现代电力系统_武志刚,张尧,朱林_9787568089050

本书在分析电力系统的系统性的基础上，首先介绍构成电力系统的各种发输配用设备的数学模型，并介绍这些设备相互联系、相互影响的基本原理。针对由这些设备构成的电力系统，分别介绍其稳态分析和故障分析的理论，前者包括获取稳态详细信息的潮流计算模型及相应算法、稳态时的有功无功平衡及对应的频率电压调整问题、电力系统经济运行问题，后者由简单到复杂地介绍三相对称故障、简单不对称故障和通用复杂故障的分析计算方法。本书可作为电气工程专业的本科生教材或参考书，涉及少量在硕士阶段讲解的知识点（如稀疏计算），也可作为电力工业的专业技术人员、科研人员的参考书。本书内容包括电气工程及其自动化专业核心专业课程电力系统分析的主要知识点，由于涉及以新能源为主体的新型电力系统相关内容，且试图加强关于系统论概念和思维方式的介绍，故将本书命名为《现代电力系统》。书中所提的概念、分析方法、思维方式不仅可用于电力工业工程实际领域，对学生认识和分析复杂的现实世界也有一定的参考意义。本书围绕电力系统基本模型和稳态分析、故障分析的方法和理论来展开，全书分为14章，主要内容如下。第1～2章为概要性介绍。第1章介绍了电力系统相关基本概念、发展沿革及与现代社会的密切关系等，为读者奠定初步的认识基础；第2章重点从系统论角度对电力系统做全景化描述，指出其复杂开放系统的特点，从而引出电力系统分析核心问题及基本框架。第3～5章为电力系统中各种主体的数学模型，目的是用于将发输配用各环节整合成同一系统后的分析。第3章介绍了发电机的基本概念，指明发电机是电力系统中将其他形式能量转化成电能的设备，包括同步电机基本假设、派克变换、同步电机稳态模型、暂态/次暂态模型，通过归纳/演绎的逻辑组织知识；第4章介绍了输配电环节的数学模型，包括交流电网本身的模型（拓扑结构支路参数）和组成电网的输电线路和变压器等设备的模型，是典型电力系统分析计算的基础；第5章介绍了电力系统负荷的基本概念，指明负荷是电力系统中将电能转化成其他形式能量的设备类型，强调负荷的复杂性，指出常见电力系统分析计算中所用的负荷都是海量主体群体效应的近似和简化。以上述电力系统中各种主体模型为基础，本书余下的篇幅分别介绍电力系统稳态分析和故障分析的内容。电力系统稳定性分析的内容相对独立，而且随着新能源在电力系统中占比越来越大，系统的稳定特性发生了质的变化，对现有电力系统稳定理论框架进行改造和升级的任务尚未完成，可在将来专门著述。第6～11章为电力系统稳态分析的内容。第6章论述了电力系统稳态分析的基本问题，指出关注的是与外部环境交换能量处于某种相对固定的动态结构的状态特征；第7章分析了处于稳态电力系统在微观层面的问题，主要为功率在支路中流动可能造成的电压变化和功率损耗产生的机理和特点；第8章介绍了上述微观层面现象聚合成完整的电力系统全局现象后的描述和分析计算方法，即电力系统潮流计算的模型和经典算法，包括开式网络的前推回代法、复杂电网的高斯赛德尔法、牛顿拉夫逊法（及其改进算法和模型扩展）、特殊条件下简化的直流潮流等内容；第9章是第8章的延续，目的是将经典的数值计算方法用于实际大规模电网的分析计算，即稀疏技术在电力系统计算中的应用，介绍了稀疏存储、因子表分解、前代/规格化/回代等计算过程的稀疏计算、稀疏矢量法节点编号优化问题等内容；第10章分析了电力系统稳态运行时常遇到的两大类问题，分别是与有功平衡相关的频率调整问题，以及与无功平衡相关的电压调整问题，介绍了目前电力系统解决这些问题的基本方法框架，强调问题的解决往往依赖于对系统各类型设备相互配合方式的调整和优化，从而体现出系统论思维方式；第11章介绍了电力系统经济运行的基本概念，指出其从某种意义上来说是对电力系统运行水平的更高要求，分为电网和电源两部分来介绍，前者关注电能传输过程中的损耗问题，后者关注其他形式能量向电能转化的效率问题。第12～14章为电力系统故障分析的内容，按照模型由简单到复杂、问题由特殊到一般的思路来展开。第12章重点介绍了*简单、*基础的故障类型三相对称故障的分析计算方法，其核心内容是将问题表述为电力系统在故障端口的戴维南等效电路，并用少量节点阻抗矩阵元素和已知电源信息即可完成短路电流计算，本章其他内容可理解为这些内容的延伸；第13章介绍了简单不对称故障的分析计算方法，即只在单一位置发生短路或断线故障后电力系统状态如何分析计算，引入了对称分量法和正负零序的概念，给出了更通用的模型，此时第12章中的三相对称故障成为特例，可描述为不对称程度*低的简单不对称故障，从而给出所有简单故障统一的分析计算模型；第14章介绍了复杂故障的分析计算，在假设被分析电网为线性网络的前提下，将任意多重故障解释为单重故障的叠加效果，*终给出本书*通用的故障分析计算模型。本书各章结尾处提供若干习题。在作者的教学实践中配合课程大作业，目的是让学生能综合应用书中知识解决相对复杂的问题，培养学生解决复杂工程问题的能力，这部分内容可依据读者所在院校实际情况来处理。本书作者制作了配套的MOOC资源，目前部署在学银在线上，读者可配合该资源(https://www.xueyinonline.com/detail/228913040)来学习本书的内容。本书在编写过程中注重突出新工科发展的需求。在作者所在单位本书重点用于电气工程及其自动化卓越工程师班的课程教学，该班为本硕贯通培养，故课程知识组织时将本专业本硕电力系统分析课程的知识点有机融合，并注意理论与实践的结合，以及培养学生高阶思维方式的需求。本书内容体系由浅入深、循序渐进，既介绍了电力系统分析计算领域的基本知识和方法，也介绍了系统论思维的基本概念和方法，力图使本书在作为典型专业课教材的同时具有更为广泛的应用价值。本书由三位教师合作完成：第3～5章由朱林编写；第7～9章由张尧编写；其余内容由武志刚编写。全书由武志刚组织和统稿。全书撰写过程历经两年有余，个中甘苦不言而喻。在此对各位老师付出的辛勤劳动表示衷心感谢。本书中的理论体系与目前主流的电力系统分析理论大体一致，并对新型电力系统已经或即将出现的新问题、新机理、新方法进行了介绍。若本书能为电气工程领域专业教学做出一点绵薄的贡献，完全是站在前人肩膀上的结果。也正因如此，作者在向前贤及当代大家致以诚挚谢意的同时，力图能通过自己的努力为青年人才的成长提供力所能及的辅助。书中如有错漏或不足，均为作者个人能力所致，敬请读者批评指正。

