书籍详情
电力系统动态 稳定性与控制（原书第2版）
作者：[波兰] 简·马乔夫斯基（Jan Machowski） 著
出版社：机械工业出版社
出版时间：2020-04-01
ISBN：9787111640318
定价：¥198.00
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内容简介
本书全面讲解了现代电力系统的动态行为和控制问题，内容包括电力系统规 划、设计、运行和控制中特别关注的静态稳定性、暂态稳定性、电压稳定性、频率 稳定性、次同步振荡稳定性、动态等效和发电机自励磁等重要主题。本书的突出优 势是注重物理原理、内容全面、分析深入、解释透彻。 本书可作为电力系统专业硕士和博士研究生“电力系统暂态分析”课程的教 材。同时，本书也特别适合于从事电力系统研究、规划、设计、运行和控制的专业 人员阅读。
作者简介
简？？马乔夫斯基（Jan Machowski），波兰华沙工业大学。 詹纳斯？？比亚莱克（Janusz Bialek），英国爱丁堡大学。 吉姆？？邦比（Jim Bumby），英国杜伦大学译者：徐政，教授，浙江大学电机系。著作有《柔性直流输电系统 第2版》《 电力系统分析中的计算方法》等。
目录
译者序 原书前言 符号汇总
缩略语
第1部分电力系统导论
第1章引言2
1.1动态系统的稳定性与控制2
1-2电力系统动态的分类 4
1-3两对重要的物理量：无功功率与电压和有功功率与频率 6
1.4电力系统的稳定性7
1.5电力系统的安全性 8
1.6简单的历史回顾10
第2章电力系统元件12
2.1引言12
2.1.1供电的可靠性12
2.1.2优质电能的供给12
2.1.3经济发电和输电13
2.1.4环境问题13
2.2电力系统结构13
2. 2-1发电14
2.2.2输电15
2.2.3配电15
2.2.4负荷需求16
2.3发电机组16
2.3.1同步发电机17
2.3.2励磁机和自动电压调节器 17
2.3.3涡轮机及其调速系统21
2.4变电站29
2.5输配电网络29
2.5.1架空线路和地下电缆30
2.5.2变压器30
2.5.3并联和串联元件35
2.5.4FACTS 装置36
2.6保护45
2.6.1输电线路保护45
2.6.2变压器保护47
2.6.3母线保护48
2.6.4发电机组保护48
2.7广域测量系统48
2. 7. 1基于 GPS 信号的 WAMS 和 WAMPAC 49
2.7.2相量50
2.7.3相量测量单元51
2. 7.4WAMS 和 WAMPAC 的结构52
第3章电力系统稳态分析 54
3.1输电线路54
3.1.1输电线路方程与*形等效电路 55
3.1.2输电线路的性能55
3.1.3电缆线路60
3.2变压器60
3.2.1等效电路60
3.2.2非标称电压比62
3.3同步发电机63
3.3.1圆柱形转子电机64
3.3.2凸极电机70
3.3.3作为功率源的同步发电机75
3.3.4圆柱形转子发电机的无功功率能力曲线77
3.3.5电压-无功功率能力特性9(Q) 80
3.3.6考虑网络的等效阻抗85
3.4电力系统负荷88
3.4.1照明与加热设备89
3.4.2感应电动机90
3.4.3负荷的静态特性93
3.4.4负荷模型95
3.5网络方程97
3.6输电网中的潮流 101
3.6.1潮流的控制 101
3.6.2潮流计算 104
第2部分电力系统动态导论
第4章 电磁暂态过程108
4.1 基本原理 108
4.2 同步发电机上的三相短路 110
4.2.1 发电机空载且忽略绕组电阻时的三相短路 110
4.2.2 将绕组的电阻效应考虑进来 113
4.2.3 电枢磁通路径与等效电抗 115
4.2.4 发电机电动势与等效电路 119
4.2.5 初始状态为空载时的发电机短路电流 125
4.2.6 带载发电机的短路电流 127
4.2.7次暂态转矩 128
4.3 相间短路 130
4.3.1 忽略绕组电阻时的短路电流和磁通 130
4.3.2 次暂态凸极效应的影响 134
4.3.3 正序和负序电抗 136
4.3.4 绕组电阻的影响 137
4.3.5次暂态转矩 138
4.4 发电机同期并网140
4.4.1 电流与转矩 140
