機 械 工 業(yè) 出 版 社全書共分12章,主要內容有:電力系統(tǒng)的基本概念;電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析各元件特性及建模、簡單和復雜電力系統(tǒng)的潮流計算方法、有功功率平衡和頻率調整、電壓調整和無功補償;電力系統(tǒng)短路故障概述、對稱短路故障和不對稱故障計算原理和方法;發(fā)電機及其他動態(tài)元件的建模、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性分析。
在每章中都安排有與該章內容相關的工程引例和擴展閱讀,并配有相應的習題和自行開發(fā)的計算平臺,有助于初學者了解所學內容的工程背景及發(fā)展趨勢,并初步具備利用仿真工具分析電力系統(tǒng)問題的能力。每章后都有在線測試題,讀者可以掃描二維碼進行在線自測。
書中的大量擴展閱讀資料,有助于學生了解我國電力系統(tǒng)發(fā)展的成就和未來發(fā)展趨勢,更好地樹立強電報國的理想和信念。
本書可作為高等學校本科電氣工程及其自動化專業(yè)的教學用書,也可作為高職高專相關專業(yè)教材,同時可供電力系統(tǒng)行業(yè)的工程技術人員參考。
在本書編寫過程中,我們力圖體現(xiàn)“工程—理論—工程”的教學改革思路。注重從工程實踐和工程場景中提出問題,注意講清從工程問題提煉數(shù)學模型時采用的假設條件,注重分析產生問題的癥結和解決問題的關鍵;對于解決問題的理論分析過程,注重講清楚邏輯思路;對于理論分析的結果,再回到工程問題的場景中分析其價值和局限。
工程教育在我國高等教育中占有重要地位,高素質工程科技人才是支撐產業(yè)轉型升級、實施國家重大發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障。當前,世界范圍內新一輪科技革命和產業(yè)變革加速進行,以新技術、新業(yè)態(tài)、新產業(yè)、新模式為特點的新經濟蓬勃發(fā)展,迫切需要培養(yǎng)、造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。目前,我國高等工程教育規(guī)模世界第一。我國工科本科在校生約占我國本科在校生總數(shù)的1/3。近年來我國每年工科本科畢業(yè)生占世界總數(shù)的1/3以上。如何保證和提高高等工程教育質量,如何適應國家戰(zhàn)略需求和企業(yè)需要,一直受到教育界、工程界和社會各方面的關注。多年以來,我國一直致力于提高高等教育的質量,組織并實施了多項重大工程,包括卓越工程師教育培養(yǎng)計劃(以下簡稱卓越計劃)、工程教育專業(yè)認證和新工科建設等。
卓越計劃的主要任務是探索建立高校與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機制,創(chuàng)新工程教育人才培養(yǎng)模式,建設高水平工程教育教師隊伍,擴大工程教育的對外開放。計劃實施以來,各相關部門建立了協(xié)同育人機制。卓越計劃要求試點專業(yè)要大力改革課程體系和教學形式,依據(jù)卓越計劃培養(yǎng)標準,遵循工程的集成與創(chuàng)新特征,以強化工程實踐能力、工程設計能力與工程創(chuàng)新能力為核心,重構課程體系和教學內容,加強跨專業(yè)、跨學科的復合型人才培養(yǎng),著力推動基于問題的學習、基于項目的學習、基于案例的學習等多種研究性學習方法,加強學生創(chuàng)新能力訓練,“真刀真槍”做畢業(yè)設計。卓越計劃實施以來,培養(yǎng)了一批獲得行業(yè)認可、具備很好的國際視野和創(chuàng)新能力、適應經濟社會發(fā)展需要的各類型高質量人才,教育培養(yǎng)模式改革創(chuàng)新取得突破,教師隊伍建設初見成效,為卓越計劃的后續(xù)實施和最終目標的達成奠定了堅實基礎。各高校以卓越計劃為突破口,逐漸形成各具特色的人才培養(yǎng)模式。
2016 年6 月2 日,我國正式成為工程教育“華盛頓協(xié)議”第18個成員,標志著我國工程教育真正融入世界工程教育,人才培養(yǎng)質量開始與其他成員達到了實質等效,同時,也為以后我國參加國際工程師認證奠定了基礎,為我國工程師走向世界創(chuàng)造了條件。專業(yè)認證把以學生為中心、以產出為導向和持續(xù)改進作為三大基本理念,與傳統(tǒng)的內容驅動、重視投入的教育形成了鮮明對比,是一種教育范式的革新。通過專業(yè)認證,把先進的教育理念引入我國工程教育,有力地推動了我國工程教育專業(yè)教學改革,逐步引導我國高等工程教育實現(xiàn)從以教師為中心向以學生為中心轉變、從以課程為導向向以產出為導向轉變、從質量監(jiān)控向持續(xù)改進轉變。
