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商品簡介
目次

商品簡介

本書重點介紹了電力系統中的電磁暫態數值分析方法與工程應用。全書分為兩部分。第1部分介紹了目前較為流行的幾種電磁暫態仿真軟件,包括EMTP-ATP、EMTP-RV、EMTDC/PSCAD和XTAP的發展歷程、主要原理和用法。第2部分首先介紹了應用範圍更廣的兩種典型數值電磁仿真方法,即時域有限差分(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD)法與部分元等效電路(PartialElementEquivalentCircuit,PEEC)法的原理和應用,然後分別針對風電、光伏系統的雷擊浪湧暫態過程、暫態過電壓和絕緣配合、電壓源型FACTS特性、電纜系統中SVC應用以及接地系統進行了電磁暫態數值仿真分析並與在實際應用中的實測結果進行對比,論證了數值分析方法的正確性。本書涵蓋面廣,內容詳實,適合作為相關領域研究人員和現場工程人員的參考書。

目次

譯者序
原書前言
第 1 章 電路理論應用方法和數值電磁分析介紹 1
1. 1 基於電路理論方法的 EMTP 1
1. 1. 1 EMTP 原型概述 1
1. 1. 2 節點分析法 3
1. 1. 3 等效電阻電路 4
1. 1. 4 稀疏矩陣 6
1. 1. 5 頻率相關線路模型 7
1. 1. 6 變壓器 7
1. 1. 7 三相同步電機 8
1. 1. 8 通用電機 9
1. 1. 9 開關 10
1. 1. 10 避雷器和保護間隙 (角形避雷器) 13
1. 1. 11 包含非線性元件 15
1. 1. 12 TACS 16
1. 1. 13 MODELS (EMTP - ATP 中的實現) 17
1. 1. 14 EMTP 中制定的電力系統元件 19
1. 1. 15 基本輸入數據 19
1. 2 數值電磁分析 30
1. 2. 1 引言 30
1. 2. 2 麥克斯韋方程 30
1. 2. 3 NEA 方法 31
1. 2. 4 時域和頻域的矩量法 32
1. 2. 5 時域有限差分法 33
1. 3 結論 34
參考文獻 34
第 2 章 EMTP - ATP 38
2. 1 引言 38
2. 2 性能 39
2. 2. 1 概述 39
2. 2. 2 內置電氣元件 40
2. 2. 3 嵌入式仿真模塊 TACS 和 MODELS 40
2. 2. 4 輔助模塊 41
2. 2. 5 頻域分析 42
2. 2. 6 潮流選項―――FIX SOURCE 42
2. 2. 7 典型電力系統研究 43
2. 3 解決方法 43
2. 3. 1 開關 44
2. 3. 2 非線性 47
2. 3. 3 傳輸線 48
2. 3. 4 電機 50
2. 4 控制系統 51
2. 4. 1 TACS 51
2. 4. 2 MODELS 53
2. 4. 3 用戶自定義組件 (type - 94) 54
2. 5 圖形預處理器 ATPDraw 55
2. 5. 1 主要功能 56
2. 5. 2 輸入對話框 58
2. 5. 3 線路和電纜建模―――LCC 模塊 58
2. 5. 4 變壓器建模―――XFMR 模塊 59
2. 5. 5 電機建模―――Windsyn 模塊 60
2. 5. 6 MODELS 模塊 61
2. 6 其他仿真後處理和仿真預處理程序 62
2. 6. 1 查看和創建科學繪圖的 PlotXY 程序 62
2. 6. 2 ATPDesigner―――電力網絡的設計和仿真 62
2. 6. 3 ATP Analyzer 65
2. 7 算例 66
2. 7. 1 雷電研究―――線路建模、 閃絡和電流波動 66
2. 7. 2 中性點線圈調諧―――優化 70
2. 7. 3 電弧建模 72
2. 7. 4 變壓器勵磁湧流計算 74
2. 7. 5 電力系統工具箱: 繼電器 79
參考文獻 85
第 3 章 EMTP - RV 電磁暫態仿真 88
3. 1 引言 88
3. 2 EMTP 的主要模塊 88
3. 3 圖形用戶界面 89
3. 4 穩態和時域解的 EMTP 網絡方程公式 91
3. 4. 1 EMTP 中使用的修正增廣節點分析 91
3. 4. 2 狀態空間分析 96
3. 5 控制系統 97
3. 6 多相潮流解和初始化 99
3. 6. 1 潮流約束 101
3. 6. 2 潮流方程的初始化 102
3. 6. 3 穩態解的初始化 102
3. 7 實現 102
3. 8 EMTP 模型 103
3. 9 外部編程接口 104
3. 10 應用示例 104
3. 10. 1 開關暫態研究 105
3. 10. 2 IEEE - 39 節點基準算例 106
3. 10. 3 風力發電 106
3. 10. 4 地磁擾動 110
