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深入理解现代电力系统的基石：电力工程与应用 本书聚焦于现代电力系统的核心技术、设计原理与实际应用，旨在为电气工程、能源科学及相关领域的专业人士和高级学生提供一本全面、深入的参考手册。它超越了基础电路理论的范畴，着重探讨电力如何在广阔的尺度上被有效生成、传输、分配和利用。 --- 第一部分：电力系统的宏观架构与运行环境 本部分首先确立了现代电力系统的整体框架，从发电端到最终用户的完整链条进行剖析，并强调了影响系统稳定性和经济性的关键外部因素。 第一章：电力系统的组成与演进 本章系统地梳理了现代电力系统（Power System）的结构。详细阐述了发电、输电、变电和配电这四大核心环节的功能、相互依赖性及其在地理上的空间分布。追溯了电力系统从早期独立电厂到如今高度互联的区域/洲际电网的发展历程，重点分析了同步发电技术（如蒸汽轮机、燃气轮机）的原理及其在电网中的作用。深入探讨了同步发电机（Synchronous Generator）的等效电路模型、暂态特性，以及它们如何通过励磁系统（Excitation System）控制电压和无功功率。同时，引入了电网规划的长期视角，包括负荷预测的基本方法（如时间序列分析和回归模型）和系统冗余度的概念。 第二章：潮流计算与系统稳态分析 掌握系统的稳态运行状态是所有高级分析的基础。本章详尽介绍了交流（AC）电力系统的潮流计算（Load Flow Analysis）。内容涵盖了导纳矩阵（Y-Bus Matrix）的构建方法，以及牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson Method）和快速去耦法在求解非线性方程组中的具体应用步骤、收敛性分析和计算效率的考量。针对不同类型的母线（PQ母线、PV母线、Slack母线），阐述了如何设定边界条件并解释潮流计算结果，如各母线电压幅值与相角、线路的有功/无功潮流。此外，还深入探讨了电压稳定裕度和功率传输极限的初步概念，以及在运行中如何通过调整发电机无功出力和相角来优化系统性能。 第三章：电力系统中的经济调度 在满足所有技术约束的前提下，如何以最低的成本运行电网是运营的核心挑战。本章聚焦于经济负荷分配（Economic Dispatch, ED）问题。详细介绍了单位成本曲线（Incremental Fuel Cost Curve）的构建方法，并使用拉格朗日乘数法求解考虑了输电损耗的经济调度问题。重点分析了“λ值”（边际成本）的物理意义及其在各发电机间的分配原则。随后，引入了考虑机组启停和最小开机时间的混合整数线性规划模型，以处理更实际的机组组合（Unit Commitment）问题，并讨论了启发式算法（如动态规划和遗传算法）在求解大规模、复杂调度问题中的应用。 --- 第二部分：电力系统的动态稳定与控制 本部分转向动态过程，研究系统在受到扰动时如何维持或恢复平衡状态，这是保障电网可靠性的关键技术领域。 第四章：暂态稳定分析与同步电机动态模型 当发生短路或大负荷切除等突发事件时，系统的动态响应至关重要。本章详述了同步发电机在暂态过程中的简化模型，特别是采用经典的两阶模型（恒定功角、恒定励磁电压）来分析系统的功角稳定性。详细讲解了“相角刚度”（Rotor Angle Stability）的概念，以及如何利用“相角-功量曲线”（P-δ Curve）来评估暂态稳定性。重点分析了暂态稳定判据，包括等面积准则（Equal Area Criterion）在单机无穷大系统中的应用，并扩展到多机系统中的等效系统简化方法。 第五章：电力系统保护与故障分析 电力系统保护是抵御故障、隔离故障元件以防止事态扩大的最后一道防线。本章系统介绍了电流保护、电压保护和频率保护的基本原理。详细阐述了继电器（Relay）的工作原理，包括过流继电器、距离继电器（Impedance Relay）和差动保护（Differential Protection）。在故障分析方面，利用对称分量法（Symmetrical Components）对三相短路、单相接地、两相短路等常见不对称故障进行严谨的数学分析，计算故障点的电压和电流，这是正确整定保护装置的基础。 第六章：自动电压调节（AVR）与无功功率管理 电压的稳定是系统安全运行的先决条件。本章深入剖析了自动电压调节器（AVR）的结构和控制策略，包括传感器、调节器（通常为PID控制）和执行器（励磁系统）。重点分析了AVR对同步电机暂态和次暂态过程的影响，以及如何通过参数整定确保反馈系统的稳定性和快速响应。此外，详细讨论了无功功率（Reactive Power）在传输线路上对电压和线路损耗的影响，以及无功补偿设备（如SVC、STATCOM、无功补偿电容器组）的并联和串联应用原理及其对系统灵活性的贡献。 --- 第三部分：现代电网挑战与先进技术集成 本部分面向未来电网的发展趋势，探讨了新能源接入、电能质量管理以及智能电网的控制架构。 第七章：电力系统中的电能质量（PQ）问题 随着非线性负载（如变频器、整流器）的广泛应用，电能质量日益成为关注的焦点。本章详细解析了谐波（Harmonics）的产生机理及其对设备（如电机、变压器）的影响。使用傅里叶级数分析来分解非正弦周期性电流和电压。深入讨论了电压闪变、三相不平衡等其他质量问题。并介绍了主动滤波器（Active Power Filter, APF）和无源滤波器组的设计原则，用以抑制特定频率的谐波污染，确保系统满足IEEE 519等国际标准。 第八章：可再生能源并网与电力电子接口 现代电力系统正在经历能源结构的深刻变革。本章重点关注太阳能光伏（PV）和风力发电接入电网所带来的技术挑战。详细阐述了高功率电力电子变流器（Converters）在实现并网过程中的作用，特别是电压源型逆变器（Voltage Source Converter, VSC）的工作模式。分析了间歇性可再生能源对系统惯量和频率稳定性的冲击，并介绍了通过虚拟同步机（VSM）控制策略来增强变流器接口的动态性能，以模拟传统同步发电机提供惯量和阻尼支撑的技术路径。 第九章：配电系统的优化与智能电网 从集中式到分布式（DG），配电网正变得更加复杂和主动。本章探讨了高级配电管理系统（ADMS）的功能，包括自愈（Self-Healing）能力和故障隔离与恢复（FDIR）的实现。分析了分布式发电和储能系统（ESS）对配电网潮流和电压分布的影响。介绍了利用先进的测量技术（如PMU——相量测量单元）进行系统状态估计（State Estimation）的原理和算法，这是实现电网数字化和实时控制的基础，为构建高效、可靠的未来智能电网提供了技术蓝图。 --- 本书的特点在于： 严谨的数学建模： 采用扎实的线性代数、微分方程和优化理论对复杂的电力系统现象进行精确描述。 面向应用的深度： 结合行业标准和实际运行案例，解释关键控制策略的设计依据。 前瞻性视野： 充分覆盖了新能源、电能质量和智能电网等热点领域的前沿技术。 本书适合作为电力系统分析、电力系统暂态稳定、电力系统经济运行等专业课程的教材或参考书，是电力工程师深入理解和设计现代电网的必备工具书。
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