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1、- 1 -现代电网的稳定性和安全性研究综述摘要：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
2、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
3、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。 2.1 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- 2 -闭环反馈控制系统。随着电力系统控制水平的提高，人们对励磁控制系统提出了较高的要求。励磁控制系统已有几十年的研究历史，现有的方法也都各有优势。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。励磁控制是现代电力系统稳定控制中一个重要研究方向，大量工作围绕着励磁
4、方式的改进和控制策略的革新展开。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。但是这种定常反馈控制器在设计运行点附
5、近能保持最优的控制效果，而当实际运行点偏离设计运行点较远时，其控制效果将变差。自适应励磁控制方法可根据由发电机运行工况的不同所引起的系统参数变化来不断地修正控制器参数，达到跟踪系统运行工况的目的。但自适应控制需要在线辨识系统参数的变化，且算法复杂，实时运算量大，将其应用于时变的发电机励磁控制有一定的难度。模糊理论和神经网络理论的研究方兴未艾，而且在许多领域获得了成功的应用。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。 2.2 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
6、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。因此电力系统要求变压器保护要具有动作速度快、可靠性和灵敏性高的性能，以便尽快发现变压器故障并将其切除，从而避免变压器的损坏以及事故的进一步扩大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。 - 3 -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
7、于等值电路方程、基于功率差动方法等。因某些参数在测量上存在技术上的困难，此类方法在应用时多采用人为假设，且用到了较多的电气量。这增加了保护配置的复杂性，故待于理论上的进一步突破。基于波形特征的方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，主要利用二次谐波制动原理和间断角原理，是运用于实践的主流。文献2提出的电压变化率发展趋势判据和低电压判据是在考虑了在发生内部故障时变压器端电压将降低，而在励磁涌流或过励磁条件下端电压将有所升高这一特征克服内部故障误闭锁的问题。文献3提出的虚拟三次谐波制动方案是利用励磁涌流中信息量最为丰富的以尖脉冲为中心的半周期波形作为前半周信息，利用“平移、变号”原则虚拟
8、构成后半周信息，前后合起来构成一个完整的周波信息。它可以避免二次谐波制动原理在对称性涌流的情况下合闸时，由于二次谐波含量过低而引起保护误动的情况。文献4在分析了大量的变压器保护判据的基础上，提出了将二次谐波含量、铁芯饱和程度、变压器端电压的高低及差流波形是否对称来识别励磁涌流。并且分别就单一判据的具体情况详细分析、阐述了隶属函数的构建过程。模糊理论应用于变压器差动保护方面，使得多判据保护能够做到优势互补。2.3 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
9、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5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。近十年来，文献6-10等权威期刊和国际会议，不时提出混合励磁电机相关的研究报道。 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- 4 -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
10、调压范围，在飞机、舰船和车辆中可作为独立的发电系统。用作电动机，适合于作节能驱动使用，而其中的宽调速特性可以在电动汽车、武器设备伺服驱动等高要求场合应用。混合励磁电机存在两种类型的励磁源，一种是永磁励磁源，另一种是电励磁源，两种励磁源磁场在气隙中共同作用产生电机内主磁场。另外，从电机内永磁体磁势与电励磁磁势相互作用关系来看，一般可归结为三种类型，即：串联磁路、独立并联磁路和串并联混合磁路。定子永磁型电机，永磁体位于定子，定、转子一般呈双凸极结构，转子结构简单，既无永磁体，也无励磁绕组，具有较低的转动惯量和快速动态响应特性。定子永磁型电机主要类型有：双凸极永磁电机17、磁通切换电机18、磁通反向
11、电机19，最新研究结果表明定子永磁型电机具有功率密度高，结构简单、容错性能好、控制灵活等优点，正日益受到重视，并在航空航天、风力发电以及电动汽车驱动等领域得到初步应用。然而与转子永磁型电机一样，气隙磁场的有效调节也是定子永磁型电机研究难点之一。在定子永磁型电机结构的基础上，通过改变电机结构，引入混合励磁思想，进一步拓宽定子永磁型电机的应用场合，同样具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 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
12、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，可以得到以下三点结论： （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- 5 -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
13、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。文献22指出励磁涌流波形除了具有间断特征外，还具有尖顶波的特征。利用励磁涌流的尖顶波特征进行励磁涌流的鉴别是提高变压器差动保护速度及可靠性的一个新的研究方向。 （3）混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多特点，而且励磁可调，用作发电机可提供恒压电源；用作电动机具有起动转矩大、调速范围广的优势。在许多工业领域和航空航天、舰船等军事领域具有广阔的应用前景。目前，已出现了多
14、种不同结构类型的混合励磁电机，其基本特性也得到了初步的析。此外，对混合励磁电机设计、分析与控制和应用研究也有了一定的进展。但总体而言，混合励磁电机以及产品尚处在初级阶段，随着对混合励磁电机研究的不断深入，混合励磁电机的综合性能将不断提高，也必将有力推动混合励磁电机及其驱动控制技术的发展。因此，对混合励磁电机开展研究，具有重要的理论意义。 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。 四、参考文献 1 崔梅英. 基于 BP 神经网络的同步发电机励磁控制的研究现状和发展 科技资讯, 20072 王增平 高中德 张举。模糊理论在变压器保护中的应用J.电力系统自动化, 19983 程树康 裴宇龙 张千帆。轴径向气隙混合磁路多边耦合电机非线性模型及性能参数的定量研究J. 中国电机工程学报, 20054 卢琴芬 叶云岳 混合励磁直线同步电机的磁场与推力J。中国电机工程学- 6 -报, 2005
