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第1章 电路理论应用方法和数值电磁分析介绍1

1.1 基于电路理论方法的EMTP1

1.1.1 EMTP原型概述1

1.1.2 节点分析法3

1.1.3 等效电阻电路4

1.1.4 稀疏矩阵6

1.1.5 频率相关线路模型7

1.1.6 变压器7

1.1.7 三相同步电机8

1.1.8 通用电机9

1.1.9 开关10

1.1.10 避雷器和保护间隙（角形避雷器）13

1.1.11 包含非线性元件15

1.1.12 TACS16

1.1.13 MODELS（EMTP-ATP中的实现）17

1.1.14 EMTP中制定的电力系统元件19

1.1.15 基本输入数据19

1.2 数值电磁分析30

1.2.1 引言30

1.2.2 麦克斯韦方程30

1.2.3 NEA方法31

1.2.4 时域和频域的矩量法32

1.2.5 时域有限差分法33

1.3 结论34

参考文献34

第2章 EMTP-ATP38

2.1 引言38

2.2 性能39

2.2.1 概述39

2.2.2 内置电气元件40

2.2.3 嵌入式仿真模块TACS和MODELS40

2.2.4 辅助模块41

2.2.5 频域分析42

2.2.6 潮流选项——FIX SOURCE42

2.2.7 典型电力系统研究43

2.3 解决方法43

2.3.1 开关44

2.3.2 非线性47

2.3.3 传输线48

2.3.4 电机50

2.4 控制系统51

2.4.1 TACS51

2.4.2 MODELS53

2.4.3 用户自定义组件（type-94）54

2.5 图形预处理器ATPDraw55

2.5.1 主要功能56

2.5.2 输入对话框58

2.5.3 线路和电缆建模——LCC模块58

2.5.4 变压器建模——XFMR模块59

2.5.5 电机建模——Windsyn模块60

2.5.6 MODELS模块61

2.6 其他仿真后处理和仿真预处理程序62

2.6.1 查看和创建科学绘图的PlotXY程序62

2.6.2 ATPDesigner——电力网络的设计和仿真62

2.6.3 ATP Analyzer65

2.7 算例66

2.7.1 雷电研究——线路建模、闪络和电流波动66

2.7.2 中性点线圈调谐——优化70

2.7.3 电弧建模72

2.7.4 变压器励磁涌流计算74

2.7.5 电力系统工具箱：继电器79

参考文献85

第3章 EMTP-RV电磁暂态仿真88

3.1 引言88

3.2 EMTP的主要模块88

3.3 图形用户界面89

3.4 稳态和时域解的EMTP网络方程公式91

3.4.1 EMTP中使用的修正增广节点分析91

3.4.2 状态空间分析96

3.5 控制系统97

3.6 多相潮流解和初始化99

3.6.1 潮流约束101

3.6.2 潮流方程的初始化102

3.6.3 稳态解的初始化102

3.7 实现102

3.8 EMTP模型103

3.9 外部编程接口104

3.10 应用示例104

3.10.1 开关暂态研究105

3.10.2 IEEE-39节点基准算例106

3.10.3 风力发电106

3.10.4 地磁扰动110

3.10.5 HVDC输电110

3.10.6 规模非常大的系统112

3.11 结论114

参考文献114

第4章 EMTDC/PSCAD117

4.1 引言117

4.2 EMTDC的功能119

4.3 时间步长之间的插值120

4.4 用户建模123

4.5 其他程序接口123

4.5.1 与MATLAB/Simulink的接口123

4.5.2 与E-TRAN转换器的接口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 电力系统设备的准确建模128