4.5网络中的短路及其清除 142
第5章小扰动机电动态过程145
5.1摇摆方程 145
5.2阻尼功率 148
5.2.1 大转速偏差下的阻尼功率 151
5.3平衡点151
5.4不控系统的静态稳定性 153
5.4. 1 失步功率 153
5.4.2 暂态功率-功角特性154
5.4.3 转子摇摆和等面积法则 160
5.4.4 阻尼绕组的影响 161
5.4.5 转子磁链变化的影响 162
5.4.6 围绕平衡点的转子摇摆分析 166
5.4.7单机-无穷大系统的力学模拟 169
5.5 受控系统的静态稳定性 170
5.5.1 受控发电机的稳态功率-功角特性170
5.5.2 受控发电机的暂态功率-功角特性174
5.5.3 转子磁链变化的影响 176
5.5.4 AVR作用于阻尼绕组的影响 178
5.5.5对负阻尼分量的补偿 179
第6章 大扰动机电动态过程180
6.1 暂态稳定性180
6.1.1 故障清除不改变等效网络阻抗时的稳定性分析 180
6.1.2 有自动重合闸与无自动重合闸的短路清除 185
6.1.3功率振荡187
6.1.4 磁通衰减的影响 187
6.1.5AVR 的影响188
6.2多机系统中的转子摇摆 191
6.3用于稳定性评估的直接法 194
6.3.1 数学背景 194
6.3. 2 能量型 Lyapunov 函数 196
6.3.3暂态稳定区域198
6.3.4等面积法则 199
6.3.5用于多机系统的Lyapunov直接法 201
6.4同期过程206
6.5异步运行与再同步209
6.5.1 辻渡到异步运行的辻程 210
6.5.2 异步运行211
6.5.3再同步的可能性 211
6.6失步保护系统213
6.6.1功率振荡时的阻抗轨迹 214
6.6.2功率振荡闭锁 216
6.6.3 同步发电机的滑极保护 217
6.6.4电网中的失步跳闸 219
6.6.5大停电的例子 221
6.7传动轴系中的扭转振荡221
6.7. 1 汽轮机-发电机转子的自然扭振频率222
6.7.2系统故障的效应 227
6.7.3次同步谐振 229
第7章风力发电232
7.1风力机232
7.1. 1 发电机系统235
7.2感应电机等效电路 239
7.3接入电网的感应发电机242
7.4通过外部转子电阻略微增大转速变化范围的感应发电机245
7.5转速变化范围显著增大的感应发电机：DFIG 246
7.5.1 注入电压与转子电流同相时的运行特性248
7.5.2 注入电压与转子电流非同相时的运行特性 250
7.5.3作为同步发电机的DFIG 250
7.5.4 DFIG的控制策略 252
7.6全功率换流器系统：大范围变速控制253
7.6. 1 机侧逆变器254
7.6.2 网侧逆变器255
7.7变速风力机的峰值功率跟踪256
7.8海上风电场的接入256
7.9感应发电机的故障行为257
7.9. 1 定速感应发电机 257
7.9.2 变速感应发电机 258
7.10风电机组对电力系统稳定性的影响258
第8章电压稳定性260
8.1 网络可行性260
8.1. 1 理想刚性负荷261
8.1.2 负荷特性的影响 263
8.2稳定性判据265
8.2.1 d）Q/d9 判据 265
8.2.2 dE/dV判据 267
8.2.3 dQG/dJ判据 268
8.3临界负荷水平与电压崩溃269
8. 3. 1 负荷增加的效应 270
8.3.2 网络故障的影响 273
8.3.3 负荷特性曲线形状的影响 274
8.3.4电压控制的影响 275
8.4静态分析276
8.4.1 电压稳定性与潮流的关系 276
8.4.2电压稳定指标 278
8.5动态分析279
8.5.1 电压崩溃的动态辻程 279
8.5.2 电力系统大停电事故实例 281
8.5.3 电压崩溃的计算机仿真 284
8.6 电压崩溃的预防284
8.7 发电机带容性负荷时的自励磁 286
8. 7. 1 RLC电路中的参数谐振 286
8.7.2励磁绕组开路时发电机的自励磁 286
8.7.3 励磁绕组闭合时的发电机自励磁 289
8.7.4自励磁的实际可能性 290
第9章 频率稳定和控制291
