本书共分为三部分，第1部分为电力系统建模与控制，介绍了同步发电机和感应电动机；传统发电厂主要部件的建模；风力发电；短路电流计算；有功功率和频率控制；电压和无功功率控制等方面内容。第2部分为电力系统稳定与保护，介绍了电力系统稳定性；小扰动功角稳定性和机电振荡阻尼；暂态稳定性；电压稳定性；电力系统继电保护等方面内容。第3部分为电网停电和恢复过程，介绍了电网主要停电事故的分析、分类及预防；大停电之后的恢复过程；电力系统暂态过程的计算机仿真等方面内容。
本书非常适合作为电气工程专业本科生与研究生阅读，也可作为电力系统运行与控制领域工程师、制造商以及科研人员的参考书。
前 言
电是现代世界的驱动因素。随着人们对生活质量的要求越来越高，人类对能源的需求也越来越多。现代文明的历史始于一个多世纪前，当时人们发明了发电和输电基础设施。现如今，随着电力需求的增加，电力系统的规模不断扩大，且变得更加复杂。因此，人们必须不断创新以创造更高效和可靠的电力系统组件。
近，电力系统经历了一个放松管制的时代，电力市场的创建旨在刺激竞争，实现公平的电能价格，鼓励现代化和调试新电厂的投资等。然而，电力市场的直接影响是电力系统运行中额外存在的问题。
一方面，存在有限的传统能源和环境保护需求，另一方面实际强大的仿真硬件和软件工具的优势，鼓励人类开发风能、太阳能和其他非传统资源。过去几年，可再生能源发电的比例显著增加，大型风电场在陆上和近海被开发，导致发电模式发生重大变化，从而改变了电力潮流。此外，随着可再生能源发电量的增长，在1h内有时会发生电力潮流的变化。这个问题实际上需要一个较强的电力传输网络。
因此，电力系统运营商面临着比过去更大的挑战，如电力市场对发电资源的调度和处理受到限制，由于难以建设新的输电设施，输电网络的运行接近其技术限制，以及由于间歇性和可再生能源预测的不准确性，甚至由于地震和风暴等自然因素导致的发电不确定性。
过去几年经历的主要电网停电事件证明，电力系统基础设施管理和教育始终需要投资和创新。ENTSO-E网络的操作手册已更新，以防止由于过去的宽松规则而发生重大事件。在强大互联的陆上电力系统中，因为是ENTSO-E网络，所以基于明确规则的电力系统运营商之间的协作至关重要。
作为对电力系统技术问题的反应，新概念还未发展起来。预计更多智能电网和陆上超级电网的创建的新想法可能会提高电力系统的安全性，同时满足客户对用电量和电能质量的需求。这可能被视为电力的新时代。
这本书集合了理论和应用，从动态分析建模，到稳定性评估方法和控制策略，终帮助读者了解电力系统停电的原因和影响，一方面，使读者了解为什么需要一些预防行动，以确保适当的安全水平从而避免停电。本书作者来自学术界和工业界，是CIGRE和IEEE-PES活动的活跃专家。
André Merlin
国际大电网会议主席
致 谢
作者希望借此机会感谢所有在技术上直接或间接为本书编写提供帮助的人员和机构。
特别感谢Kundur Power System Solutions公司总裁Prabha Kundur教授的支持和鼓舞人心的建议。他的《电力系统稳定与控制》一书是该领域的经典著作，他对本书中提出的几个理论也具有启发作用。
对于某些章节，作者受益于某些机构或公司，这些机构或公司授予许可转载或调整其中的数字、方程或内容。特别感谢美国电气电子工程师学会（IEEE）、国际电工技术委员会（IEC）、国际大电网会议（CIGRE）以及John Wiley&Sons公司的转载许可和支持。对施耐德电气公司授予许可转载部分内容表示致谢。
作者对Ronald Harley教授（Georgia Tech）授予许可在第2章转载一些内容表示感谢。在第2章中提出的理论归功于Eugeniu Potolea教授（布加勒斯特理工大学），作者想特别感谢他。同时对Mihaela Morega教授的建议表示感谢，对于第3章向Florin Alexe教授表示感谢（两人均来自布加勒斯特理工大学）。
对Daniel Roye教授和Seddik Bacha教授（INP Grenoble）授予第4章中一些图片的转载许可以及提供有价值的建议也表示诚挚的致谢。
在第5章中，Nicolae Golovanov教授（布加勒斯特理工大学）提供了他的专业知识，作者对此表示感谢。在与AMEC公司顾问Jay C. Das博士合作之后，第5章使用了有价值的观点。