3. 10. 5 HVDC 輸電 110
3. 10. 6 規模非常大的系統 112
3. 11 結論 114
參考文獻 114
第 4 章 EMTDC /PSCAD 117
4. 1 引言 117
4. 2 EMTDC 的功能 119
4. 3 時間步長之間的插值 120
4. 4 用戶建模 123
4. 5 其他程序接口 123
4. 5. 1 與 MATLAB / Simulink 的接口 123
4. 5. 2 與 E - TRAN 轉換器的接口 123
4. 6 PSCAD 中的操作 126
4. 6. 1 PSCAD 中的基本操作 126
4. 6. 2 混合仿真 127
4. 6. 3 電力系統設備的準確建模 128
4. 6. 4 大型複雜的電力系統模型 128
4. 7 PSCAD 的專業研究 129
4. 7. 1 全域增益裕度 129
4. 7. 2 多控制功能優化 129
4. 7. 3 次同步振盪 129
4. 7. 4 次同步控制交互 130
4. 7. 5 諧波頻率掃描 131
4. 8 PSCAD 的進一步開發 131
4. 8. 1 並行處理 131
4. 8. 2 大型系統研究的通信、 安全和管理 132
4. 9 PSCAD 在電纜暫態方面的應用 133
4. 9. 1 仿真設置 133
4. 9. 2 用於電纜常數計算的參數 136
4. 9. 3 電纜模型的改進 138
4. 9. 4 PSCAD 應用於電纜暫態的總結 141
4. 10 結論 142
參考文獻 143
第 5 章 XTAP 145
5. 1 引言 145
5. 2 基於 2S - DIRK 方法的數值積分 145
5. 2. 1 2S - DIRK 積分算法 146
5. 2. 2 線性電感和電容公式 147
5. 2. 3 與其他積分方法的分析精度比較 148
5. 2. 4 與其他積分方法的分析穩定性和剛性衰減比較 149
5. 2. 5 與其他積分方法的數值比較 151
5. 3 基於魯棒高效迭代方案的求解方法 158
5. 3. 1 問題描述 158
5. 3. 2 迭代方法 159
5. 3. 3 XTAP 中使用的迭代方案 163
5. 3. 4 數值算例 163
5. 4 穩態初始化方法 171
5. 5 面向對象設計的仿真代碼 172
參考文獻 173
第 6 章 採用時域有限差分法的數值電磁分析 177
6. 1 引言 177
6. 2 FDTD 法 177
6. 2. 1 基礎 177
6. 2. 2 優點和缺點 180
6. 3 雷電回擊通道和激勵的表示 180
6. 3. 1 雷電回擊通道 180
6. 3. 2 激勵 182
6. 4 應用 183
6. 4. 1 近距離和遠距離的雷電電磁場 183
6. 4. 2 架空輸電線路和塔架上的雷電浪湧 187
6. 4. 3 架空配電線路上的雷電浪湧 192
6. 4. 4 變電站的雷電電磁環境 195
6. 4. 5 飛行器的雷電電磁環境 195
6. 4. 6 建築物的雷電浪湧和電磁環境 195
6. 4. 7 接地電極浪湧 195
6. 5 結論 196
參考文獻 196
第 7 章 採用 PEEC 法的數值電磁分析 204
7. 1 混合勢積分方程 206
7. 2 廣義 PEEC 模型 207
7. 2. 1 廣義 PEEC 法的推導 207
7. 2. 2 PEEC 法的電路解釋 212
7. 2. 3 PEEC 元的離散化 213
7. 2. 4 平面半空間的 PEEC 模型 213
7. 3 PEEC 模型的相關近似 214
7. 3. 1 中心到中心的延遲近似 214
7. 3. 2 准靜態 PEEC 模型 215
7. 3. 3 微元的計算 216
7. 4 矩陣公式和解 218
7. 4. 1 頻域電路方程和解 219
7. 4. 2 時域電路方程和解 221
7. 5 PEEC 模型的穩定性 223
7. 5. 1 + PEEC 公式 223
7. 5. 2 並聯阻尼電阻 224
7. 6 PEEC 模型的電磁場計算 224
7. 7 應用示例 226
7. 7. 1 輸電杆塔的浪湧特性 226
7. 7. 2 接地系統的浪湧特性 232
參考文獻 234
第 8 章 可再生能源系統組件中的雷電浪湧 238
8. 1 風力機中的雷電浪湧 238
8. 1. 1 風力機上雷電浪湧傳播引起的過電壓 238
8. 1. 2 風力機的接地特性 246
8. 1. 3 雷電事故及其調查示例 254
8. 2 太陽能發電系統 263
8. 2. 1 MW 級太陽能發電系統中的雷電浪湧 264
8. 2. 2 雷擊太陽能發電系統引起的過電壓 278
參考文獻 285
第 9 章 風電場和匯流系統中的浪湧 289
9. 1 引言 289
9. 2 冬季雷電和逆流浪湧 290
9. 3 風力機和風電場的接地系統 291
