统计数据表明,同步发电机励磁系统故障约占发电机总故障的60%以上,并分为部分失磁与完全失磁。励磁故障可导致发电机失步,进入有励磁异步运行状态或无励磁异步运行状态,如果保护与控制策略不正确,将对发电机造成严重损害,并威胁电力系统的安全。励磁故障涉及发电机的大干扰稳定性,因而使励磁故障保护成为一个复杂并难于解决的问题。目前,国内外的励磁故障保护以静稳定边界或异步阻抗边界作为保护判据,采用发电机输出的电磁功率与励磁电压的关系或机端测量阻抗来间接反应发电机的功率角和转差率,保护的动作效果一直不理想,误动和拒动的情况时有发生;同时,迄今对励磁故障后的控制问题也尚未进行深入的研究。因此,深入研究同步发电机励磁故障的保护与控制原理及方法具有重要的学术价值和良好的应用前景。论文采用理论分析与数值仿真计算相结合的方法。首先,依据发电机原理和电力系统稳定性控制理论,对励磁故障后的同步发电机组的行为进行仿真计算分析;然后,以此为基础对现行保护的判据进行剖析,找出现行保护在原理上存在的缺陷;最后,提出以直接测量功率角和转子暂态能量函数对发电机励磁故障实施保护与控制的原理及方法。论文取得的主要研究成果有:①按研究大干扰稳定性的需要,建立了发电机组及相关系统的数学模型,以当前国内采用的ALSTOM 700MW水轮发电机和QFSN-600-2YHG亚临界汽轮发电机组为原型,通过对励磁故障后发电机端的相关参数的变化进行仿真计算分析发现:发电机励磁下降后导致转子加速,离开同步转速的发电机(特别是汽轮发电机)将迅速产生很大的异步有功功率。因此,在研究发电机失磁故障时,即使是在失磁初期,也必须考虑异步有功功率对发电机机电暂态过程的影响。②以励磁故障后发电机端的相关参数的变化为基础,通过对以静稳定边界和异步阻抗边界作判据的两类三种现行励磁保护在原理上存在的缺陷分析,发现:励磁故障是一个大干扰稳定性问题,励磁故障后的发电机的动态功角特性与静态功角特性有很大的差异,已远非正弦曲线,因此基于小干扰稳定性原理、以静稳定边界作判据的保护必然动作不理想;异步边界阻抗判据是一个下移j Xd′的等无功阻抗圆,它可以保证完全失磁后的发电机测量阻抗能进入该阻抗圆,但不能保证完全失磁之外的其它状态(包括不可能失步的状态)不会进入该阻抗圆,因此在系统电压短时下降或发电机突然甩负荷等情况下可能启动该保护使之误动。③基于稳定性的原理,提出了直接测量功率角的发电机失磁保护的整定条件和计算方法;按大容量发电厂的结构,建立了励磁及相关系统的数学模型,通过对直接测量功率角的发电机失磁保护的数值仿真结果表明,失磁功角保护能可靠、快速地反应励磁故障。④通过对发电机转子暂态能量函数与发电机稳定性的相依关系分析,提出了按发电机转子暂态能量函数对部分失磁的发电机实施减载控制的方法,其减载速度与实时测量的发电机转子势能成正比,可最大限度地保证深度失磁的发电机不失去同步,使非深度失磁的发电机能保留较大的发电功率。通过仿真计算证明了所提方法的有效性。