感谢Wilson Xu（阿尔伯塔大学）授予第11章中的一些内容转载许可。感谢Mrinal K. Pal博士（MKPalConsulting的独立顾问）授予第11章中的一些观点的引用。第11章中介绍的一些理论也是与Thierry Van Cutsem教授和名誉教授Jacques Trecat合作之后的结果。
第13章的作者对Dmitry N. Efimov（俄罗斯科学院能源研究所，伊尔库茨克）和INP Grenoble博士Lu wei博士的宝贵贡献表示感谢。
编写一本书是一项复杂的工作。再此，作者要感谢Mircea Scutariu博士（格拉斯哥），Constantin Surdu博士（法国电力集团），Valentin Ilea博士，Ioana Pisic?博士，Petre R?zu?i博士，Florin C?t?lin Ionescu博士和博士生Cristian Virgil Cristea、Alexandru Mandi?和Valeriu Iulian Presad?（布加勒斯特理工大学）在绘图、编辑文本和方程方面的帮助。
作者对与John Wiley & Sons公司IEEE出版社的杰出合作表示感谢，特别感谢Taisuke Sode、Mary Hatcher、San Chari Sil和Danielle Lacourciere，她们在出版过程中表现得耐心和专业。
Mircea Eremia
Mohammad Shahidehpour
撰 稿 人
目 录
译者序
原书前言
致谢
撰稿人
第1章 概述 1
第2章 同步发电机和感应电动机 5
2.1 同步发电机的理论与模型 5
2.1.1 设计与运行原理 5
2.1.2 同步发电机的机电模型：动力学方程 8
2.1.3 同步发电机的电磁模型 11
2.1.4 同步发电机参数 40
2.1.5 磁路饱和 49
2.1.6 动态模型 54
2.1.7 无功容量范围 68
2.1.8 励磁系统介绍与建模 70
2.2 感应电动机的理论与建模 86
2.2.1 设计与运行问题 87
2.2.2 感应电机的一般方程 88
2.2.3 感应电机的稳态运行 94
2.2.4 感应电机的机电模型 98
2.2.5 感应电机的电磁模型 99
参考文献 102
第3章 传统发电厂主要部件的建模 105
3.1 引言 105
3.2 涡轮机类型 106
3.2.1 蒸汽轮机 106
3.2.2 燃气轮机 107
3.2.3 水轮机 107
3.3 热电厂 110
3.3.1 概论 110
3.3.2 锅炉和蒸汽室模型 111
3.3.3 蒸汽系统结构 114
3.3.4 蒸汽系统通用模型 116
3.3.5 汽轮机调节系统 117
3.4 联合循环电厂 122
3.4.1 概论 122
3.4.2 联合循环电厂的设计 123
3.4.3 联合循环电厂模型框图 124
3.5 核电厂 129
3.6 水力发电厂 130
3.6.1 概论 130
3.6.2 水力发电机系统和控制系统的模型 132
3.6.3 水轮机调速器控制系统 134
参考文献 137
第4章 风力发电 139
4.1 引言 139
4.2 风力发电的特点 140
4.3 技术发展现状 143
4.3.1 发电机相关概念综述 143
4.3.2 风机相关概念综述 152
4.3.3 功率控制相关概念综述 154
4.4 风力发电机建模 156
4.4.1 恒速风机模型 156
4.4.2 双馈感应风力发电机建模 159
4.4.3 全功率变流器风机 170
4.5 故障穿越能力 174
4.5.1 概述 174
4.5.2 故障穿越的桨距角控制 175
参考文献 176
第5章 短路电流计算 178
5.1 概述 178
5.1.1 短路的主要类型 178
5.1.2 短路的后果 179
5.2 短路电流特征 179
5.3 短路电流计算方法 182
5.3.1 基本假设 182
5.3.2 等效电压源法 183
5.3.3 对称分量法 185
5.4 短路电流分量计算 203
5.4.1 初始对称短路电流 203
5.4.2 ip短路电流峰值 207
5.4.3 短路电流的直流分量 209
5.4.4 对称短路的断路电流Ib 209
5.4.5 稳态短路电流IK 210
5.4.6 实际应用 213
参考文献 224
第6章 有功功率和频率控制 225
6.1 概述 225
6.2 实际频率偏差 227
6.2.1 小扰动和偏差 227
6.2.2 大扰动和偏差 227
6.3 有功功率和频率控制或负荷频率控制的典型标准和政策 228
