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目录1

引言1

第1章 概论1

1.1　现代电力系统1

1.2 电力系统运行及控制3

1.2.1 电力系统运行3

1.2.2　电力系统分析4

1.2.3　电力系统控制5

1.3 电力系统稳定性的定义及分类7

1.3.1　角度稳定性及其分类8

1.3.2　电压稳定性及其类型10

1.3.3　频率稳定性12

1.4　电力系统电压不稳定事故及其特征14

1.5 电压稳定性的研究16

1.5.1　电压稳定研究的历史和现状16

1.5.2　电压失稳的机理解释17

1.5.3　电压稳定分析方法20

第2章 电力系统和设备的特性31

2.1 电力传输系统特性31

2.1.1　有功功率、无功功率传输和电压降落32

2.1.2　传输线中电流、受端电压和功率的关系34

2.1.3　无功功率传输的困难36

2.1.4　短路容量、短路比和电压调节38

2.2 发电系统特性40

2.2.1　发电机的容量特性41

2.2.2　发电机控制和保护43

2.2.3　发电系统对功率冲击的响应47

2.2.4　电厂的响应48

2.3 负荷系统特性49

2.3.1　什么是负荷49

2.3.2　负荷元件的静态和动态特性51

2.4.1　串联电容器57

2.4 无功补偿设备特性57

2.4.2　并联电容器组和并联电抗器59

2.4.3　静止无功补偿器60

2.4.4　串联补偿和并联补偿的比较62

2.4.5　同步调相机63

2.4.6　输电网络分接头可调变压器63

第3章 电压稳定分析的数学理论基础67

3.1 可行域与边界理论67

3.1.1　电力系统一般模型67

3.1.2　可行域68

3.1.3　边界理论70

3.1.4　可行域和潮流多解的统一72

3.2 动力系统基本概念74

3.2.1　常微分方程基本概念74

3.2.2　常微分方程解的稳定性概念76

3.2.3 平衡点及其稳定性78

3.2.4　不变流形81

3.2.5　极限环及其稳定性83

3.2.6　吸引区域（Region ofAttraction）85

3.3 分岔理论基础86

3.3.1　分岔概述87

3.3.2　静态分岔88

3.3.3　电力系统中的鞍点分岔90

3.3.4　Hopf分岔的基本概念94

3.4 微分—代数系统98

3.4.1　微分—代数系统平衡点和稳定性98

3.4.2　代数奇异性99

3.4.3　奇异诱导分岔100

3.5 多时标101

3.5.1　奇异摄动101

3.5.2　慢流形102

3.5.3　慢流形和快流形103

3.5.4　两时标系统中的奇异性105

4.1　概述106

第4章 电压稳定分析的数学模型106

4.2 发电机系统模型108

4.2.1　发电机基本模型108

4.2.2　发电机与网络接口108

4.2.3　调速器模型109

4.2.4　励磁调节系统模型110

4.2.5　电力系统稳定器模型110

4.3 负荷模型111

4.3.1　负荷与电压、频率的关系112

4.3.2　负荷恢复的动态特性113

4.3.3　异步电动机115

4.3.3.1　异步电动机的重要性115

4.3.3.2　异步电动机模型115

4.3.3.3　受机械转矩影响的电动机特性118

4.3.3.4　单相异步电动机121

4.3.4　恒温负荷的恢复特性122

4.3.5.1　负荷集成124

4.3.5　一般集成负荷的模型124

4.3.5.2　自恢复负荷的一般模型125

4.4 有载调压变压器（OLTC）127

4.4.1　OLTC概述127

4.4.2　OLTC模型127

4.4.3　OLTC与负荷恢复129

4.4.4　OLTC的级联131

4.5　机械投切电容器（HSC）和电抗器（HSR）133

4.6　FACTS设备模型133

4.6.1　FACTS设备的工作原理134

4.6.2　UPFC结构139

4.6.3　电压源逆变器的输出特性140

4.6.4　UPFC的数学模型140