在實施卓越計劃和開展工程教育專業(yè)認證的過程中,許多高校的電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)結合自身的辦學特色,引入先進的教育理念,在專業(yè)建設、人才培養(yǎng)模式、教學內容、教學方法、課程建設等方面積極開展教學改革,取得了較好的效果,建設了一大批優(yōu)質課程。為了將這些優(yōu)秀的教學改革經驗和教學內容推廣給廣大高校,中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會電子信息與電氣工程類專業(yè)認證分委員會、高等學校電氣類專業(yè)教學指導委員會、高等學校自動化類專業(yè)教學指導委員會、中國機械工業(yè)教育協(xié)會自動化學科教學委員會、中國機械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程及其自動化學科教學委員會聯(lián)合組織規(guī)劃了“卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材(電氣工程及其自動化、自動化專業(yè))”。本套教材通過國家新聞出版廣電總局的評審,入選了“十三五”國家重點圖書。本套教材密切聯(lián)系行業(yè)和市場需求,以學生工程能力培養(yǎng)為主線,以教育培養(yǎng)優(yōu)秀工程師為目標,突出學生工程理念、工程思維和工程能力的培養(yǎng)。本套教材在廣泛吸納相關學校在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實施和工程教育專業(yè)認證過程中的經驗和成果的基礎上,針對目前同類教材存在的內容滯后、與工程脫節(jié)等問題,緊密結合工程應用和行業(yè)企業(yè)需求,突出實際工程案例,強化學生工程能力的教育培養(yǎng),積極進行教材內容、結構、體系和展現(xiàn)形式的改革。
電力系統(tǒng)分析第2版序經過全體教材編審委員會委員和編者的努力,本套教材陸續(xù)跟讀者見面了。由于時間緊迫,各校相關專業(yè)教學改革推進的程度不同,本套教材還存在許多問題。希望各位老師對本套教材多提寶貴意見,以使教材內容不斷完善提高。也希望通過本套教材在高校的推廣使用,促進我國高等工程教育教學質量的提高,為實現(xiàn)高等教育的內涵式發(fā)展貢獻一份力量。
卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材
(電氣工程及其自動化、自動化專業(yè))
編審委員會前言前言
經過多年發(fā)展,我國電力系統(tǒng)已經成為世界上最大的互聯(lián)電力系統(tǒng),無論是總裝機容量、發(fā)電量,還是最高電壓等級、輸電線路長度,以及可再生能源裝機規(guī)模都居世界首位。
電力系統(tǒng)的規(guī)模增長和發(fā)電裝機結構的顯著變化,帶動了電力系統(tǒng)相關技術的進步。電力系統(tǒng)形態(tài)的變化也帶來了很多新問題和新需求。
編者所在的東北電力大學電氣工程教學團隊長期從事“電力系統(tǒng)分析”課程的教學,在教學改革和課程建設的長期實踐中,總結凝練了“工程—理論—工程”的教學思路并經過長期實踐,曾獲國家級教學成果二等獎,課程也先后入選國家級精品課和精品資源共享課。
通過編寫一部教材來反映教學改革的思路和實踐,是我們縈繞已久的心愿。又唯恐才疏
高等院校教師
目錄
序
前言
第1章電力系統(tǒng)的基本概念1
1.1電力系統(tǒng)概述1
1.1.1電力系統(tǒng)的形成和發(fā)展1
1.1.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)3
1.1.3電力系統(tǒng)的基本參量和接線圖4
1.2電力系統(tǒng)運行應滿足的基本要求6
1.2.1電能生產和供應的特點6
1.2.2電力系統(tǒng)運行的基本要求7
1.3電力系統(tǒng)的接線方式9
1.3.1幾種典型接線方式的特點9
1.3.2電氣設備的額定電壓要求10
1.4電力系統(tǒng)分析課程的內容和相關研究工具12
1.4.1電力系統(tǒng)分析課程的定位和主要內容12
1.4.2電力系統(tǒng)研究工具簡介12
小結14
