時頻電磁暫態分析理論與方法

《時頻電磁暫態分析理論與方法》是清華大學出版社出版的圖書。

基本介紹

• 書名：時頻電磁暫態分析理論與方法
• 作者：何金良
• ISBN：9787302418771 
• 定價：150
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2015.11.01

內容簡介

電磁暫態威脅電力系統、電子系統及建築物等的可靠運行和安全。科學、合理地預測電磁暫態特性是電氣、電子設備及系統設計與選型的關鍵基礎。本書既涵蓋了傳統的波過程理論及電磁暫態基本計算方法，同時根據作者及國內外其他學者多年來的相關研究成果，力圖全面梳理電磁暫態分析的理論和計算方法的最新研究成果，系統介紹具有時域特性和頻域特性的電磁暫態分析的基礎理論和數值計算方法，包括具有複雜電磁耦合的半空間全波電磁暫態的數值計算方法，以及電磁暫態分析的智慧型擬合算法；另外重點介紹了不同電力系統設備、電力電子器件及控制系統、新能源裝置等的電磁暫態分析模型；最後介紹了電磁暫態特徵提取的小波變換理論及計算方法。本書可供高校和科研院所電氣、電子等專業的師生閱讀，也可供電力行業和其他相關行業的工程技術人員參考

前言

雷電及其他電磁暫態現象會威脅電力系統、電子系統及建築物的運行安全。科學、合理地預測電磁暫態特性是電氣、電子設備及系統設計與選型的關鍵基礎。電磁暫態產生的根本原因是網路參數的突變。電力系統電磁暫態，也稱電力系統過電壓，是發展高壓和超高壓電網所必須研究的重要課題，它不僅影響變壓器、斷路器、輸電線路等電力設備絕緣強度的合理設計，而且還直接關係到電力系統能否安全可靠地運行。各種類型的過電壓，如正常運行或切除故障所引起的操作過電壓，雷閃放電引起的大氣過電壓等，都是由電力系統中突然出現的電磁暫態過程激發而產生的。電力系統含有非線性特性的避雷器、鐵磁電感，以及具有分布參數特性的輸電線路等電磁元件，有時還需要考慮輸電線路參數隨頻率變化的特性和線路發生電暈以後的伏庫特性等。因此，電氣系統中的電磁暫態過程往往是很複雜的，解析方法只適用於過電壓的原理分析和簡單情況下的計算，而電磁暫態過程的深入解析則必須藉助於數值計算方法。

隨著計算機技術的發展，電磁暫態數值計算技術得到了長足的進步。目前已形成一些比較成熟的算法和計算程式。例如，由加拿大UBC的H.W.Dommel教授創建並經過許多人的共同努力而完成的電磁暫態計算程式EMTP，已經成為國際上普遍採用的大型計算程式，並發展成重要的兩個分支，一是北美的PSCAD/EMTDC/RTDS程式，走的是商業路線，目前可以實現實時仿真；二是歐洲的ATP版本，屬於免費版本。另外，在廣為套用的工具軟體MATLAB中有一個PowerSystemBlockset模組，也能夠進行電磁暫態計算。套用數值計算方法研究電力系統過電壓等電磁暫態過程，在通用性、靈活性、計算精度和功能等方面日益顯示出它的優越性，可以滿足在電網實際條件下計算各種類型過電壓的工程要求。目前，電磁暫態分析軟體已從過去的DOS版本升級為Windows版本，可以直接搭建所需解決的電路，非常方便實用。

傳統的電磁暫態計算方法只能解決相對簡單的傳導電磁暫態的時域計算問題，目前隨著科學技術的發展，電力系統及其他電氣系統對電磁暫態精確建模和計算提出了更為苛刻的需求，而當前廣為採用的電磁暫態計算程式對很多工程問題都無法進行計算，電磁暫態分析正朝著充分考慮系統及裝置的時頻特性和全波電磁暫態分析方向發展。另外，各種新的器件及設備，特別是各種新能源發電裝置的使用，也給電磁暫態分析帶來了新的挑戰。

本書力圖全面梳理電磁暫態分析理論和計算方法的最新研究成果，包括傳統的波過程理論及電磁暫態基本計算方法，也包括具有時域特性和頻域特性的電磁暫態分析的基礎理論和數值計算方法。

