Powerformer是一种高压发电机,可以直接和高压母线直接连接而无需升压变压器进行升压。和常规发电机相比,Powerformer有望提高系统可靠性、提升转换效率、减少电厂占地面积和系统稳定。由于Powerformer发明的时间不长,其内外部故障的形成机理及其对保护特性的影响,包括Powerformer运行特性与电力系统稳定性的关系,都需要深入研究。论文具体内容如下:研究了Powerformer定子绕组的分割方法,以计算相应子绕组的等效匝数和磁轴的正方向,该方法可推广应用于其他大型同步发电机。建立了Powerformer的定子绕组内部相间故障和接地故障分析的数学模型。该模型以直接相量法为依据,同时考虑了定子绕组对地电容的影响。为准确地仿真内部故障时的情形,计算了各个故障分支磁轴的正方向。模型建立了转子和定子的电流方程、电压方程、磁链方程和运动方程,并且给出了接地故障和相间故障等各种故障类型下的仿真结果。利用该模型可以对Powerformer的保护方案进行有效的验证,或为新原理的研究提供可信的数据。该方法可推广应用于其他大型同步发电机。内部故障仿真求解是典型的非线性刚性微分方程问题,需采用变步长的适合求解刚性问题的算法。在比较了刚性微分方程数值积分几种典型算法后,采用适用于求解刚性微分方程的数值积分方法Gear法作为仿真软件的基本算法。以一个75MVA/150kV的新型的电缆绕制高压同步发电机(Powerformer)为例,利用该模型仿真了一系列内部故障时的情况,并且给出了单相接地故障、两相接地故障和相间短路故障的波形。针对具有双定子绕组(对称分布或非对称分布)的同步发电机(Powerformer具有双定子),建立了正常运行或外部故障的仿真模型,并且给出了稳态和故障情况下的仿真结果。提出了一种能够自适应补偿Powerformer定子电容电流的新方法,提高Powerformer差动保护的灵敏度。Powerformer定子绕组为分级绝缘,电容电流分布不均匀。论文根据Powerformer正常运行时产生的电容电流自适应地确定一个分布系数,用该分布系数将绕组总电容以集中电容的形式分割成2个电容,分布在机端和中性点用于计算各种状态下的电容电流。在此基础上,采用线路差动保护的补偿方式进行电容电流补偿,则无论Powerformer处于何种运行状态(正常运行、外部故障、内部故障),差动电流中的电容电流都可以被完全补偿,从而提高了保护的灵敏度。提出了确定系统具有相同或相似RRB的耦合节点组的算法。当用Powerformer替代常规发电机组时,利用该算法可以确定最佳替换地点,从而增大关键节点或弱节点的负荷裕度。以单机-无穷大系统为例,分析了Powerformer机端电压控制提高系统稳定性的机理,从Powerformer阻抗的补偿作用和系统阻尼的改善两个方面论证了Powerformer机端电压控制对系统静态和动态稳定性的影响。通过对具体算例的特征值分析和时域仿真,验证了理论分析的正确性。论文最后对上述研究结果进行了总结,提出了进一步研究的方向。