6.3.1 前欧洲输电协调联盟（UCTE）负荷频率控制 228
6.3.2 NERC（美国）标准 229
6.3.3 其他国家的标准 230
6.4 系统建模、惯性、下垂、调节和动态频率响应 230
6.4.1 系统动态和负载阻尼的框图 230
6.4.2 调速器下垂特性对调节的影响 230
6.4.3 通过调整原动机功率来增加负载 231
6.4.4 多台发电机的并联运行 231
6.4.5 孤岛区域的建模和响应 233
6.5 调速器建模 234
6.5.1 具有下垂的简易调速器模型的响应 235
6.5.2 水轮机调速器建模 235
6.5.3 变参数水轮机调速器性能 238
6.5.4 热调速器模型 243
6.5.5 西部电力协调委员会（WECC）中新型热调速器模型的发展 246
6.6 自动发电控制（AGC）原理与建模 257
6.6.1 单区域（孤立）系统中的AGC 257
6.6.2 在两区域中，联络线控制和频率偏移中的AGC 258
6.6.3 多区域系统中的AGC 260
6.7 其他与负荷频率控制相关的课题 263
6.7.1 旋转备用容备 263
6.7.2 孤岛条件下的低频减载和运行 264
参考文献 265
第7章 电压和无功功率控制 267
7.1 有功、无功功率与电压的关系 269
7.1.1 短线 269
7.1.2 电力线参数分布 271
7.1.3 灵敏度系数 272
7.2 电压和无功功率控制设备 272
7.2.1 无功功率补偿装置 273
7.2.2 电压和无功功率连续控制装置 274
7.2.3 有载调压变压器 276
7.2.4 变压器调节 291
7.3 电网电压和无功功率控制方法 294
7.3.1 概述 294
7.3.2 无功功率的人工控制 296
7.3.3 电压无功率自动控制 297
7.4 电网电压的分层调整 314
7.4.1 层次结构 314
7.4.2 二次电压调节（SVR）控制区域 330
7.4.3 二次调压下的潮流计算 333
7.5 罗马尼亚二次电压调节实施情况研究 333
7.5.1 研究系统的特点 333
7.5.2 SVR区域选择 334
7.6 国外电压分级控制案例 339
7.6.1 法国电力系统电压分级控制 339
7.6.2 意大利电网电压分级控制系统 344
7.6.3 巴西电网电压分级控制 350
参考文献 355
第8章 电力系统稳定性概述 359
8.1 简介 359
8.2 电力系统稳定性分类 359
8.2.1 功角稳定性 361
8.2.2 电压稳定性 365
8.2.3 频率稳定性 369
8.3 电压稳定性和功角稳定性的关系 370
8.4 安全对电力系统稳定的重要性 371
8.4.1 电力系统状态 372
8.4.2 潮流安全界限 373
8.4.3 满足电力系统安全约束的服务 374
8.4.4 动态安全评估 374
参考文献 375
第9章 小干扰功角稳定性和机电阻尼振荡 377
9.1 简介 377
9.2 特征矩阵 378
9.2.1 线性化方程 378
9.2.2 特征矩阵的建立 379
9.3 常用简化方法 381
9.3.1 惯性系数和同步功率系数 381
9.3.2 机电振荡 384
9.3.3 算例 389
9.4 影响机电振荡阻尼的主要因素 396
9.4.1 简介 396
9.4.2 单机无穷大系统：简化分析 397
9.4.3 单机无穷大系统：更精确的分析 400
9.4.4 影响机电振荡阻尼的主要因素总结 432
9.5 阻尼改善 432
9.5.1 简介 432
9.5.2 基于极点配置的模态综合分析 436
9.5.3 PSS对励磁控制的影响 438
9.5.4 PSS增益限制 444
9.6 典型的区域间或低频机电暂态振荡情况 447
参考文献 450
第10章 暂态稳定性 452
10.1 概述 452
10.2 暂态稳定评估的直接方法 453
10.2.1 等面积法则 453
10.2.2 扩展等面积法则 459
10.2.3 SIME（单机等效）法 460
10.2.4 基于Lyapunov理论的直接法 464
10.3 暂态稳定评估的积分法 477
10.3.1 概述 477
10.3.2 Runge?Kutta法 480
10.3.3 隐式梯形积分法 481
10.3.4 混合Adams-BDF方法 482
10.4 动态等值 484