9.1自动发电控制291
9.1. 1发电出力特性曲线 292
9.1.2一 次控制294
9.1.3二次控制296
9.1.4三次控制300
9.1.5作为多级控制的AGC 300
9.1.6抗频率不稳定的防御计划 301
9.1.7频率控制的质量评估 302
9.2阶段I ：发电机群中的转子摇摆 304
9.3阶段$ ：频率下降 306
9.4 阶段&： 一次控制 308
9.4.1旋转备用的重要性 309
9.4.2频率崩溃311
9.4.3低频切负荷 313
9.5 阶段'：二次控制 313
9.5.1孤岛系统313
9.5.2互联系统与联络线功率振荡 316
9.6 联络线上的FACTS装置322
9.6.1多机系统的增量模型322
9.6. 2基于Lyapunov方法的状态变量控制 326
9.6.3仿真结果实例 329
9.6.4AGC与联络线中串联型FACTS装置的协调331
第10章 提高稳定性的措施 332
10.1 电力系统稳定器332
10.1. 1 应用于励磁系统的PSS 332
10.1.2 应用于涡轮机调速器的PSS 335
10.2快关汽门336
10.3制动电阻339
10.4切机340
10.4.1 预防性切机341
10.4.2 恢复性切机342
10.5并联 FACTS 装置 342
10.5.1 功率-功角特性曲线 343
10.5.2状态变量控制345
10.5.3 基于就地测量量的控制347
10.5.4 可控并联元件实例350
10.5.5 多机系统的推广352
10.5.6 仿真结果示例358
10.6 串联补偿器360
10.6.1状态变量控制361
10.6.2 基于等面积法则的解释363
10.6.3 基于电流二次方的控制策略364
10.6.4 基于其他就地测量量的控制365
10.6.5 仿真结果366
10.7统一潮流控制器367
10.7.1 功率-功角特性曲线367
10.7.2 状态变量控制369
10.7.3 基于就地测量量的控制370
10.7.4 仿真结果示例371
第3部分电力系统动态高级专题
第11章 电力系统高级建模 374
11- 1同步发电机374
11.1.1假设汇总374
11.1.2 定子坐标系下的磁链方程375
11.1.3 转子坐标系下的磁链方程376
11.1.4电压方程380
11.1.5 基于电路量的发电机电抗383
11.1.6同步发电机方程386
11.1.7同步发电机模型392
11.1.8饱和效应 395
11.2励磁系统399
11.2. 1 传感器与比较器的模型400
11.2.2励磁机和调节器400
11.2.3电力系统稳定器(PSS) 406
11-3涡轮机与涡轮机调速器406
11.3.1汽轮机模型407
11.3.2水轮机411
11.3.3风力机416
11.4动态负荷模型420
11.5FACTS 装置422
11.5.1 并联 FACTS 装置 422
11.5.2 串联 FACTS 装置 423
第12章 多机系统的静态稳定性 424
12.1数学背景424
12.1.1 特征值和特征向量424
12.1.2 实方阵的对角化428
12.1.3 矩阵微分方程的求解432
12.1.4 模态分析与灵敏度分析439
12.1.5具有输入的状态方程的模态形式442
12.1.6非线性系统442
12.2不控系统的静态稳定性443
12.2.1状态空间方程444
12.2.2 简化的静态稳定条件446
12.2.3包括负荷的电压特性450
12.2.4网络传输能力451
12.3受控系统的静态稳定性451
12.3.1发电机和网络451
12.3.2 将励磁系统模型及电压控制列入方程455
12.3.3系统的线性状态方程456
12.3.4实例458
第13章 电力系统动态仿真 462
13.1数值积分法463
13.2分割解法467
13.2.1 部分矩阵求逆 469
13.2.2矩阵分解472
13.2.3牛顿法473
13.2.4 避免迭代的方法和网络求解的多种方法476
13.3统一解法478
13.4求解方法的比较479
第14章 电力系统模型简化——等效方法 481
14.1等效的类型481
14.2网络变换482
