本文研究汽轮发电机在各种正常及非正常运行条件下的非线性特性。首先对比研究了具有不同结构的汽轮发电机在稳态条件下的异常非线性特征,以及这种非线性特征对发电机参数及电磁力分布的影响,进一步建立了基于时步有限元方法的单机无穷大系统非线性仿真模型,研究了同步发电机的复杂非线性特性对系统稳定的影响。本文的工作及主要研究成果包括以下几个方面: (1) 揭示了不同结构的汽轮发电机在非正常运行条件下均具有异常非线性特征,首次提出汽轮发电机具有铁磁饱和与磁场畸变共同作用的双因素非线性,进一步研究了双因素非线性对传统负载饱和特性的重要影响,得到了一系列新的结果。 (2) 确定了基于有限元的发电机增量电抗计算方法,以三种典型汽轮发电机(135MW、300MW和600MW)为例,揭示了增量电抗随功角、有功功率和励磁电流等运行条件变化的非线性特征。 (3) 在考虑发电机非线性的基础上,对计算转子铁心表面局部电磁力的公式进行了重要改进。进而根据某600MW汽轮发电机转子铁心故障分析的需要,详细分析了其转子铁心表面电磁力的分布,首次发现大齿后侧的第一、二小齿电磁力密度达到平均值的2.5倍,因而是局部受力非常集中的危险部位,该结果与故障发电机的转子实际故障部位相符,对该发电机故障分析起了重要的参考作用。 (4) 建立了既考虑发电机内部非线性又考虑外部电路拓扑结构的用于系统动态分析的时步有限元模型。该模型将描述发电机内部非线性的偏微分方程与描述系统动态过程的常微分方程有机结合,能方便地对变压器出口短路故障和线路短路、切除、重合闸等动态过程进行仿真。 (5) 以单机无穷大系统大扰动的动态过程仿真为实例,对发电机的时步有限元模型、线性Park方程模型和空载饱和Park方程模型进行了对比,揭示了采用不同发电机模型的动态仿真结果有明显的差别:采用计及发电机复杂非线性的时步有限元模型时,仿真结果显示出系统具有更高的稳定性。