擴展閱讀1.1我國電力系統(tǒng)未來發(fā)展的展望14
習題16
第2章電力系統(tǒng)元件特性和數(shù)學模型17
【引例】17
2.1交流電路中的功率18
2.1.1單相正弦交流電路的功率18
2.1.2三相正弦交流電路的功率20
2.1.3電功率與電能量的關系22
2.2電力線路的參數(shù)和數(shù)學模型22
2.2.1電力線路分類和結構特點22
2.2.2架空交流輸電線路的參數(shù)25
2.2.3電力線路的數(shù)學模型28
2.2.4輸電線路的自然功率31
2.3電力變壓器的參數(shù)和等效電路32
2.3.1電力變壓器的等效電路32
2.3.2雙繞組變壓器的參數(shù)計算34
2.3.3三繞組變壓器參數(shù)計算35
2.3.4變壓器Π形等效電路37
2.4發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)運行特性39
2.5負荷的靜態(tài)特性和等效模型41
2.5.1負荷的靜態(tài)特性41
2.5.2電力系統(tǒng)計算中的負荷等效模型42
2.6電力網(wǎng)絡的數(shù)學模型43
2.6.1電力網(wǎng)絡等效電路43
2.6.2標幺制43
2.6.3不同電壓等級電網(wǎng)中各元件參數(shù)標幺值的計算46
2.6.4基準值改變時標幺值的換算49
2.6.5標幺值的簡化計算方法49
小結51
擴展閱讀2.1輸電網(wǎng)擴展規(guī)劃簡介52
習題53
第3章簡單電力系統(tǒng)的潮流計算與分析54
【引例】54
3.1穩(wěn)態(tài)運行時輸電元件的功率、電壓關系55
3.1.1穩(wěn)態(tài)運行時電力線路的功率、電壓關系55
3.1.2分析電力線路運行狀態(tài)的功率圓圖60
3.1.3穩(wěn)態(tài)運行時變壓器的功率、電壓關系62
3.2潮流計算中的功率等效和簡化64
3.3簡單電力網(wǎng)絡的潮流計算與分析65
3.3.1輻射網(wǎng)的潮流計算65
3.3.2簡單環(huán)網(wǎng)的潮流計算70
3.3.3兩端供電網(wǎng)的潮流初始分布計算74
3.4電力網(wǎng)絡潮流的調整控制76
3.4.1潮流調控的必要性76
3.4.2借附加串聯(lián)加壓器控制潮流76
3.4.3借柔性交流輸電裝置控制潮流79
小結81
擴展閱讀3.1分布式電源接入對主動配電網(wǎng)潮流的影響81
擴展閱讀3.2電磁環(huán)網(wǎng)的運行問題82
習題83
第4章復雜電力系統(tǒng)的潮流計算方法85
【引例】85
4.1一般電力網(wǎng)絡功率方程86
4.1.1節(jié)點電壓方程88
4.1.2網(wǎng)絡結構變化時節(jié)點導納矩陣的修改90
4.1.3電力網(wǎng)絡的功率方程和節(jié)點類型劃分91
4.2牛頓法潮流計算94
4.2.1求解非線性代數(shù)方程的牛頓-拉夫遜法94
4.2.2潮流計算的修正方程式97
4.2.3牛頓-拉夫遜法潮流計算的基本步驟100
4.3PQ分解法潮流計算102
小結105
擴展閱讀4.1交直流混聯(lián)系統(tǒng)的潮流計算105
擴展閱讀4.2最優(yōu)潮流107
擴展閱讀4.3電力系統(tǒng)狀態(tài)估計108
習題109
第5章電力系統(tǒng)有功功率平衡和頻率調整112
【引例1】112
【引例2】113
5.1電力系統(tǒng)的有功功率平衡113
5.1.1頻率偏移的起因及其影響113
5.1.2有功負荷變化的分類和平衡對策115
5.1.3有功功率備用容量116
5.2電力系統(tǒng)有功功率的經濟分配117
5.2.1各類發(fā)電廠的運行特點與機組組合117
5.2.2電力系統(tǒng)有功負荷在發(fā)電機間的最優(yōu)分配119
5.3電力系統(tǒng)的頻率調整126
5.3.1電力系統(tǒng)及其元件的功率-頻率特性126
5.3.2有功功率不平衡量與頻率偏移的定量關系130
小結136
擴展閱讀5.1電力系統(tǒng)自動發(fā)電控制(AGC)137
擴展閱讀5.2防止頻率過度降低的緊急控制—低頻減載138
習題139
第6章電力系統(tǒng)的電壓調整和無功補償141
【引例】141
6.1電力系統(tǒng)電壓調整的必要性142
6.2電力系統(tǒng)電壓調整的定量關系144
6.2.1簡單電力系統(tǒng)中電壓調整的定量關系144
6.2.2復雜電力系統(tǒng)中電壓調整的定量關系145