14.2.1消去节点法482
14. 2. 2 采用Dimo法的节点聚合 485
14.2.3 采用Zhukov法的节点聚合 486
14.2.4 同调性488
14.3发电机组的聚合490
14.4 外部子系统的等效模型490
14.5同调辨识491
14.6同调等效的特性495
14.6.1Zhukov法的电气解释 495
14.6.2增量等效模型497
14.6.3精确同调性的模态解释499
14.6.4等效模型的特征值和特征向量503
14.6.5等效模型的平衡点508
附录512
参考文献528
缩略语
第1部分电力系统导论
第1章引言2
1.1动态系统的稳定性与控制2
1-2电力系统动态的分类 4
1-3两对重要的物理量：无功功率与电压和有功功率与频率 6
1.4电力系统的稳定性7
1.5电力系统的安全性 8
1.6简单的历史回顾10
第2章电力系统元件12
2.1引言12
2.1.1供电的可靠性12
2.1.2优质电能的供给12
2.1.3经济发电和输电13
2.1.4环境问题13
2.2电力系统结构13
2. 2-1发电14
2.2.2输电15
2.2.3配电15
2.2.4负荷需求16
2.3发电机组16
2.3.1同步发电机17
2.3.2励磁机和自动电压调节器 17
2.3.3涡轮机及其调速系统21
2.4变电站29
2.5输配电网络29
2.5.1架空线路和地下电缆30
2.5.2变压器30
2.5.3并联和串联元件35
2.5.4FACTS 装置36
2.6保护45
2.6.1输电线路保护45
2.6.2变压器保护47
2.6.3母线保护48
2.6.4发电机组保护48
2.7广域测量系统48
2. 7. 1基于 GPS 信号的 WAMS 和 WAMPAC 49
2.7.2相量50
2.7.3相量测量单元51
2. 7.4WAMS 和 WAMPAC 的结构52
第3章电力系统稳态分析 54
3.1输电线路54
3.1.1输电线路方程与*形等效电路 55
3.1.2输电线路的性能55
3.1.3电缆线路60
3.2变压器60
3.2.1等效电路60
3.2.2非标称电压比62
3.3同步发电机63
3.3.1圆柱形转子电机64
3.3.2凸极电机70
3.3.3作为功率源的同步发电机75
3.3.4圆柱形转子发电机的无功功率能力曲线77
3.3.5电压-无功功率能力特性9(Q) 80
3.3.6考虑网络的等效阻抗85
3.4电力系统负荷88
3.4.1照明与加热设备89
3.4.2感应电动机90
3.4.3负荷的静态特性93
3.4.4负荷模型95
3.5网络方程97
3.6输电网中的潮流 101
3.6.1潮流的控制 101
3.6.2潮流计算 104
第2部分电力系统动态导论
第4章 电磁暂态过程108
4.1 基本原理 108
4.2 同步发电机上的三相短路 110
4.2.1 发电机空载且忽略绕组电阻时的三相短路 110
4.2.2 将绕组的电阻效应考虑进来 113
4.2.3 电枢磁通路径与等效电抗 115
4.2.4 发电机电动势与等效电路 119
4.2.5 初始状态为空载时的发电机短路电流 125
4.2.6 带载发电机的短路电流 127
4.2.7次暂态转矩 128
4.3 相间短路 130
4.3.1 忽略绕组电阻时的短路电流和磁通 130
4.3.2 次暂态凸极效应的影响 134
4.3.3 正序和负序电抗 136
4.3.4 绕组电阻的影响 137
4.3.5次暂态转矩 138
4.4 发电机同期并网140
4.4.1 电流与转矩 140
4.5网络中的短路及其清除 142
第5章小扰动机电动态过程145
5.1摇摆方程 145
5.2阻尼功率 148
5.2.1 大转速偏差下的阻尼功率 151
5.3平衡点151
5.4不控系统的静态稳定性 153
5.4. 1 失步功率 153
5.4.2 暂态功率-功角特性154
5.4.3 转子摇摆和等面积法则 160
5.4.4 阻尼绕组的影响 161
5.4.5 转子磁链变化的影响 162
5.4.6 围绕平衡点的转子摇摆分析 166
5.4.7单机-无穷大系统的力学模拟 169
5.5 受控系统的静态稳定性 170
5.5.1 受控发电机的稳态功率-功角特性170