本書內容共劃分為14章。第1章為概論，第2章介紹傳統的波過程基本理論，第3章介紹平行多導線系統的參數計算方法，第4章介紹平行多導線波過程的數值計算方法。第3章的部分、第4章、第9章的部分內容繼承了清華大學電機工程與套用電子技術系吳維韓、張芳榴、高玉明、張緯鈸和黃煒綱五位教授編著的《電力系統過電壓數值計算》的精華，介紹了傳統的電磁暫態計算程式（EMTP）的基本理論及計算方法，同時也補充了最新的研究成果，如如何線上路參數計算中考慮土壤的有限導電特性，電纜參數的計算方法，土壤參數頻變特性對線路參數的影響，輸電線路的雷電衝擊和操作衝擊電暈特性等。本書第5~8章主要介紹不同電力系統元件、裝置及系統的電磁暫態模型，包括絕緣子閃絡、桿塔、變壓器、發電器、互感器、非線性器件、電力電子器件及控制系統、新能源裝置等關鍵設備的電磁暫態分析模型。第9章討論平行多導體線路電磁暫態的頻域分析方法。第10章論述平行多導體線路電磁暫態分析的時域分析方法，包括基於Chebyshev多項式展開的時域電磁暫態分析理論及方法，以及基於時域有限差分的計算方法。第11章介紹考慮空間場耦合的傳輸線電磁暫態分析方法，著重介紹外界場在傳輸線上產生電磁感應電壓的基本理論及數值計算方法。第12章闡述具有複雜電磁耦合的半空間全波電磁暫態的數值計算方法，包括準靜態下複雜導體結構電磁暫態的時域計算方法、有損全空間中時域積分方程的求解方法、有損半空間內外時域積分方程的計算方法等。第13章介紹電磁暫態分析的智慧型算法，包括具有時頻特性的系統的電磁暫態過程的快速計算理論及數值方法。第14章討論電磁暫態特徵提取的小波變換理論及計算方法，實現電磁暫態過程特徵參數的提取，為電磁暫態理論在輸電線路故障測距、行波測距式距離保護原理等提供理論支撐。本書重在闡明相關的基本概念、基本原理和計算方法，同時緊密聯繫工程實際。每一章既反映了作者的研究工作與取得的成果，又注意介紹國內外相關的研究成果與進展。

在本書編寫過程中，余占清副教授編寫了第7章的初稿；王順超博士整理了第11章的初稿，並將其博士論文整理為第12章的初稿；黃曹偉參與了第14章初稿的編寫；張波副教授為本書提出了大量的修改意見。

非常感謝作者的恩師、清華大學吳維韓教授為本書作序。吳維韓教授是我國電磁暫態數值計算領域的開拓者之一，畢生致力於此領域的研究。另外也非常感謝電磁暫態領域的國際著名專家、IEEEFellow、義大利博洛尼亞大學的C.A.Nucci教授為本書作序，Nucci教授長期擔任CIGREC4（系統特性）委員會主席，他在推動電磁暫態分析的發展和套用方面做了很多工作，享有很高的聲譽。

