哈尔滨理工大学工学博士学位论文
大容量同步调相机时变参数模型及暂态运行特性
研究
摘要
大容量同步调相机是特高压直流输电系统内关键的动态无功补偿装备，其
具有强大的动态无功支撑与短时的过载能力，在维持输电系统电压稳定方面发
挥了重要作用。区别于传统的同步调相机，大容量同步调相机以暂态运行为主，
稳态运行为辅。在输电系统或调相机发生失磁故障的暂态运行期间，调相机的
电磁结构呈现复杂分布规律的高度磁饱和与强涡流效应，导致其电磁参数具有
时变性、数学模型呈高度暂态非线性，大幅度增加了调相机暂态运行特性分析
的难度。同时，故障期间调相机电气量的剧烈变化导致定子绕组端部结构承受
高强度的暂态电磁力冲击，定子绕组端部暂态电磁力的准确计算是大容量调相
机端部结构设计与暂态运行特性分析的关键问题。因此，如何计及调相机暂态
运行期间磁饱和与涡流等非线性因素对电磁参数的影响、建立准确的数学模型
以及分析机网耦合下定子绕组端部暂态电磁力特性是实现大容量调相机安全稳
定运行的重要研究课题。本文以一台300MVar同步调相机为研究对象，围绕调
相机时变参数准确计算、非线性暂态数学模型建立、暂态运行特性分析以及绕
组端部暂态电磁力计算等问题进行研究。
针对目前大容量同步调相机电抗参数计算方法中无法直接表达电抗参数与
磁饱和程度间实时映射关系的问题，提出基于误差反向传播神经网络的调相机
时变参数计算方法。该方法能够表征时变参数与磁场饱和程度间的非线性函数
关系，适用于时变稳态参数与时变暂态参数计算，揭示了不同磁场饱和程度下
时变稳态参数与时变暂态参数的变化规律。通过与固定稳态参数计算结果、固
定暂态参数计算结果以及实测值进行对比，验证了所提调相机时变参数计算方
法的正确性。
建立大容量同步调相机非线性时变数学模型，该模型能够准确考虑暂态运
行过程中的高度磁饱和效应对电抗参数的影响。以调相机空载三相突然短路故
障运行为例，基于所提时变数学模型对极端故障运行下调相机定子电流与励磁
电流进行计算，揭示了故障期间时变稳态电抗参数与时变暂态电抗参数的变化
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规律。分别与固定参数数学模型计算结果、真机实验结果以及有限元计算结果
进行对比。结果表明，所提时变数学模型具有计算精度高、耗时短的优点。
建立大容量同步调相机机-网耦合非线性时变参数暂态模型，计算分析输电
系统故障与调相机本体失磁故障下调相机的暂态运行特性。研究输电系统不同
故障程度下调相机的电压调节能力，揭示了输电系统故障与失磁故障下调相机
时变暂态电抗参数与时变稳态电抗参数的变化规律。研究了时变暂态电抗参数
对调相机动态无功补偿性能的影响。通过与含有调相机固定参数模型的机-网耦
合暂态模型以及实测结果对比，验证了大容量同步调相机机-网耦合非线性时变
参数暂态模型的准确性和有效性。
建立场-路-网耦合故障工况调相机绕组端部暂态电磁力计算模型，对输电系
统发生交流系统母线电压跌落、直流系统输电线路短路、调相机本体发生短路
失磁与开路失磁等故障下定子绕组端部的暂态电磁力进行计算，揭示不同输电
系统故障与调相机失磁故障工况对定子绕组端部暂态电磁力影响。结果表明，
输电系统故障与失磁故障对暂态电磁力有显著影响，系统故障时，槽内上层线
棒直线段电磁力密度较大，失磁故障时下层线棒渐开线段靠近直线段位置处电
磁力密度较大。
关键词大容量同步调相机；暂态数学模型；时变参数；暂态无功特性；绕组端
部暂态电磁力
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ResearchonTime-varyingParameterModeland
TransientOperationCharacteristicsofLarge-
capacitySynchronousCondenser
Abstract