5.5.2 受控发电机的暂态功率-功角特性174
5.5.3 转子磁链变化的影响 176
5.5.4 AVR作用于阻尼绕组的影响 178
5.5.5对负阻尼分量的补偿 179
第6章 大扰动机电动态过程180
6.1 暂态稳定性180
6.1.1 故障清除不改变等效网络阻抗时的稳定性分析 180
6.1.2 有自动重合闸与无自动重合闸的短路清除 185
6.1.3功率振荡187
6.1.4 磁通衰减的影响 187
6.1.5AVR 的影响188
6.2多机系统中的转子摇摆 191
6.3用于稳定性评估的直接法 194
6.3.1 数学背景 194
6.3. 2 能量型 Lyapunov 函数 196
6.3.3暂态稳定区域198
6.3.4等面积法则 199
6.3.5用于多机系统的Lyapunov直接法 201
6.4同期过程206
6.5异步运行与再同步209
6.5.1 辻渡到异步运行的辻程 210
6.5.2 异步运行211
6.5.3再同步的可能性 211
6.6失步保护系统213
6.6.1功率振荡时的阻抗轨迹 214
6.6.2功率振荡闭锁 216
6.6.3 同步发电机的滑极保护 217
6.6.4电网中的失步跳闸 219
6.6.5大停电的例子 221
6.7传动轴系中的扭转振荡221
6.7. 1 汽轮机-发电机转子的自然扭振频率222
6.7.2系统故障的效应 227
6.7.3次同步谐振 229
第7章风力发电232
7.1风力机232
7.1. 1 发电机系统235
7.2感应电机等效电路 239
7.3接入电网的感应发电机242
7.4通过外部转子电阻略微增大转速变化范围的感应发电机245
7.5转速变化范围显著增大的感应发电机：DFIG 246
7.5.1 注入电压与转子电流同相时的运行特性248
7.5.2 注入电压与转子电流非同相时的运行特性 250
7.5.3作为同步发电机的DFIG 250
7.5.4 DFIG的控制策略 252
7.6全功率换流器系统：大范围变速控制253
7.6. 1 机侧逆变器254
7.6.2 网侧逆变器255
7.7变速风力机的峰值功率跟踪256
7.8海上风电场的接入256
7.9感应发电机的故障行为257
7.9. 1 定速感应发电机 257
7.9.2 变速感应发电机 258
7.10风电机组对电力系统稳定性的影响258
第8章电压稳定性260
8.1 网络可行性260
8.1. 1 理想刚性负荷261
8.1.2 负荷特性的影响 263
8.2稳定性判据265
8.2.1 d）Q/d9 判据 265
8.2.2 dE/dV判据 267
8.2.3 dQG/dJ判据 268
8.3临界负荷水平与电压崩溃269
8. 3. 1 负荷增加的效应 270
8.3.2 网络故障的影响 273
8.3.3 负荷特性曲线形状的影响 274
8.3.4电压控制的影响 275
8.4静态分析276
8.4.1 电压稳定性与潮流的关系 276
8.4.2电压稳定指标 278
8.5动态分析279
8.5.1 电压崩溃的动态辻程 279
8.5.2 电力系统大停电事故实例 281
8.5.3 电压崩溃的计算机仿真 284
8.6 电压崩溃的预防284
8.7 发电机带容性负荷时的自励磁 286
8. 7. 1 RLC电路中的参数谐振 286
8.7.2励磁绕组开路时发电机的自励磁 286
8.7.3 励磁绕组闭合时的发电机自励磁 289
8.7.4自励磁的实际可能性 290
第9章 频率稳定和控制291
9.1自动发电控制291
9.1. 1发电出力特性曲线 292
9.1.2一 次控制294
9.1.3二次控制296
9.1.4三次控制300
9.1.5作为多级控制的AGC 300
9.1.6抗频率不稳定的防御计划 301
9.1.7频率控制的质量评估 302
9.2阶段I ：发电机群中的转子摇摆 304
9.3阶段$ ：频率下降 306
9.4 阶段&： 一次控制 308
9.4.1旋转备用的重要性 309
9.4.2频率崩溃311
9.4.3低频切负荷 313
9.5 阶段'：二次控制 313
9.5.1孤岛系统313
9.5.2互联系统与联络线功率振荡 316
9.6 联络线上的FACTS装置322
