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电力系统动态 稳定性与控制（原书第2版） 
定 价：198 元 丛书名：智能电网关键技术研究与应用丛书
适用读者: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，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
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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。
原书前言
1997 年，本书作者 J. Machowski、J. W. Bialek 和 J. R. Bumby 出版了一 本名为 Power Sys tem Dynamics and Stabilit*的书，即本书的第1版。该书得到了广大读者的好评，读者告诉我 们，无论在学术界还是在工业界，该书通常被用作正规教材。该书出版大约10年后，我们 开始着手编写其第+版。然而，我们很快意识到，这些年来电力系统行业的发展，需要组织 大量新增材料来进行描述。因此，本书在第S版基础上扩充了大约三分之一的内容，且新的 书名改为 Power System Dynamics ： Stabilit* and Cowtroi $ 其中 % 控制（Control）” 一词反映了 这样一个事实，本书中大部分的新增材料涉及电力系统控制，包括柔性交流输电系统 （FACTS）、广域测量系统（WAMS）、频率控制、电压控制等。新的书名还反映了本书的重 点从单纯描述电力系统的动态行为扩展到了包括提高稳定性的控制方法。例如，我们坚信新 的WAMS技术可能会彻底改变电力系统的控制。在电力系统运行中更广泛地运用WAMS的 主要障碍之一，公认是缺乏可用于系统实时控制的算法。本书试图通过开发一些基于WAMS 的实时控制算法来填补这一空白$ 新增如此多材料的第二个原因是，自+0世纪90年代以来，电力系统行业发生了前所未 有的变化。特别是可再生能源发电的快速增长（其驱动力是对全球变暖的关注）正在改变 电力系统的基本特性。目前，风力发电在可再生能源中占主导地位，而风电机组通常采用感 应电机而不是同步电机。由于此种发电类型的大量渗透将会改变系统的动态行为，因此新增 的第7章完全用于对风力发电的描述。 需要考虑的第三个因素是在新千年的前几年发生的一系列被广泛知晓的停电事故所产生 的影响。特别引起关注的是发生在2003年秋季的美国/加拿大、意大利、瑞典/丹麦和英国 的大停电事故，以及2004年雅典的大停电事故和2006年11月4日欧洲的大停电事故。这 些大停电事故暴露了多个关键性问题，特别是那些与电力系统在低电压下的行为有关的问 题。因此，本书扩充了这方面的内容，同时对某些停电事故进行了剖析。 必须强调的是，本书基于与上一版相同的理念，试图对如何培养电力系统工程师的一些 重要问题给出解答。随着功能强大、可运行越来越复杂仿真软件的计算机的普及，存在一种 用仿真来替代理解的趋势。这种趋势对学生和年轻研究人员尤其危险，因为他们认为仿真是 一种万能药且总能给出正确的答案。他们没有意识到的是，缺乏对基本原理的物理内涵的理 解，就不可能对仿真结果进行自信的解释或验证。因此，用善意的怀疑态度对待任何计算机 仿真的原始结果绝对是一种好习惯。 电力系统动态过程是不容易理解的，这方面有一些很好的教材，其中的一些在第1章中 进行了回顾。由于同步电机对确定电力系统动态响应起着决定性的作用，因此很多书为了引 入Park方程并建立发电机的数学模型，都是从同步发电机的详细数学描述开始的。然而， 根据我们的经验，以如此详细的数学描述来开始一个主题，会使许多学生无法进一步学习， 因为他们经常发现很难看到所用数学与实际的任何相关性。对于那些更倾向于实际且不希望 一直使用复杂的发电机数学模型而了解系统中正在发生的事情的读者来说，这可能是一个主 要的障碍。 本书的叙述方法与上述书籍不同。我们首先尝试用发电机的简单模型，结合电气工程的 基本物理定律，对电力系统动态过程的基本物理现象进行定性解释。在学生理解了电力系统 动态过程的基本物理概念之后，我们再引入发电机的完整数学模型，然后再讲解更高级的主 题，如系统简化、动态仿真和特征值分析。通过这种方式，读者可以在不首先学习Park方 程的情况下了解电力系统运行，我们的愿望是使读者能够更容易地进入这个领域。 我们所有的考虑都通过图表来进行充分的展示。我们坚信一句古老的格言：一张插图胜 过千言万语。事实上，本书包含了 400多个图表。 为方便叙述，本书分成了三大部分。第1部分（第1~3章）回顾了电力系统动态研究 的背景情况。第2部分（第4~10章）试图用单机-无穷大母线系统经典模型来解释电力系 统动态过程的基本现象。第3部分（第11 ~14章）讨论了适用于大规模电力系统建模和动 态仿真的一些更高级的主题。 下面对各章和新增材料进行更详细的介绍。第1章对电力系统动态过程进行了分类，并 给出了一个简要的历史回顾。新增材料扩展了电力系统稳定性和安全性评估的定义，并引入 了一些后面章节中要用到的重要概念。