10.4.1 概论 484
10.4.2 系统的数学简化描述 486
10.4.3 评估系统元件的重要性 490
10.4.4 一致性估计 491
10.4.5 等值标准 497
10.4.6 惯性中心和等效参数 499
10.5 大型电力系统的暂态稳定性评估 502
10.5.1 大型电力系统的特点 502
10.5.2 初始状态 503
10.5.3 暂态稳定性研究的标准条件 503
10.5.4 通过结构分析减少待研条件数 506
10.5.5 使用简化模型和直接法 507
10.6 算例 507
参考文献 512
第11章 电压稳定性 518
11.1 概述 518
11.2 系统特性和负载建模 519
11.2.1 系统特性 519
11.2.2 负载建模 520
11.3 电压稳定性的静态方面 526
11.3.1 稳态解的存在性 526
11.3.2 运行点和区域 528
11.4 电压不稳定机制：电网、负载和控制装置之间的相互作用 531
11.4.1 电网和负载的相互作用 531
11.4.2 有载分接开关的影响 533
11.4.3 产生的无功功率限制的影响 538
11.4.4 电压标准 540
11.5 电压稳定性评估方法 541
11.5.1 电压崩溃标准概述 541
11.5.2 灵敏度分析方法：局部指标 547
11.5.3 负载裕度作为全局指标 549
11.5.4 分岔理论的一些方面 552
11.5.5 小奇异值法：VSI全球指数 557
11.5.6 简化雅可比矩阵的模态分析 559
11.6 电压不稳定对策 563
11.6.1 一些问题 563
11.6.2 甩负荷：应急措施 564
11.6.3 并联电容器切换 565
11.6.4 通过FACTS器件延长电压稳定极限 566
11.6.5 防止负载分接开关失稳的措施 569
11.7 应用 570
参考文献 577
第12章 电力系统继电保护 580
12.1 简介 580
12.1.1 引言 580
12.1.2 继电保护的任务 580
12.1.3 继电保护的性质和要求 581
12.1.4 从系统监控到断路器跳闸 582
12.1.5 主要运行要求 582
12.1.6 现代保护的优势 584
12.2 IEC 61850简介 586
12.3 详细的保护链 587
12.3.1 铜线与串行链路 587
12.3.2 监督 589
12.3.3 保护测量值 589
12.3.4 传感器获取的数据 590
12.3.5 保护数据处理 592
12.3.6 发送给执行器的数据 593
12.3.7 过程接口 593
12.3.8 断路器 593
12.3.9 电源 594
12.4 输电和配电系统结构 594
12.5 与保护有关的三相系统的特性 595
12.5.1 对称性 595
12.5.2 三相不平衡 596
12.5.3 对称元件 598
12.6 根据受保护的设备分类的保护功能 599
12.6.1 基于本地测量量定值的保护 599
12.6.2 故障方向检测保护 602
12.6.3 阻抗保护 605
12.6.4 电流差动保护 606
12.6.5 保护相关功能 610
12.7 从单一保护功能到系统保护 610
12.7.1 单功能和多功能继电器 610
12.7.2 自适应保护 611
12.7.3 分布式保护 612
12.7.4 广域保护 612
12.7.5 通用指南 613
12.7.6 安全性和可靠性 615
12.7.7 总结 616
12.8 结论 616
附录A 保护功能的识别 617
A.1 一般说明 617
A.2 识别清单 617
参考文献 620
第13章 电网主要停电事故的分析、分类及预防 622
13.1 引言 622
13.2 之前一些停电事故的描述 625
13.2.1 2003年8月14日美国东北部及加拿大停电事故 625
13.2.2 2003年9月28日意大利停电事故 636
13.2.3 2003年9月23日丹麦东部及瑞典南部停电事故 643
13.2.4 2003年1月12日克罗地亚停电事故 644
13.2.5 2005年5月25日莫斯科停电事故 644
13.2.6 2004年7月12日希腊停电事故 647
13.2.7 1996年7月2日美国西北部停电事故 648
13.2.8 1996年8月10日美国西北部停电事故 649
13.2.9
书单推荐
