随着电力系统的发展,大机组、特高压交直流输电以及跨地区大范围联网成为主要特征,电力系统网架结构和运行特性发生巨大变化。系统日负荷曲线的剧烈变化和高压远距离输电线路的使用,经常出现输电线路无功功率过剩的现象,从而会造成系统过电压,进而危及系统的安全运行。解决过电压现象的传统方法是同步发电机进相运行,但这种方法除了会降低发电机稳定性外,其进相运行能力也较低。另外,加装调相机、电抗器等无功补偿设备也是常用措施,但这些设备不仅使得经济成本升高,其补偿能力也有限。双轴励磁调相机具有稳定性高、进相能力强、响应速度快等优点。采用特定的励磁控制方法,使其可以达到深度进相运行,获得与迟相过载能力相当的短时进相能力,为解决系统过电压问题提供一个新的有效途径。与传统同步调相机相比,双轴励磁调相机在转子大齿上开槽放入q轴励磁绕组,而d、q轴励磁绕组结构不同会影响励磁合成磁场的大小、磁密分布及谐波含量等,从而影响双轴励磁调相机的性能。因此,有必要对双轴励磁调相机转子励磁绕组的槽分布、槽距、槽尺寸进行优化设计,从而获得一种提高基波磁通密度、降低谐波含量的转子结构。另外,双轴励磁调相机具有独特的无功特性,能在大量吸收无功的工况下稳定运行,从而提高系统的稳定性。这些良好的性能除了与本身电气结构有关外,更关键在于其励磁控制方面。因此,提出一种不同于传统调相机的励磁控制系统,能更大程度的提高双轴励磁调相机的过电压调节功能。本文在传统调相机的基础上,提出了几种不同双轴励磁调相机的转子结构。分析了 q轴励磁绕组不同槽分布对气隙磁通密度、磁场分布以及饱和度的影响,提出了双轴励磁调相机独特的励磁控制策略,并对其在系统稳态运行及暂态运行时的无功特性进行研究,主要内容如下:(1)针对双轴励磁调相机的电气结构,分析了其工作原理,推导了在同步坐标下的数学模型,并建立了双轴励磁调相机的时步有限元模型。(2)针对电机大齿开槽会影响气隙磁密的波形,对双轴励磁调相机提出了几种不同转子槽分布的方案,经过对比分析具有不同槽数与槽距角的气隙磁通密度,获得基波磁通密度较高且谐波含量较低的一种方案。(3)在设计出具有合适槽分布的双轴励磁调相机的基础上,对q轴励磁绕组的槽型结构进行优化研究,揭示了影响电机气隙磁通密度及总谐波失真THD的槽型参数,并采用了有限元与田口法相结合的分析方法,建立了田口直交表,获得了使双轴励磁调相机气隙磁通密度质量特性达到最优的设计变量组合。(4)针对提高双轴励磁调相机深度进相运行时稳定性的问题,提出了双通道励磁控制的方法,揭示了双通道励磁控制的原理,对双轴励磁调相机在稳态与暂态运行时的无功特性进行了仿真,研究了双轴励磁调相机在不同d、q轴励磁电流下可以达到的最大进相运行能力,以及揭示了双轴励磁调相机深度进相运行时提高暂态稳定性的方法。