4.6.4 大型复杂的电力系统模型128

4.7 PSCAD的专业研究129

4.7.1 全局增益裕度129

4.7.2 多控制功能优化129

4.7.3 次同步振荡129

4.7.4 次同步控制交互130

4.7.5 谐波频率扫描131

4.8 PSCAD的进一步开发131

4.8.1 并行处理131

4.8.2 大型系统研究的通信、安全和管理132

4.9 PSCAD在电缆暂态方面的应用133

4.9.1 仿真设置133

4.9.2 用于电缆常数计算的参数136

4.9.3 电缆模型的改进138

4.9.4 PSCAD应用于电缆暂态的总结141

4.10 结论142

参考文献143

第5章 XTAP145

5.1 引言145

5.2 基于2S-DIRK方法的数值积分145

5.2.1 2S-DIRK积分算法146

5.2.2 线性电感和电容公式147

5.2.3 与其他积分方法的分析精度比较148

5.2.4 与其他积分方法的分析稳定性和刚性衰减比较149

5.2.5 与其他积分方法的数值比较151

5.3 基于鲁棒高效迭代方案的求解方法158

5.3.1 问题描述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 数值算例163

5.4 稳态初始化方法171

5.5 面向对象设计的仿真代码172

参考文献173

第6章 采用时域有限差分法的数值电磁分析177

6.1 引言177

6.2 FDTD法177

6.2.1 基础177

6.2.2 优点和缺点180

6.3 雷电回击通道和激励的表示180

6.3.1 雷电回击通道180

6.3.2 激励182

6.4 应用183

6.4.1 近距离和远距离的雷电电磁场183

6.4.2 架空输电线路和塔架上的雷电浪涌187

6.4.3 架空配电线路上的雷电浪涌192

6.4.4 变电站的雷电电磁环境195

6.4.5 飞行器的雷电电磁环境195

6.4.6 建筑物的雷电浪涌和电磁环境195

6.4.7 接地电极浪涌195

6.5 结论196

参考文献196

第7章 采用PEEC法的数值电磁分析204

7.1 混合势积分方程206

7.2 广义PEEC模型207

7.2.1 广义PEEC法的推导207

7.2.2 PEEC法的电路解释212

7.2.3 PEEC元的离散化213

7.2.4 平面半空间的PEEC模型213

7.3 PEEC模型的相关近似214

7.3.1 中心到中心的延迟近似214

7.3.2 准静态PEEC模型215

7.3.3 微元的计算216

7.4 矩阵公式和解218

7.4.1 频域电路方程和解219

7.4.2 时域电路方程和解221

7.5 PEEC模型的稳定性223

7.5.1 ＋PEEC公式223

7.5.2 并联阻尼电阻224

7.6 PEEC模型的电磁场计算224

7.7 应用示例226

7.7.1 输电杆塔的浪涌特性226

7.7.2 接地系统的浪涌特性232

参考文献234

第8章 可再生能源系统组件中的雷电浪涌238

8.1 风力机中的雷电浪涌238

8.1.1 风力机上雷电浪涌传播引起的过电压238

8.1.2 风力机的接地特性246

8.1.3 雷电事故及其调查示例254

8.2 太阳能发电系统263

8.2.1 MW级太阳能发电系统中的雷电浪涌264

8.2.2 雷击太阳能发电系统引起的过电压278

参考文献285

第9章 风电场和汇流系统中的浪涌289

9.1 引言289

9.2 冬季雷电和逆流浪涌290

9.3 风力机和风电场的接地系统291

9.3.1 风力机的接地系统291

9.3.2 风电场的接地系统292

9.4 风电场雷电浪涌分析模型292

9.4.1 风电场模型292

9.4.2 冬季防雷模型294

9.4.3 浪涌保护装置（SPD）型号294

9.4.4 ARENE和EMTDC/PSCAD之间的比较分析295

9.5 逆流浪涌引发SPD烧毁事件的原理296

9.5.1 风电场中浪涌传播的分析296

9.5.2 浪涌波形的详细分析297

9.6 架空地线防止逆流浪涌的影响298

9.6.1 风电场中汇流线的模型298

9.6.2 SPD的波形观察300

9.6.3 SPD烧毁的概率评估300

9.6.4 接地系统电位上升的评估302

9.7 结论303

符号和缩略语304

致谢305

参考文献305

第10章 保护装置：故障测距装置和高速开关设备307

10.1 引言307

10.2 故障测距307

10.2.1 故障测距算法307

10.2.2 使用MODELS描述故障测距模型308

10.2.3 故障电弧特性影响的研究310

10.2.4 设备测量输入误差的影响研究313

10.3 高速开关设备318

10.3.1 建模方法318

10.3.2 与测量结果的比较319

10.3.3 电压跌落幅值的影响320

10.4 结论323

参考文献323

第11章 过电压保护和绝缘配合326

11.1 过电压分类326

11.1.1 暂时过电压326

11.1.2 缓波头过电压327

11.1.3 快波头过电压328

11.1.4 极快波头过电压329

11.2 绝缘配合研究329

11.2.1 研究流程329

11.2.2 过电压类型的确定330

11.2.3 确定过电压类型之后的研究步骤331

11.3 避雷器的选择332

11.3.1 持续工作电压333

11.3.2 额定电压333

11.3.3 额定放电电流333

11.3.4 防护等级334

11.3.5 能量吸收能力334

11.3.6 额定短路电流335

11.3.7 研究流程335

11.4 暂态分析示例336

11.4.1 模型设置336

11.4.2 分析结果342

参考文献346

第12章 FACTS：电压源型变换器348

12.1 类别348

12.2 控制系统和仿真建模349

12.3 STATCOM的应用351

12.3.1 电压波动352

12.3.2 小干扰稳定性352

12.3.3 电压稳定性354

12.3.4 暂态稳定性356

12.3.5 抑制过电压358

12.4 高次谐波谐振现象359

12.4.1 高次谐波谐振现象概述359

12.4.2 高次谐波谐振现象的原理365

12.4.3 现场试验366

12.4.4 注意事项和应对方法367

参考文献369

第13章 SVC在电缆系统中的应用371

13.1 孤岛的交流电缆互连371

13.2 孤岛电压变化的典型示例372

13.3 SVC所需的控制功能372

13.4 SVC的V-I特性373

13.5 SVC的自动电压调节器（AVR）374

13.6 暂态分析模型376

13.7 控制参数设置调查378

13.8 仿真结果的比较378

13.9 应用的控制参数381

13.10 暂态分析验证382

13.11 运行试验验证384

13.12 结论385

参考文献386

第14章 接地系统的暂态过程388

14.1 引言：电力系统的暂态过程和接地系统388

14.2 接地系统的基本计算388

14.3 暂态电流的接地电极响应390

14.3.1 概述390

14.3.2 谐波电流对接地电极特性的影响391

14.3.3 土壤电阻率和介电常数的频率相关性394

14.3.4 脉冲电流的接地电极特性397

14.3.5 土壤电离效应399

14.4 接地电极暂态响应的数值仿真400

14.4.1 基本思路400

14.4.2 接地电极响应的一般结果402

14.4.3 流过雷电电流时电极接地电位上升404

14.4.4 首次和后续回击电流的脉冲阻抗和冲击系数404

14.5 案例：接地电极对输电线路雷电响应的影响分析405

参考文献409