6.3不同運行方式下調壓控制量的協(xié)調147
6.4無功電源的運行特性和調壓控制量計算150
6.4.1無功電源的運行特性150
6.4.2變壓器分接頭計算153
6.4.3無功補償設備的最小補償容量計算155
6.4.4調壓措施的綜合運用158
小結158
擴展閱讀6.1電力系統(tǒng)的自動電壓控制(AVC)159
擴展閱讀6.2電壓九區(qū)圖控制法160
習題161
第7章電力系統(tǒng)對稱短路電流的計算方法163
【引例】163
7.1電力系統(tǒng)短路故障概述163
7.2電力系統(tǒng)三相短路電流分析166
7.2.1恒定電動勢源電路的三相短路電流分析166
7.2.2同步發(fā)電機三相短路電流的主要特征分析168
7.2.3短路沖擊電流和短路電流有效值168
7.3短路電流周期分量初始值計算170
7.3.1短路電流近似計算時的計算條件170
7.3.2簡單電力系統(tǒng)短路電流的計算171
7.3.3復雜電力系統(tǒng)短路電流的計算172
7.4短路電流的計算機計算172
7.4.1等效網(wǎng)絡173
7.4.2基于節(jié)點阻抗矩陣的穩(wěn)態(tài)短路電流計算方法174
7.4.3基于節(jié)點導納矩陣的穩(wěn)態(tài)短路電流計算方法175
7.4.4輸電線路非端點位置短路時短路電流計算方法176
小結177
擴展閱讀7.1大電網(wǎng)短路電流超標問題177
習題178
第8章電力系統(tǒng)不對稱故障的分析和計算181
【引例】181
8.1對稱分量法的基本原理182
8.1.1同頻率三相不對稱相量的對稱分量變換182
8.1.2不對稱短路計算的序網(wǎng)絡電壓方程184
8.2電力系統(tǒng)接地方式及各元件的序阻抗188
8.2.1電力系統(tǒng)中性點接地方式188
8.2.2同步發(fā)電機的負序電抗和零序電抗188
8.2.3異步電動機的負序電抗和零序電抗189
8.2.4變壓器的零序等效電路及其參數(shù)190
8.2.5輸電線路的零序阻抗及其等效電路193
8.3電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡198
8.4簡單不對稱短路的計算199
8.4.1單相接地短路200
8.4.2相間短路201
8.4.3兩相短路接地203
8.4.4正序等效定則205
8.5非故障處電流和電壓的計算206
8.5.1對稱分量經變壓器后的相位變換206
8.5.2不對稱短路的序網(wǎng)絡的電壓分布208
8.6非全相斷線的分析計算209
小結212
擴展閱讀8.1小電流接地系統(tǒng)及其故障選線213
習題214
第9章同步發(fā)電機的基本方程及三相突然短路分析216
【引例】216
9.1同步發(fā)電機的結構與abc坐標系下的基本方程217
9.2派克變換與dq0坐標系下的同步發(fā)電機基本方程220
9.3同步發(fā)電機的基本參數(shù)226
9.3.1同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)參數(shù)226
9.3.2同步發(fā)電機的暫態(tài)參數(shù)227
9.4同步發(fā)電機突然短路后的電流波形和分析232
9.5應用同步發(fā)電機基本方程(拉普拉斯運算形式)分析突然三相短路電流234
9.5.1不計阻尼繞組時的短路電流235
9.5.2計及阻尼繞組時同步發(fā)電機突然三相短路電流表達式241
9.6同步發(fā)電機機端突然三相短路時短路電流周期分量初始值的計算243
小結247
擴展閱讀9.1分布式電源故障特性248
習題249
第10章電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題概述和各元件的機電動態(tài)模型250
【引例】250
10.1電力系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定性概述251
10.1.1電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的特點251
10.1.2一般動力學系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念和基本分析方法252
10.1.3電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類254
10.2同步發(fā)電機組的機電特性255