9.6.1多机系统的增量模型322
9.6. 2基于Lyapunov方法的状态变量控制 326
9.6.3仿真结果实例 329
9.6.4AGC与联络线中串联型FACTS装置的协调331
第10章 提高稳定性的措施 332
10.1 电力系统稳定器332
10.1. 1 应用于励磁系统的PSS 332
10.1.2 应用于涡轮机调速器的PSS 335
10.2快关汽门336
10.3制动电阻339
10.4切机340
10.4.1 预防性切机341
10.4.2 恢复性切机342
10.5并联 FACTS 装置 342
10.5.1 功率-功角特性曲线 343
10.5.2状态变量控制345
10.5.3 基于就地测量量的控制347
10.5.4 可控并联元件实例350
10.5.5 多机系统的推广352
10.5.6 仿真结果示例358
10.6 串联补偿器360
10.6.1状态变量控制361
10.6.2 基于等面积法则的解释363
10.6.3 基于电流二次方的控制策略364
10.6.4 基于其他就地测量量的控制365
10.6.5 仿真结果366
10.7统一潮流控制器367
10.7.1 功率-功角特性曲线367
10.7.2 状态变量控制369
10.7.3 基于就地测量量的控制370
10.7.4 仿真结果示例371
第3部分电力系统动态高级专题
第11章 电力系统高级建模 374
11- 1同步发电机374
11.1.1假设汇总374
11.1.2 定子坐标系下的磁链方程375
11.1.3 转子坐标系下的磁链方程376
11.1.4电压方程380
11.1.5 基于电路量的发电机电抗383
11.1.6同步发电机方程386
11.1.7同步发电机模型392
11.1.8饱和效应 395
11.2励磁系统399
11.2. 1 传感器与比较器的模型400
11.2.2励磁机和调节器400
11.2.3电力系统稳定器(PSS) 406
11-3涡轮机与涡轮机调速器406
11.3.1汽轮机模型407
11.3.2水轮机411
11.3.3风力机416
11.4动态负荷模型420
11.5FACTS 装置422
11.5.1 并联 FACTS 装置 422
11.5.2 串联 FACTS 装置 423
第12章 多机系统的静态稳定性 424
12.1数学背景424
12.1.1 特征值和特征向量424
12.1.2 实方阵的对角化428
12.1.3 矩阵微分方程的求解432
12.1.4 模态分析与灵敏度分析439
12.1.5具有输入的状态方程的模态形式442
12.1.6非线性系统442
12.2不控系统的静态稳定性443
12.2.1状态空间方程444
12.2.2 简化的静态稳定条件446
12.2.3包括负荷的电压特性450
12.2.4网络传输能力451
12.3受控系统的静态稳定性451
12.3.1发电机和网络451
12.3.2 将励磁系统模型及电压控制列入方程455
12.3.3系统的线性状态方程456
12.3.4实例458
第13章 电力系统动态仿真 462
13.1数值积分法463
13.2分割解法467
13.2.1 部分矩阵求逆 469
13.2.2矩阵分解472
13.2.3牛顿法473
13.2.4 避免迭代的方法和网络求解的多种方法476
13.3统一解法478
13.4求解方法的比较479
第14章 电力系统模型简化——等效方法 481
14.1等效的类型481
14.2网络变换482
14.2.1消去节点法482
14. 2. 2 采用Dimo法的节点聚合 485
14.2.3 采用Zhukov法的节点聚合 486
14.2.4 同调性488
14.3发电机组的聚合490
14.4 外部子系统的等效模型490
14.5同调辨识491
14.6同调等效的特性495
14.6.1Zhukov法的电气解释 495
14.6.2增量等效模型497
14.6.3精确同调性的模态解释499
14.6.4等效模型的特征值和特征向量503
14.6.5等效模型的平衡点508
附录512
参考文献528
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