1电力系统概述(1)

1.1电力系统的内涵(1)

1.2电力系统的历史沿革与现代社会(11)

1.3习题(16)

2电力系统的系统性(17)

2.1引言：万物皆为系统(17)

2.2系统论与图论(18)

2.3电力系统是典型的非平衡系统(20)

2.4电力系统的时空表现(22)

2.5习题(33)

3电能的生产：发电机(34)

3.1发电机在电力系统中扮演的角色(34)

3.2理想同步电机的基本假设(36)

3.3同步电机原始模型(39)

3.4派克变换和dq0坐标系(48)

3.5同步电机稳态模型(54)

3.6同步电机暂态模型(61)

3.7不同电力系统分析场合中同步电机的模型(91)

3.8习题(92)

4电力网络的数学模型(93)

4.1电力网络通用模型(93)

4.2电网元件模型(107)

4.3配电网与输电网(121)

4.4习题(123)

5电能的消费：负荷(124)

5.1电力系统负荷的概念及组成(124)

5.2负荷曲线(126)

5.3负荷特性和负荷模型(134)

5.4习题(138)

6电力系统稳态分析的基本问题(139)

6.1电力系统稳态的物理本质和数学本质(139)

6.2解析计算和数值计算(140)

6.3电力系统稳态分析的内容(144)

6.4习题(145)

7电力系统状态的微观分析(146)

7.1电力系统状态的微观层面表达(146)

7.2简单支路传输功率过程中的电压降落和功率损耗(146)

7.3网络元件的电压降落和功率损耗(153)

7.4习题(155)

8电力系统潮流计算的基本方法(156)

8.1潮流计算的定义和经典模型(156)

8.2开式网络潮流计算的前推回代法(163)

8.3复杂电网潮流计算的高斯赛德尔法(171)

8.4复杂电网潮流计算的牛顿拉夫逊法(173)

8.5牛顿拉夫逊法潮流计算的改进(180)

8.6牛顿拉夫逊法的扩展(188)

8.7直流潮流(206)

8.8习题(208)

现代电力系统目录9稀疏技术在电力系统计算中的应用(209)

9.1网络方程求解的高斯消去法(209)

9.2稀疏矩阵的概念(217)

9.3节点导纳矩阵的稀疏性及其稀疏存储(218)

9.4因子表分解的稀疏计算(222)

9.5方程求解过程中的稀疏计算(227)

9.6稀疏向量求解(228)

9.7节点优化编号问题(232)

9.8习题(237)

10电力系统的功率平衡和频率电压调整(238)

10.1电力系统功率平衡问题概述(238)

10.2电力系统的有功功率平衡和无功功率平衡(240)

10.3参与有功功率平衡的各个角色(243)

10.4频率的一次调整和二次调整(252)

10.5互联系统有功功率平衡和频率调整(258)

10.6参与无功功率平衡的各个角色(263)

10.7允许电压偏移和中枢点电压管理(271)

10.8中枢点电压调整的通用数学模型(274)

10.9频率调整和电压调整的关系(275)

10.10习题(276)

11电力系统的经济运行(277)

11.1电力系统经济运行的基本概念(277)

11.2电网侧的经济运行问题(277)

11.3发电侧的经济运行问题(287)

11.4源网荷储联动的经济性(297)

11.5习题(298)

12最基本的电力系统故障分析：三相短路故障计算(299)

12.1电力系统短路的一般概念(299)

12.2电力系统中短路计算的近似处理(303)

12.3互阻抗和转移阻抗的概念(305)

12.4三相短路计算的具体方法(306)

12.5习题(309)

13简单不对称故障分析(311)

13.1对称分量法(311)

13.2典型电力系统设备的序阻抗(320)

13.3各序网络的制定方法(330)

13.4简单不对称短路故障中短路点处的分析计算(334)

13.5简单不对称短路故障中电网任意位置的分析计算(342)

13.6非全相断线故障的分析方法(351)

13.7非全相断线故障的边界条件和复合序网(353)

13.8习题(354)

14复杂故障分析(355)

14.1复杂故障的通用边界条件(355)

14.2单一故障求解的通用表达方法(357)

14.3多重故障的一般性推广(359)

14.4电力系统工程实际中的复杂故障分析(360)

14.5习题(361)

参考文献(362)

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