由於作者的理論水平和實際經驗都有限，書中的缺點和錯誤之處在所難免，謹請讀者指正。

作者

2015年9月

目錄

第1章概述

1.1電磁暫態的危害

1.2電力系統的電磁暫態

1.3電磁暫態分析的數學方法

1.3.1電磁暫態分析的數學模型

1.3.2計算方法的分類

1.3.3電磁暫態的數值分析方法

1.4傳導電磁暫態分析理論與方法

1.4.1電磁暫態分析技術的發展過程

1.4.2傳導電磁暫態的主要研究方向

參考文獻

第2章電磁暫態波傳導理論

2.1波過程的物理概念

2.2波動方程

2.2.1波動方程的解

2.2.2前行波和反行波

2.2.3波的折射和反射

2.3傳輸線波過程的集總參數等值電路

2.3.1單根傳輸線波過程的彼德遜法則

2.3.2多根傳輸線波過程的等值波法則

2.4波經過電容和電感

2.4.1丟阿摩爾積分

2.4.2波經過電容和電感

2.4.3電感和電容削弱波的陡度

2.5計算波過程的特徵線法

2.5.1計算波過程的特徵線法

2.5.2特徵線方程的物理意義

2.5.3套用特徵線法求解線路波過程的方法

2.6波的衰減和變形

2.6.1波沿導線傳播時的衰減和變形

2.6.2衝擊電暈特性

2.6.3衝擊電暈對波過程的影響

參考文獻

第3章平行多導線系統的參數計算方法

3.1波在平行多導線系統傳播的靜電方程

3.1.1波傳播的靜電方程

3.1.2平行多導線的耦合係數

3.2平行多導線參數計算

3.2.1電位係數矩陣

3.2.2電容係數矩陣

3.2.3阻抗矩陣

3.3輸電線路模型

3.3.1對稱分量模型

3.3.2支路參數模型

3.4非理想導體大地對架空線路參數的影響

3.4.1非理想導體大地的復透入深度

3.4.2考慮非理想大地時導線阻抗的修正方法

3.4.3阻抗修正公式的數值積分方法

3.5導體的趨膚效應

3.6土壤參數頻變特性對線路參數的影響

3.6.1土壤參數的頻變特性

3.6.2土壤參數頻變特性對輸電線路參數的影響

3.7電纜的參數計算

3.7.1單相單芯電纜的阻抗

3.7.2三相單芯電纜阻抗

3.7.3電纜的導納矩陣

3.8電纜暫態參數的數值計算方法

3.8.1解析法求解單芯同軸電纜的阻抗和導納

3.8.2解析法求三芯電纜的阻抗和導納

3.8.3分離元法

3.8.4線單元分離元法

3.8.5有限元法

3.8.6電纜參數計算方法的比較

參考文獻

第4章基於貝傑隆特徵線法的波過程數值計算方法

4.1貝傑隆特徵線法求解單導線波過程

4.1.1單根無損線的貝傑隆等值計算電路

4.1.2集中儲能元件的暫態等值計算電路

4.1.3線路損耗的近似處理方法

4.1.4節點電壓方程和節點導納矩陣

4.1.5電源支路的處理

4.2平行多導體線路波動方程和模變換方法

4.2.1平行多導體線路的波動方程

4.2.2平行多導體線路的模變換方法

4.2.3平衡線路的模變換矩陣

4.2.4平衡線路模量上的波速度

4.2.5平衡線路模量上的線路參數

4.2.6平衡線路模量上的波阻抗

4.3不平衡線路的模變換的數值計算方法

4.3.1不平衡線路的模變換矩陣

4.3.2實域中求解不平衡線路的模變換矩陣

4.3.3複數域中求解不平衡線路的特徵值和模變換矩陣

4.3.4不平衡線路的模量傳播參數

4.4多導線線路模量上的電阻參數

4.4.1均勻換位線路模量上的電阻參數

4.4.2不換位線路模量上的電阻參數

4.5平行多導體線路的等值電路

4.5.1模量上的等值計算電路

4.5.2相量上的等值計算電路

4.6電磁耦合電路的暫態等值計算電路

4.6.1電感耦合電路

4.6.2電容耦合電路

4.6.3有耦合電感和電阻串聯時的暫態等值計算電路

4.7電纜系統的相模變換方法

4.8激勵源模型

4.8.1典型的激勵源波形

4.8.2外特性模型

4.8.3等值電路模型

參考文獻

第5章電力設備及部件的電磁暫態分析模型

5.1非線性元件的電磁暫態計算模型

5.1.1時變非線性元件

5.1.2處理時變非線性元件的分段線性化方法

5.1.3金屬氧化物避雷器的暫態模型

5.1.4計算含非線性時變元件電路的補償法

5.1.5非線性頻變阻抗的電磁暫態計算模型

5.2地上及地下複雜導體結構的電磁暫態模型

5.2.1輸電線路桿塔的等值波阻抗模型

5.2.2地中接地裝置的電磁暫態模型

5.3絕緣子的雷電衝擊閃絡模型

5.3.1絕緣子的基本衝擊閃絡模型

5.3.2絕緣子串破壞效應係數法閃絡判據

5.3.3絕緣子串先導發展法閃絡判據

5.4開關操作的電磁暫態計算方法

5.4.1開關的類型

5.4.2開關操作引起躍變時的暫態計算

5.4.3用疊加原理處理開關操作