9. 3. 1 風力機的接地系統 291
9. 3. 2 風電場的接地系統 292
9. 4 風電場雷電浪湧分析模型 292
9. 4. 1 風電場模型 292
9. 4. 2 冬季防雷模型 294
9. 4. 3 浪湧保護裝置 (SPD) 型號 294
9. 4. 4 ARENE 和 EMTDC /PSCAD 之間的比較分析 295
9. 5 逆流浪湧引發 SPD 燒毀事件的原理 296
9. 5. 1 風電場中浪湧傳播的分析 296
9. 5. 2 浪湧波形的詳細分析 297
9. 6 架空地線防止逆流浪湧的影響 298
9. 6. 1 風電場中匯流線的模型 298
9. 6. 2 SPD 的波形觀察 300
9. 6. 3 SPD 燒毀的概率評估 300
9. 6. 4 接地系統電位上升的評估 302
9. 7 結論 303
符號和縮略語 304
致謝 305
參考文獻 305
第 10 章 保護裝置: 故障測距裝置和高速開關設備 307
10. 1 引言 307
10. 2 故障測距 307
10. 2. 1 故障測距算法 307
10. 2. 2 使用 MODELS 描述故障測距模型 308
10. 2. 3 故障電弧特性影響的研究 310
10. 2. 4 設備測量輸入誤差的影響研究 313
10. 3 高速開關設備 318
10. 3. 1 建模方法 318
10. 3. 2 與測量結果的比較 319
10. 3. 3 電壓跌落幅值的影響 320
10. 4 結論 323
參考文獻 323
第 11 章 過電壓保護和絕緣配合 326
11. 1 過電壓分類 326
11. 1. 1 暫時過電壓 326
11. 1. 2 緩波頭過電壓 327
11. 1. 3 快波頭過電壓 328
11. 1. 4 極快波頭過電壓 329
11. 2 絕緣配合研究 329
11. 2. 1 研究流程 329
11. 2. 2 過電壓類型的確定 330
11. 2. 3 確定過電壓類型之後的研究步驟 331
11. 3 避雷器的選擇 332
11. 3. 1 持續工作電壓 333
11. 3. 2 額定電壓 333
11. 3. 3 額定放電電流 333
11. 3. 4 防護等級 334
11. 3. 5 能量吸收能力 334
11. 3. 6 額定短路電流 335
11. 3. 7 研究流程 335
11. 4 暫態分析示例 336
11. 4. 1 模型設置 336
11. 4. 2 分析結果 342
參考文獻 346
第 12 章 FACTS: 電壓源型變換器 348
12. 1 類別 348
12. 2 控制系統和仿真建模 349
12. 3 STATCOM 的應用 351
12. 3. 1 電壓波動 352
12. 3. 2 小干擾穩定性 352
12. 3. 3 電壓穩定性 354
12. 3. 4 暫態穩定性 356
12. 3. 5 抑制過電壓 358
12. 4 高次諧波諧振現象 359
12. 4. 1 高次諧波諧振現象概述 359
12. 4. 2 高次諧波諧振現象的原理 365
12. 4. 3 現場試驗 366
12. 4. 4 注意事項和應對方法 367
參考文獻 369
第 13 章 SVC 在電纜系統中的應用 371
13. 1 孤島的交流電纜互連 371
13. 2 孤島電壓變化的典型示例 372
13. 3 SVC 所需的控制功能 372
13. 4 SVC 的 V- I 特性 373
13. 5 SVC 的自動電壓調節器 (AVR) 374
13. 6 暫態分析模型 376
13. 7 控制參數設置調查 378
13. 8 仿真結果的比較 378
13. 9 應用的控制參數 381
13. 10 暫態分析驗證 382
13. 11 運行試驗驗證 384
13. 12 結論 385
參考文獻 386
第 14 章 接地系統的暫態過程 388
14. 1 引言: 電力系統的暫態過程和接地系統 388
14. 2 接地系統的基本計算 388
14. 3 暫態電流的接地電極響應 390
14. 3. 1 概述 390
14. 3. 2 諧波電流對接地電極特性的影響 391
14. 3. 3 土壤電阻率和介電常數的頻率相關性 394
14. 3. 4 脈衝電流的接地電極特性 397
14. 3. 5 土壤電離效應 399
14. 4 接地電極暫態響應的數值仿真 400
14. 4. 1 基本思路 400
14. 4. 2 接地電極響應的一般結果 402
14. 4. 3 流過雷電電流時電極接地電位上升 404
14. 4. 4 首次和後續回擊電流的脈衝阻抗和衝擊係數 404
14. 5 案例: 接地電極對輸電線路雷電響應的影響分析 405
參考文獻 409

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