵磁涌流識別、混合勵磁電機技術。文章著重介紹了同步發電機勵磁控制模型、變壓器勵磁涌流識別方法以及各種混合勵磁電機技術。

關鍵詞：電力系統穩定性；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電機的勵磁系統中除勵磁電源以外的對勵磁電流能起控制和調節作用的電氣調控裝置，勵磁系統是電站設備中不可缺少的部分。勵磁系統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；勵磁裝置則根據不同的規格、型號和使用要求，分別由調節屏、控制屏、滅磁屏和整流屏幾部分組合而成。勵磁裝置的使用，是當電力系統正常工作的情況下，維持同步發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，亦可作為發電設備配套供應。它對同步電機的作用可以從以下幾個方面體現：①調節勵磁，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及其自動調節裝置，可以提高輸送功率極限，擴大靜態穩定運行的范圍；④在發生短路時，強行勵磁又有利于提高動態穩定能力；⑤在暫態過程中，同步電機的行為在很大程度上取決于勵磁系統的性能。因此可知，深入研究和分析勵磁相關問題是必須和必要的。

二、研究綜述

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

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

隨著現代控制理論和智能控制理論的發展，很多學者對將新型控制理論應用于發電機的勵磁控制系統做了大量的研究工作，并取得了可喜的成績。線性最優勵磁控制能提高系統的穩定性并改善系統的動態品質，被電力系統廣泛應用。由于模糊控制對系統模型精度的要求不高，魯棒性較好，對發電機的任何運行工況都可以采用相應的模糊控制決策，因而在發電機勵磁調節器的設計中受到了關注。

2、變壓器勵磁涌流識別研究綜述。電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備，它的安全性和穩定性對整個電力系統的運行是很重要的也是必須的。現代大型變壓器容量大、電壓等級高、結構復雜、造價昂貴，一旦發生故障而損壞，造成的經濟損失是不可估量的。

近年來，國內外學者提出的諸多鑒別原理，根據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、混合勵磁電機技術研究綜述。由于永磁材料的固有特性，永磁電機內氣隙磁場基本保持恒定，用作電動運行時，調速范圍有限，在諸如航空航天、電動汽車等需寬調速直接驅動場合的應用受到一定的限制；作發電運行時，電壓調整率較大，影響供電質量。如何實現氣隙磁場的有效調節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構，引入輔助電勵磁繞組，文獻提出的實現氣隙磁場靈活調節的“混合勵磁”思想，得到國內外電機界學者的認可與關注，同時各國學者對各種混合勵磁電機結構及其控制系統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節氣隙磁場的能力；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的優點，用作發電機，可獲得較寬的調壓范圍，在飛機、艦船和車輛中可作為獨立的發電系統。

分析表明，混合勵磁電機能繼承永磁電機的優點，克服永磁電機氣隙磁場難以調節的不足，在航空航天、電動汽車等場合具有應用前景。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，受到國內材料、加工制造技術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，尚無成熟產品。

三、結論

總之，通過對以上三部分相關文獻的閱讀和知識的梳理，可以得到以下三點結論：

1、從國內外相關研究文獻可以看出：勵磁控制長久以來便是電力系統一個很活躍的課題，是因為隨著電力系統的快速發展和新器件的應用，給傳統的控制帶來了很多新的問題。勵磁控制的任務從過去簡單地維護發電機端電壓恒定，到現在的高精度電壓調節為主，兼顧抑制振蕩，提高系統的靜態，動態，暫態穩定。

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，國內外學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，本文通過對現代電力系統穩定性的研究內容進行詳細分析，可知同步發電機勵磁控制、變壓器勵磁涌流識別以及混合勵磁電機技術對維持電力系統的穩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。

參考文獻

[1] 崔梅英.基于BP神經網絡的同步發電機勵磁控制的研究現狀和發展[J].科技資訊，2007.

[2] 王增平 高中德 張舉。模糊理論在變壓器保護中的應用[J].電力系統自動化，1998.

[3] 程樹康，裴宇龍，張千帆.軸徑向氣隙混合磁路多邊耦合電機非線性模型及性能參數的定量研究[J].中國電機工程學報，2005.

[4] 盧琴芬，葉云岳.混合勵磁直線同步電機的磁場與推力[J].中國電機工程學報，2005.