5.5開關操作過程的電弧模型

5.5.1開關操作電弧特性

5.5.2開關電弧模型

參考文獻

第6章帶磁芯及繞組設備的電磁暫態模型

6.1變壓器的電磁暫態模型

6.1.1變壓器中低頻暫態模型

6.1.2變壓器中低頻暫態模型的參數確定

6.1.3渦流效應的模擬

6.1.4變壓器高頻電磁暫態分析模型

6.2變壓器鐵芯動態磁滯損耗模型

6.2.1鐵磁材料的磁滯現象及分析模型

6.2.2JilesAtherton基本磁滯理論

6.2.3鐵芯動態磁滯損耗模型

6.2.4動態損耗係數和頻率的影響

6.3互感器的電磁暫態模型

6.3.1互感器的中低頻等值電路模型

6.3.2互感器的高頻等值電路模型

6.3.3互感器的寬頻傳輸特性模型

6.4旋轉電機電磁暫態模型

6.4.1同步電機電磁模型

6.4.2機電模型

6.4.3電機與電網連線

6.4.4對飽和的考慮

參考文獻

第7章電力電子器件及控制系統的電磁暫態計算模型

7.1電力電子器件組成和分類

7.1.1電力電子器件組成

7.1.2電力電子器件分類

7.1.3電力電子器件模型分類

7.2不控型器件模型

7.2.1二極體特性

7.2.2二極體分析模型

7.2.3二極體詳細分析模型

7.3半控型器件模型

7.3.1晶閘管特性

7.3.2晶閘管物理模型

7.3.3晶閘管簡化模型

7.3.4晶閘管宏模型

7.3.5暫態特性外部影響因素分析

7.4全控型器件模型

7.4.1IGBT特性

7.4.2IGBT的阻抗擬合模型

7.4.3IGBT的電路模型

7.5大型換流器暫態分析模型

7.5.1HVDC換流器基本結構

7.5.2換流閥電磁暫態特性

7.5.3換流閥等值電路模型

7.5.4換流閥的雜散電容

7.5.5換流器等值電路模型

7.6控制系統暫態分析模型

7.6.1控制系統的暫態分析

7.6.2考慮數據路徑時延的暫態模型

7.6.3不考慮數據路徑時延的暫態模型

7.6.4根匹配方法建立控制系統的暫態模型

7.6.5電磁暫態計算過程

7.7繼電器的暫態分析模型

參考文獻

第8章新能源裝置的電磁暫態模型

8.1風力發電機

8.1.1風力發電機的電磁暫態模擬

8.1.2風力發電機的機械模型

8.1.3外聯繫統的集成

8.2光伏電池

8.2.1光伏電池模型

8.2.2光伏電池模型參數

8.2.3太陽能電池板陣列細線導體等效模型

8.3燃料電池

8.3.1燃料電池的基本原理

8.3.2電極的氣體擴散模型

8.3.3物質守恆方程

8.3.4燃料電池的輸出電壓

8.3.5燃料電池的雙電層充電效應模型

8.3.6熱動態能量平衡模型

8.3.7嵌入式等值電路

8.4儲能電容器

8.4.1超級電容器的簡化電路

8.4.2超級電容器阻抗特性等效電路

參考文獻

第9章參數頻變的平行多導體電磁暫態計算方法

9.1平行多導體波過程的頻域解

9.2權函式法

9.2.1線路導納權函式法

9.2.2前、反行波權函式法

9.3處理平行多導體參數頻率特性的Marti模型

9.3.1線路頻變阻抗的有理逼近

9.3.2線路頻變參數的一般時域處理方法

9.3.3權函式a1(t)的等值與卷積

9.3.4Marti線路模型等值電源的計算

9.3.5Marti線路模型等值特徵阻抗的計算

9.4頻變非均勻傳輸線的特徵線法

9.4.1多導體傳輸線方程

9.4.2特徵線方法

9.4.3卷積項的遞歸格式

9.4.4數值計算方法

9.4.5邊界條件的處理

9.5綜合無損傳輸線和有損阻抗的時域分析方法

9.5.1計算原理

9.5.2理想傳輸線部分的處理方法

9.5.3頻變阻抗的處理方法

9.6考慮線路頻變阻抗的z變換方法

9.6.1z變換方法原理

9.6.2z變換法求解擬合函式

9.6.3頻變z變換的通用方法

9.6.4線路電磁暫態計算的z變換方法

9.6.5採用z變換計算電纜電磁暫態實例

參考文獻

第10章平行多導體電磁暫態的時域計算方法

10.1基於Chebyshev展開的單根傳輸線離散方程

10.1.1Chebyshev展開式及其性質

10.1.2基於Chebyshev展開的單根傳輸線離散方程

10.2基於Chebyshev展開的多導體傳輸線的處理方法

10.3基於Chebyshev展開的頻變傳輸線的處理方法

10.3.1頻域傳輸線的處理

10.3.2採用遞歸卷積方法求解頻域傳輸線方程

10.3.3算法套用的一些技巧和改進

10.4電磁暫態分析的時域有限差分法

10.4.1時域有限差分法基本原理

10.4.2端接集總參數網路的處理

10.4.3端接網路的狀態方程表示及差分處理

