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现代电力系统分析与控制：理论、方法与应用 图书简介 本书旨在为电力系统领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一个全面、深入且前沿的现代电力系统分析与控制的理论框架和实用技术指南。在全球能源结构转型、可再生能源大规模并网以及电力市场日益复杂的背景下，对电力系统的理解和控制能力提出了全新的挑战。本书紧密结合当前行业发展需求，系统阐述了电力系统分析与控制的核心原理、先进模型和前沿技术。 全书内容结构严谨，逻辑清晰，从基础理论出发，逐步深入到复杂的系统动态行为、现代控制策略以及智能电网的集成与应用。我们力求在保证理论深度和严谨性的同时，充分体现其实践指导意义，帮助读者构建起一个完整、系统的现代电力系统知识体系。 --- 第一部分：电力系统基础理论的深化与扩展 本部分着重于对传统电力系统分析工具的深化，并引入了处理非线性、时变系统所需的现代分析工具。 第一章：电力系统稳态分析的进阶 本章超越了传统的潮流计算范畴，深入探讨了在高度并网环境下，系统稳态极限的精确评估方法。重点包括： 高精度潮流计算模型： 讨论了计及电压源逆变器（VSC）接入的广义潮流方程的建立与求解，特别关注弱支撑区域（Strength Area）的收敛性问题。详细介绍了基于牛顿-拉夫斯通法（N-R法）的改进，如阻尼因子控制和初始解敏感性分析。 最优潮流（OPF）的扩展应用： 详细阐述了考虑设备运行寿命、污染排放和电能质量约束的多目标最优潮流模型。引入了混合整数线性规划（MILP）在有功功率和无功功率优化调度中的应用，特别是针对带储能系统的动态调度优化。 暂态稳定性的前置分析： 引入“能量函数法”在系统大扰动前的预判作用，讨论如何利用稳态解的邻域信息快速识别潜在的不稳定模式，为后续的动态仿真提供关键的初始条件和边界条件。 第二章：电力系统动态行为建模与仿真技术 动态分析是理解系统稳定性和设计控制器的基础。本章专注于构建高保真度的动态模型和利用先进的仿真平台。 同步电机和电力电子设备的精确建模： 详细描述了同步电机次暂态、暂态和稳态的Park变换模型，并针对不同频率范围下的电磁暂态和机电暂态，阐述了模型简化和降阶的有效策略。特别关注高渗透率风电、光伏并网点（Grid-Forming/Grid-Following Inverters）的导纳（Admittance）模型和电压源模型之间的切换机制及其对系统动态的影响。 时域仿真平台与标准： 介绍了当前主流的仿真工具（如PSCAD/EMTDC, PSS/E, DIgSILENT PowerFactory）在不同时间尺度下的适用性。深入讲解了IEEE C37.114等标准在模型交换中的作用，以及如何确保不同软件间仿真的结果一致性。 小扰动稳定性分析（SSR）： 系统性地介绍了小扰动下的特征值分析方法，包括系统的阻尼比、固有频率的计算。讨论了如何通过系统结构分析（如传递函数矩阵的零极点分布）来诊断低频振荡的根源，并提出基于系统矩阵修正的初步控制思路。 --- 第二部分：现代电力系统控制理论与技术 本部分是全书的核心，着重于应用现代控制理论来解决电力系统面临的稳定性和优化问题。 第三章：复合同步发电机和电力电子系统的先进控制 随着电力电子设备在电网中占据主导地位，对这些设备的控制方法提出了更高的要求。 电压源逆变器（VSC）的控制策略： 详述了VSC并网点的电流控制、电压控制和功率控制的级联结构。重点分析了在电网发生严重暂态过程（如电网故障）时，传统解耦控制的局限性，并引入了基于$d-q$解耦的先进内环控制策略。 下垂控制（Droop Control）的理论基础与优化： 深入分析了有功功率/频率下垂和无功功率/电压下垂的稳定性耦合问题。提出了基于虚拟阻抗、虚拟惯量注入等方法，以实现分布式电源在微电网和宏电网环境下的无功/有功功率协同优化分配。 故障穿越能力（FRT）的实现： 详细介绍了实现并网设备在电网低电压穿越过程中的电流/功率支撑机制，包括定子磁链定向控制和基于模型预测控制（MPC）的快速响应策略。 第四章：全维度的系统稳定性控制 本章聚焦于通过外部控制手段来增强系统整体的鲁棒性和动态性能。 同步发电机的励磁与调速系统： 采用现代控制理论（如LQR、H-infinity）重新审视传统的自动电压调节器（AVR）和调速器（GOV）的设计。讨论了宽范围励磁系统和快速响应调速器在应对快速功角变化时的优势。 FACTS/STATCOM/TCSC 及其控制： 详细介绍灵活交流输电系统（FACTS）的机理和建模。重点分析了基于能量函数和奇异摄动理论对STATCOM和TCSC的快速补偿控制设计，以及如何利用这些设备有效抑制低频振荡和暂态失稳。 静止同步补偿器（STATCOM）与动态无功支撑： 阐述了STATCOM在高渗透率区域对电压支撑的不可替代性。引入了基于最优控制理论的STATCOM辅助阻尼控制，用于快速抑制系统振荡模式。 --- 第三部分：智能电网与高级应用 本部分将前沿的计算技术与电力系统的运行管理相结合，展望未来电网的发展方向。 第五章：电力系统态势感知与状态估计的革新 准确、实时的系统状态是所有高级控制和运行决策的基础。 广域测量系统（WAMS）与PMU技术： 深入介绍相量测量单元（PMU）的工作原理及其在同步相量测量网络中的应用。重点讨论PMU数据如何用于构建高频动态状态估计模型，以捕捉传统SCADA无法识别的快速动态事件。 非线性状态估计与鲁棒性： 探讨在包含大量电力电子接口、存在大量测量噪声和异常数据（Bad Data）的情况下，如何应用扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）以及鲁棒性状态估计算法来保证状态解的准确性和可靠性。 数据驱动的系统辨识： 引入基于高维数据分析的电力系统模态辨识技术，例如基于子空间辨识的方法，用于自动化地识别系统中的不稳定振荡模式，实现故障诊断与控制参数的自适应调整。 第六章：电力系统运行的优化与韧性设计 本章关注如何利用先进的优化算法和韧性理论来提升电网的运行效率和抗灾能力。 实时优化调度（RTO）： 详细阐述了分层优化结构（SCUC/SCED）在高时间分辨率下的实现。重点讨论如何将实时市场信号、天气预报数据融入到滚动时域优化模型中，以最小化运行成本并满足网络约束。 电网韧性（Resilience）评估与增强： 引入韧性指标（如恢复时间、中断持续时间）的定义。讨论在遭受自然灾害或恶意攻击后，如何利用拓扑重构、储能快速充放电和区域隔离策略来最小化系统停电范围和恢复时间。 基于强化学习（RL）的自适应控制： 作为前沿探索，本章介绍了如何利用深度强化学习代理（Agent）对未知或快速变化的系统参数做出最优决策，特别是在微电网孤岛运行和混合能源管理中的应用潜力。 --- 总结与展望 本书内容跨越了从经典理论到现代实践的多个层面，不仅涵盖了确保电力系统稳定运行的工程技术，更融入了应对能源革命和智能化挑战的前沿研究成果。读者在掌握这些知识后，将具备深入分析和设计下一代安全、高效、智能电力系统的能力。本书适合作为高等院校电力系统分析、电力系统动态与控制、智能电网技术等课程的教材或参考书，同时也是电力系统规划、运行和研究领域专业人士的必备工具书。
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