4.6.5　UPFC工作方式141

4.6.6　潮流计算中FACTS元件的模型143

4.7 高压直流输电系统（HVDC）的模型144

4.7.1　换流器的数学模型145

4.7.2　调节系统的数学模型146

4.7.3　直流输电线路模型149

第5章 电压稳定性的静态分析152

5.1　概述152

5.2 负荷能力极限153

5.2.1　负荷特性的影响153

5.2.2　负荷能力极限的性质154

5.2.3　存在不连续时的负荷能力极限156

5.3 电压稳定性和转子角度稳定性关系158

5.3.1　如何鉴别电压还是角度静态不稳定158

5.3.2　算例160

5.4　电压稳定性（P-U曲线分析）162

5.5 电压稳定性（U-Q曲线分析）166

5.6 电压稳定性和潮流问题168

5.6.1　常规潮流168

5.6.2　连续潮流方法171

5.6.3　连续潮流计算中的一些问题174

5.6.4　数字实例176

5.6.5　潮流可行性方法178

5.6.6　多潮流解方法178

5.7 用于电压稳定分析的扩展潮流178

5.7.1　三个特征矩阵179

5.7.2　静态电压稳定分析的理论179

5.7.3　静态电压稳定模型的实现182

5.7.4　算例187

5.8　电压稳定的灵敏度分析189

5.9 电压稳定的分岔分析——最短路径算法191

5.9.1　求解最短路径算法原理191

5.9.2　算例193

第6章 电压稳定的特征结构分析法196

6.1　概述196

6.2 特征结构分析法196

6.2.1　基本方程式197

6.2.2　系统雅可比矩阵的特征结构分析198

6.2.3　电压稳定裕度λ min对状态变量和控制变量的灵敏度199

6.2.4　电压稳定裕度λmin及其灵敏度的计算205

6.2.5　特征结构分析方法的应用206

6.3 用于电压稳定分析的奇异值分解法211

6.3.1　奇异值分解法211

6.3.2　奇异值分解用于电压稳定性分析213

6.3.3　稳定裕度δmin对状态变量X及控制变量Ys的灵敏度217

6.3.4　最小奇异值δmin及其左、右奇异向量的计算218

6.3.5　算例218

6.4 电压稳定性的模态分析220

6.4.1 简化的雅可比矩阵220

6.4.2　电压不稳定模式221

6.4.3　节点的参与作用222

6.4.4　支路的参与作用222

6.4.5　发电机的参与作用223

7.1　概述225

7.2　电压稳定性分析的指标类型和要求225

第7章 电压稳定性的指标225

7.3 静态电压稳定性指标226

7.3.1　灵敏度指标227

7.3.2　特征值／奇异值指标228

7.3.3　不变子空间参数灵敏度指标230

7.3.4　电压稳定性接近指标231

7.3.5　局部指标234

7.3.6　能量函数指标237

7.3.7　U/U0指标238

7.3.8　阻抗模指标239

7.3.9　裕度指标239

7.3.10　小结240

7.4 二阶指标及其应用240

7.4.1　二阶指标的原理、特性240

7.4.2　适用于二阶指标的电力系统函数240

7.4.3　网损灵敏度及其二阶指标243

7.4.4　计算实例及比较244

7.5.1　指标的构造特点及适用模型246

7.5 静态电压稳定指标的比较与应用246

7.5.2　各指标的性能比较247

7.5.3　指标应用249

第8章 电压稳定的动态分析259

8.1　概述259

8.2　电力系统动态模型260

8.2.1　引言260

8.2.2　有载调压器（0LTC）的变阻抗模型261

8.2.3　电动机负荷的变阻抗模型263

8.2.4　发电机及其励磁控制系统的数学模型264

8.2.5　多机多节点系统的动态数学模型264

8.2.6　电压稳定模式的集结计算原理273

8.2.7　算例及分析274

8.3 电压稳定动态分析的时域仿真278

8.3.1　引言278

8.3.2　常微分方程的数值解法279

8.3.3　基于隐式梯形积分的时域仿真282