第2章概述了电力系统中的主要元件，包括现代的 FACTS装置。新增材料对FACTS装置进行了更全面的描述，同时增加了关于WAMS的新的 一节。第3章介绍了稳态模型及其在电力系统性能分析中的应用。新增材料对发电机作为无 功电源进行了较深入的讨论，同时引入了电压-无功功率能力特性曲线；我们认为这是对这 些概念的一种全新解释，因为在其他地方还没有看到过。前面已提到过的大范围停电事故， 突显了理解发电机及其控制装置在低电压下动作特性的重要性。本章还增加了关于电网中潮 流控制的新的一节。 第4章分析了扰动后的动态过程，引入了适合于分析同步发电机动态行为的模型。第5 章讨论了小扰动后的电力系统动态过程（静态稳定性）。第6章分析了大扰动后的电力系统 动态过程（暂态稳定性），本章新增的材料包括利用Lyapunov直接法分析多机电力系统稳定 性以及失步保护的原理。第7章是全新的，讲述了风力发电的基本原理。第8章进行了大篇 幅的扩展，给出了电压稳定性的解释以及多种用于电压稳定性评估的方法。新增材料包括电 力系统停电事故的实例，预防电压崩溃的方法，并增加了新的一节用于讨论发电机自励磁问 题。第9章对频率稳定和控制进行了较大篇幅的扩展，包括针对频率不稳定的防御计划和频 率控制的质量评估。本章新增了一节讨论自动发电控制（AGC）与FACTS装置之间的相互 作用，这些FACTS装置安装在互联电力系统的联络线上用于控制联络线的潮流。第10章概 述了增强稳定性的主要方法，包括传统的方法和使用FACTS装置的方法。新增材料包括使 用制动电阻提高稳定性，并将早期已导出的镇定算法推广到多机电力系统的新的结果等。 第11章介绍了不同电力系统元件的高级模型。新增材料包括风电机组模型和FACTS装 置模型。第12章对多机电力系统静态稳定性的特征值分析方法进行了大篇幅的扩展，增加 了对特征值和特征向量意义的完整解释以及相关数学背景知识的更系统的介绍。由于此主题 是高度数学化的，可能较难理解，因此我们增加了大量的数值算例。第13章介绍了用于电 力系统动态仿真的数值方法。第14章介绍了如何使用等效简化来减小仿真问题的规模，该 章进行了较大篇幅的扩展，新增材料包括等效简化的模态分析以及多个算例。 附录讨论了标幺制问题，新增了关于求解常微分方程组的数学原理。 需要强调的是，虽然本书的大部分是以高年级本科生和研究生为对象作为教材来写的， 但也有大量材料属于前沿研究领域，其中还有一部分从未发表过。这包括使用Lyapunov直 接法推导出多机电力系统的镇定算法（第6、9和10章），以及基于模态分析法的电力系统 动态等效推导（第14章）等。 J. Machowski, J. W. Bialek, J. R. Bumby 于波兰华沙、英国爱丁堡和英国杜伦 ?译者序 电力系统学科最难学的课程是“电机学”和“电力系统暂态分析”，而其中的难中之难 是同步电机理论。本书采用了一套有别于国内惯用的课程体系和教材体系的新框架，将同步 电机理论从物理原理到数学分析由浅入深、步步推进，克服了同步电机理论在“电机学” 和“电力系统暂态分析”课程里分割讲授所造成的逻辑链缺失和一致性割裂问题，大大方 便了读者对同步电机理论的掌握。 对于电力系统动态过程与控制问题的讲解，本书的独到之处可以概括为注重物理原理、 解释透彻、数学推导完整深入。下面引述原书作者关于电力系统中物理原理与计算机仿真技 术关系的评论，以说明物理原理是根本，计算机仿真技术是手段，两者不可偏废的道理: “对过去二三十年里发表的大量论文的简短回顾表明，电力系统研究的重点一直集中在将计 算机有效地应用于电力系统分析。鉴于计算机技术的快速发展，计算机在电力系统分析中的 基础性作用是可以预期和理解的。然而，存在一种危险的倾向，年轻的工程师和研究人员更 乐意关注计算机技术，而不愿意花精力去理解难懂的电力系统动态过程本身的基本物理原 理；一定时间后，这可能会影响此领域的发展。为了尝试解决这一问题，本书首先描述了特 定电力系统动态现象的基本物理过程，在彻底理解基本原理以后，才给出更严格的数学处理 方法。一旦掌握了数学处理方法，就可以利用计算机来得到必要的定量分析结果。正是由于 这些原因，本书将集中阐述不同问题领域的基本分析方法，同时经常给出更加专业的参考 文献。& 由于目前专业课学时数的压缩，现在“电力系统分析”课程在物理原理和计算机仿真 技术两方面讲解的广度和深度都是十分欠缺的，即使电力系统专业研究生毕业，也不见得对 电力系统动态过程有深入的理解。因此译者认为，本书可以为理解电力系统动态行为在物理 原理和数学推导上打下坚实的基础，而借助计算机对电力系统动态行为进行仿真所涉及的算 法实现可以参考译者的另一本译著《电力系统分析中的计算方法（原书第2版）》（机械工 业出版社，2017）。 徐政 2019年10月 于浙江大学求是园
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。
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
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