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(duì)勵(lì)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(lì)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(jī)勵(lì)磁控制、變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別、混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)。文章著重介紹了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模型、變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別方法以及各種混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；勵(lì)磁控制；勵(lì)磁涌流識(shí)別；混合勵(lì)磁電機(jī)

一、引言

勵(lì)磁裝置是指同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中除勵(lì)磁電源以外的對(duì)勵(lì)磁電流能起控制和調(diào)節(jié)作用的電氣調(diào)控裝置，勵(lì)磁系統(tǒng)是電站設(shè)備中不可缺少的部分。勵(lì)磁系統(tǒng)包括勵(lì)磁電源和勵(lì)磁裝置，其中勵(lì)磁電源的主體是勵(lì)磁機(jī)或勵(lì)磁變壓器；勵(lì)磁裝置則根據(jù)不同的規(guī)格、型號(hào)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(lì)磁裝置的使用，是當(dāng)電力系統(tǒng)正常工作的情況下，維持同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓于一給定的水平上，同時(shí)，還具有強(qiáng)行增磁、減磁和滅磁功能，對(duì)于采用勵(lì)磁變壓器作為勵(lì)磁電源的還具有整流功能。

勵(lì)磁裝置可以單獨(dú)提供，亦可作為發(fā)電設(shè)備配套供應(yīng)。它對(duì)同步電機(jī)的作用可以從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)：①調(diào)節(jié)勵(lì)磁，可以維持電壓恒定；②可使各臺(tái)機(jī)組間無(wú)功功率合理分配；③采用完善的勵(lì)磁系統(tǒng)及其自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，可以提高輸送功率極限，擴(kuò)大靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍；④在發(fā)生短路時(shí)，強(qiáng)行勵(lì)磁又有利于提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定能力；⑤在暫態(tài)過(guò)程中，同步電機(jī)的行為在很大程度上取決于勵(lì)磁系統(tǒng)的性能。因此可知，深入研究和分析勵(lì)磁相關(guān)問(wèn)題是必須和必要的。

二、研究綜述

通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀，本文將主要研究一下三方面內(nèi)容：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別、混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)。

1、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究綜述。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)是非線性、參數(shù)時(shí)變、要求響應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。到了近代，無(wú)旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)的可控硅自并勵(lì)方式逐漸被世界各地所接受。有關(guān)勵(lì)磁控制所基于的設(shè)計(jì)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(jì)；②線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型上的多變量設(shè)計(jì)；③線性狀態(tài)空間模型上的多變量憂化設(shè)計(jì)；④基于反饋線性化的非線性設(shè)計(jì)；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(jì)。

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(duì)將新型控制理論應(yīng)用于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)做了大量的研究工作，并取得了可喜的成績(jī)。線性最優(yōu)勵(lì)磁控制能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，被電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。由于模糊控制對(duì)系統(tǒng)模型精度的要求不高，魯棒性較好，對(duì)發(fā)電機(jī)的任何運(yùn)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(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中受到了關(guān)注。

2、變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)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(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行是很重要的也是必須的?，F(xiàn)代大型變壓器容量大、電壓等級(jí)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，一旦發(fā)生故障而損壞，造成的經(jīng)濟(jì)損失是不可估量的。

近年來(lái)，國(guó)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(diǎn)，按照判別勵(lì)磁涌流所用的信號(hào)特征，大致可分為：基于諧波含量識(shí)別法；基于波形特征識(shí)別法；基于磁通特性識(shí)別法；基于等值電路法；基于功率差動(dòng)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(dòng)方法等。

3、混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)研究綜述。由于永磁材料的固有特性，永磁電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)基本保持恒定，用作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速范圍有限，在諸如航空航天、電動(dòng)汽車等需寬調(diào)速直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用受到一定的限制；作發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電壓調(diào)整率較大，影響供電質(zhì)量。如何實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的有效調(diào)節(jié)與控制一直是永磁電機(jī)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。合理改變永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，引入輔助電勵(lì)磁繞組，文獻(xiàn)提出的實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)靈活調(diào)節(jié)的“混合勵(lì)磁”思想，得到國(guó)內(nèi)外電機(jī)界學(xué)者的認(rèn)可與關(guān)注，同時(shí)各國(guó)學(xué)者對(duì)各種混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了有益的探索與研究。

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

分析表明，混合勵(lì)磁電機(jī)能繼承永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)的不足，在航空航天、電動(dòng)汽車等場(chǎng)合具有應(yīng)用前景。因此，對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)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(shí)用價(jià)值?？傮w而言，由于我國(guó)在混合勵(lì)磁電機(jī)方面的研究起步較晚，同時(shí)，受到國(guó)內(nèi)材料、加工制造技術(shù)落后等不利因素的影響，我國(guó)在混合勵(lì)磁電機(jī)方面的研究，力度不夠，水平不高，尚無(wú)成熟產(chǎn)品。

三、結(jié)論

總之，通過(guò)對(duì)以上三部分相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀和知識(shí)的梳理，可以得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

1、從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)可以看出：勵(lì)磁控制長(zhǎng)久以來(lái)便是電力系統(tǒng)一個(gè)很活躍的課題，是因?yàn)殡S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(lái)了很多新的問(wèn)題。勵(lì)磁控制的任務(wù)從過(guò)去簡(jiǎn)單地維護(hù)發(fā)電機(jī)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(dòng)態(tài)，暫態(tài)穩(wěn)定。

2、目前變壓器保護(hù)的難題仍是如何正確識(shí)別勵(lì)磁涌流和故障電流。近年來(lái)，國(guó)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(duì)稱原理、波形相關(guān)性分析法、采樣值差動(dòng)原理等，是基于間斷角原理及其改進(jìn)或者其衍生。基于該原理的識(shí)別方案存在著受CT傳變影響等問(wèn)題。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析，可知同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別以及混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)對(duì)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(jià)值，因此，在今后的研究中有必要挖掘新方法，探索新思路來(lái)填補(bǔ)我國(guó)在這些方面的空白。

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