8.3.4　系统各元件模型283

8.3.5　网络故障及操作处理283

8.4 电力系统动态元件对电压稳定性的影响286

8.4.1　概述286

8.4.2　不同负荷模型对电压水平的影响288

8.4.3　OLTC对电压稳定的影响290

8.4.4　发电机最大励磁限制（Maximum Excititation Limit，MXL）293

对电压稳定的影响293

8.4.5　低压减载（Low Voltage Load Shedding）的作用294

8.4.6　低频减载（Low Frequency Load Shedding）的作用296

8.4.7　发电机定子电流限制对电压稳定的影响296

8.4.8　SVC对电压稳定的影响296

第9章 在线电压稳定性分析的功能要求299

9.1　概述299

9.2　在线电压稳定性评估一般要求300

9.3　事故定义301

9.4　事故选择302

9.5　事故筛选和排序303

9.6　事故分析304

9.7　电压稳定性准则305

9.8　电压安全性监控器306

9.9 加强电压安全性的措施308

9.9.1　预防措施的在线确定308

9.10 模拟和数据的要求309

9.10.1 电压稳定分析的模型要求309

9.9.2　补救措施的在线确定309

9.10.2　电压稳定性分析的数据要求311

9.11 在线电压稳定性估计运行模式312

9.11.1　在线VSA运行控制的要求312

9.11.2　研究模式中运行控制的要求313

9.12 在线电压稳定性分析用户要求313

9.12.1　在线VSA的用户一般要求314

9.12.2　运行人员要求315

9.13.1 自动生成运行指令的考虑316

9.13 接口要求316

9.12.3　运行规划人员／工程人员的要求316

9.12.4　管理人员的要求316

9.13.2　与能量管理系统接口317

9.13.3　与能量管理系统服务器接口317

9.14 规模和性能要求318

9.14.1　规模318

9.14.2　性能要求318

9.15　可扩展性318

第10章 电压稳定性的预防与校正控制320

10.1 概述320

10.1.1　电压稳定控制的概念320

10.1.2　电压稳定分层分区控制321

10.1.3　电压稳定控制措施322

10.1.4　电压稳定控制的要求323

10.2 发电系统控制323

10.2.1　发电机高压侧电压控制324

10.2.2　发电机和SVC的无功控制327

10.2.3　发电机出力调配329

10.2.4 自动发电控制（AGC）329

10.3 传输系统的控制333

10.3.1　并联补偿333

10.3.2　串联补偿334

10.3.3　OLTC的控制策略335

10.3.4　直流输电系统的控制336

10.4 负荷系统控制344

10.4.1　变电站电压／无功的协调控制344

10.4.2　动态电压调节器348

10.4.3　风电场的无功控制349

10.4.4　切负荷控制350

10.5 二级电压控制363

10.5.1　概述363

10.5.2　灵敏度方法选择引导节点和划分控制区域367

10.5.3　电气距离方法选择引导节点和划分控制区域372

10.5.4　二次电压控制策略研究373

10.5.5　模糊逻辑二级电压控制器及其实现376

10.5.6　计算实例378

10.6 控制与保护的协调385

10.6.1　继电保护与电压稳定性385

10.6.2　自适应保护控制387

10.7　规划和运行方面的措施389

10.8 新技术在电压稳定控制中的应用390

10.8.1　就地测量的电压不稳定指示器390

10.8.2　广域相量测量技术393

10.8.3　多代理协调控制404

10.8.4　电力系统自适应自愈策略（self-healing strategies）407

附录A 电力系统电压不稳定事故415

附录B　测试系统稳态和动态的数据430

附录C　3机12节点系统计算数据433

附录D IEEE-新英格兰10机39节点系统436