10.2.1同步發(fā)電機組轉子運動方程255
10.2.2同步發(fā)電機的電磁轉矩和電磁功率258
10.2.3電動勢變化過程的方程式268
10.3自動調節(jié)勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型269
10.4用于機電暫態(tài)過程分析的負荷動態(tài)模型271
小結272
擴展閱讀10.1《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》簡介273
習題275
第11章電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的靜態(tài)穩(wěn)定性276
【引例】276
11.1簡單電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的靜態(tài)穩(wěn)定性276
11.1.1靜態(tài)穩(wěn)定性的物理分析277
11.1.2靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)279
11.1.3靜態(tài)穩(wěn)定極限和儲備系數(shù)279
11.2簡單電力系統(tǒng)運行狀態(tài)靜態(tài)穩(wěn)定性的數(shù)學分析280
11.2.1應用小干擾法分析簡單系統(tǒng)運行狀態(tài)的靜態(tài)穩(wěn)定性280
11.2.2阻尼對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響284
11.3自動勵磁調節(jié)系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定性影響的分析286
11.4多機電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的基本分析方法293
11.5提高靜態(tài)穩(wěn)定性的措施294
11.5.1采用自動勵磁調節(jié)器295
11.5.2減小元件的電抗295
11.5.3改善系統(tǒng)的結構和采用中間補償設備296
小結296
擴展閱讀11.1大規(guī);ヂ(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩296
擴展閱讀11.2串聯(lián)電容補償298
習題298
第12章電力系統(tǒng)運行狀態(tài)經受大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定性300
【引例】300
12.1暫態(tài)穩(wěn)定性概述301
12.2簡單系統(tǒng)運行狀態(tài)經受大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定性計算方法303
12.2.1故障擾動物理過程303
12.2.2等面積定則305
12.2.3簡單系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的數(shù)值積分法310
12.3復雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的數(shù)值仿真計算方法312
12.4提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施和失穩(wěn)后的控制317
12.4.1提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施318
12.4.2電力系統(tǒng)失去暫態(tài)穩(wěn)定后的控制措施321
小結321
擴展閱讀12.1提高交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性措施概述322
擴展閱讀12.2電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真簡介323
習題324
附錄325
附錄A直角坐標系下的牛頓法潮流計算325
附錄B短路后任意時刻短路電流周期分量的計算327
附錄C同步電機定轉子繞組的電感系數(shù)330
附錄D同步電機的標幺制333
附錄E計及阻尼繞組作用時同步機突然三相短路電流表達式338
附錄F“電力系統(tǒng)分析”課程習題用擴展計算平臺(EPSCPS)簡介342
參考文獻348