具体描述
Voltage Stability is a relatively recent and challenging problem in Power Systems Engineering. It is gaining in importance as the trend of operating power systems closer to their limits continues to increase. Voltage Stability of Electric Power Systems presents a clear description of voltage instability and collapse phenomena. It proposes a uniform and coherent theoretical framework for analysis and covers state-of-the-art methods. The book describes practical methods that can be used for voltage security assessment and offers a variety of examples.
现代电力系统运行与控制：稳态、暂态及高级优化策略 本书导言 电力系统是现代社会运行的基石，其可靠、高效的运行直接关乎国家安全和经济命脉。本书旨在全面、深入地探讨现代电力系统从稳态运行到动态过程控制的复杂技术领域。不同于专注于单一技术侧面的传统教材，本书采用了一种整合性的视角，将理论分析、数学建模与前沿的工程实践紧密结合，为电力系统工程师、研究人员以及高年级本科生和研究生提供一本兼具深度与广度的参考资料。 我们将电力系统的运行挑战分解为几个相互关联的关键领域：基础理论与建模、稳态运行分析、暂态（动态）行为研究、控制系统设计与应用，以及面向未来电网的先进优化技术。本书的叙事逻辑是从最基本的元件特性出发，逐步构建起整个复杂系统的分析框架，最终落脚于如何通过智能化的控制手段来确保系统的最佳运行状态。 --- 第一部分：电力系统基础理论与建模 本部分奠定了理解复杂电力系统行为的数学和物理基础。我们首先回顾电磁学和电路理论在三相电力系统中的特定应用，重点关注对称分量法在处理不对称情况下的强大能力。 第一章：电力系统元件的精确建模 详细分析了同步发电机、输电线路、变压器及负荷的精确非线性模型。同步发电机的暂态和次暂态模型是理解系统动态响应的核心。我们深入探讨了不同运行工况下（如饱和、温度变化）元件参数对模型准确性的影响。对于输电线路，不仅涵盖了集总参数模型，还引入了分布参数模型，特别是在超高压输电中长线路的分析。负荷建模部分，我们超越了简单的恒阻抗模型，引入了基于物理机制的动态负荷模型，以更好地反映现代工业和民用负荷的真实行为。 第二章：状态变量与潮流计算基础 本章聚焦于系统状态的定义和描述。我们阐述了电力系统状态变量集合（包括电压幅值、相角、发电机功角等）的确定性。随后，对稳态潮流计算进行了详尽的论述，从牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson）的推导、收敛性分析，到处理极端运行条件下的方法。更进一步，我们引入了快速潮流计算算法（如快速牛顿法、雅可比矩阵近似法）及其在实时系统监控中的应用，强调了计算效率与模型精度的平衡。 --- 第二部分：电力系统稳态运行分析与优化 稳态运行是电力系统日常工作的基础。本部分侧重于如何评估和优化系统在正常负载条件下的性能。 第三章：系统安全裕度与约束评估 系统安全运行不仅意味着保持电压在允许范围内，更重要的是维持足够的备用容量以应对突发事件。本章详细介绍了各种安全裕度指标，如最大功率传输能力、电压稳定极限以及功角稳定极限（在稳态分析框架下）。我们讨论了基于灵敏度分析的安全约束潮流（SCUC）的理论基础，以及如何利用这些指标来指导系统调度。 第四章：经济调度与最优潮流 电力系统的核心目标之一是在满足所有技术约束的前提下，以最低的运行成本发电。本章深入探讨了经济调度的数学规划方法。我们首先建立了基于凸优化的经典经济调度模型（忽略了潮流损耗），随后引入了考虑输电网络损耗、爬坡率和运行维护成本的非线性机组组合问题。对于大型系统，我们重点分析了基于分解（如拉格朗日松弛法）和启发式算法（如遗传算法在求解NP难问题时的应用）的求解策略。 --- 第三部分：电力系统动态行为与暂态过程 本部分是本书的难点和重点，关注系统受到扰动后如何演化以及如何恢复平衡的过程。 第五章：同步发电机暂态响应分析 本章详细解析了同步发电机的次暂态、暂态和稳态电磁转矩响应。我们运用dq坐标变换，推导了在不同故障类型下（如三相短路、单相接地）发电机端电压和电流的解析解和数值解方法。特别关注了励磁系统和调速器对暂态稳定性的影响，强调了励磁控制器的饱和和延迟效应对系统动态特性的支配作用。 第六章：功角稳定性的深入探讨 功角稳定性是电力系统安全运行的生命线。本书将功角稳定性分析分为小扰动下的线性化分析（特征值分析）和大扰动下的时间域仿真。我们详细阐述了等面积定则在单机无穷大系统中的应用，并将其推广到多机互联系统的数值积分求解。本章还引入了临界切除时间（Critical Clearing Time, CCT）的概念，以及如何通过改变系统结构或控制参数来增大CCT，从而提高系统的暂态稳定性。 第七章：电压稳定性与负荷特性 电压稳定性关注系统在功率负荷增加或发电机出力不足时维持足够电压的能力。我们采用P-V曲线和Q-V曲线分析方法，精确确定系统的最大传输能力。本章重点分析了动态负荷对电压稳定性的负面影响，并探讨了静/动态无功补偿设备（如SVC, STATCOM）在维持系统电压稳定中的作用机制和控制策略。 --- 第四部分：高级控制策略与系统韧性 本部分着眼于现代电力系统对快速、精确、鲁棒控制的需求，引入了先进的控制技术。 第八章：电力系统辅助控制设计 系统级控制的核心在于协调发电机和负荷的动态响应。本章详述了各种辅助控制器的设计与整定。特别是，对超快响应的静态同步补偿器（STATCOM）和统一潮流控制器（UPFC）的控制结构进行了详细的剖析，包括其内环、中环和外环的控制逻辑，以及如何利用其快速调节能力来抑制振荡和快速恢复电压。 第九章：低频/高频振荡的抑制与阻尼 现代互联系统容易出现低频（系统间）和高频（设备间）振荡。本章聚焦于基于先进控制理论的阻尼技术。我们详细介绍了使用事实功控制器（PDC）和事实无功控制器（QDC）的设计方法，特别是如何利用最优控制理论或$mathcal{H}_{infty}$控制来设计对系统参数变化具有鲁棒性的阻尼控制器，以有效抑制系统惯量缺失导致的振荡模式。 第十章：未来电网中的先进优化与韧性 面对可再生能源（风电、光伏）的大规模并网，电力系统的运行模式正在发生根本性转变。本章讨论了基于模型预测控制（MPC）的先进潮流管理技术，MPC如何利用对未来负荷和新能源出力预测，提前优化控制器的设定值，实现更优的经济性和安全性。最后，我们探讨了如何利用信息物理系统（CPS）的视角来提升电网的韧性，即系统在遭受网络攻击或极端物理故障后快速恢复关键服务的能力。 --- 总结与展望 本书提供的分析框架和计算工具，旨在使读者能够全面掌握电力系统从宏观调度到微观控制的全貌。通过对稳态极限、暂态响应和先进控制的系统性学习，读者将能够有效地诊断复杂电网问题，并设计出安全、经济、高效的运行与控制方案，为未来智能电网的建设奠定坚实的理论与工程基础。
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