10.4.4級聯點集總參數網路的處理方法

10.4.5分支點的處理方法

10.4.6長傳輸線的處理方法

10.5含頻變參數多導體傳輸線的時域有限差分法

10.5.1含頻變參數多導體傳輸線的電報方程

10.5.2從時域卷積到遞歸卷積

10.5.3套用Prony方法處理導線內阻抗Zc

10.5.4套用矢量匹配的方法處理導線土壤阻抗

10.5.5套用Pade逼近處理導線土壤阻抗

10.5.6土壤阻抗的時域表示

10.5.7考慮有損土壤時的FDTD疊代公式

10.6非均勻多導體傳輸線的時域有限差分法

10.6.1採用階梯式逼近的時域有限差分法

10.6.2採用指數逼近的時域有限差分法

10.7集總元件支路模型的時域有限差分計算方法

10.7.1絕緣子支路的時域有限差分計算方法

10.7.2亞格線技術

10.7.3非線性元件支路的時域有限差分計算方法

10.7.4柱上變壓器的FDTD算法

參考文獻

第11章考慮空間場耦合的傳輸線電磁暫態分析

11.1場線耦合的傳輸線分析方法

11.2雙線傳輸線電磁耦合模型

11.2.1兩導體傳輸線的Taylor模型

11.2.2Agrawal模型

11.2.3Rachidi模型

11.2.4Rusck模型

11.2.5ChowdhuriGross模型

11.3有限導電地面上的傳輸線電磁耦合方程

11.4理想導體平面上單根導體傳輸線

11.5平面波激勵下傳輸線的回響

11.6平面波激勵下均勻多導體傳輸線回響的時域分析方法

11.6.1外場激勵時的均勻多導體傳輸線方程

11.6.2均勻平面波激勵下均勻多導體傳輸線回響的時域分析

11.6.3均勻平面波激勵時多導體傳輸線的時域有限差分方法

11.7雷電對傳輸線的感應電壓

11.7.1雷電感應過電壓的形成過程

11.7.2主放電電流模型

11.7.3雷電電磁場計算

11.7.4雷電電磁場對傳輸線的耦合

11.7.5雷電感應過電壓計算實例

參考文獻

第12章半空間複雜導體結構電磁暫態的時域求解

12.1準靜態假設下複雜導體結構暫態的時域求解

12.1.1求解複雜導體結構的改進迴路電流模型

12.1.2土壤內外導體結構的時域求解

12.1.3計算實例：建築物LPS的雷電暫態求解

12.1.4準靜態模型與傳輸線方法和全波方法的比較

12.2有損全空間導體結構電磁暫態的時域解法

12.2.1有損全空間的一種時域積分方程形式

12.2.2有損全空間格林函式的有理逼近

12.2.3結合遞歸卷積的時域積分方程快速求解

12.3有損半空間內外導體結構電磁暫態的時域解法

12.3.1半空間格林函式

12.3.2Laplace域半空間格林函式的特性

12.3.3半空間格林函式的直接反射波分量和側面波分量

12.3.4半空間格林函式的時域近似

12.3.5半空間時域混合位積分方程

12.3.6方法套用：雷擊高速鐵路的電磁暫態計算

參考文獻

第13章電磁暫態分析的智慧型模型擬合方法

13.1智慧型模型擬合方法

13.2基模參數辨識方法

13.2.1時域基模參數辨識方法

13.2.2頻域基模參數辨識方法

13.2.3多維基模參數辨識方法

13.2.4對基模參數辨識方法的改進

13.3矩陣束方法

13.4基於StoerBulirsch方法的自適應擬合算法

13.4.1一維有理函式模型及構造方法

13.4.2一維自適應擬合方法

13.4.3多維自適應擬合方法

13.4.4模型校驗過程

13.5時域頻域雙內插法

13.5.1Hermite基函式法

13.5.2Hermite基函式法的改進

13.5.3利用離散傅立葉變換實現時頻兩域雙內插的方法

13.6其他擬合方法

13.6.1漸近波形估計算法

13.6.2TDFT方法

13.6.3譜域展開法

參考文獻

第14章電磁暫態信號的小波變換及套用

14.1電磁暫態信號分類

14.2小波變換基礎

14.2.1小波變換定義

14.2.2小波變換的恆Q性質

14.2.3常用小波

14.2.4離散小波變換的多解析度分析

14.2.5小波包

14.2.6小波變換的模極大值

14.2.7小波能量譜

14.2.8小波熵

14.3暫態信號小波變換特徵

14.3.1電力系統開關操作引起的暫態小波特徵

14.3.2故障引起的暫態小波變換特徵

14.3.3直擊雷引起的暫態小波變換特徵

14.3.4三種故障狀態下暫態電流的小波能量譜特徵

14.4故障定位分析的行波法

14.4.1行波法

14.4.2現代行波法

14.4.3高頻行波法

14.4.4故障定位系統

14.5小波變換在行波法故障定位中的套用

14.5.1基於小波分析的行波測距基本原理

14.5.2基於離散小波變換和人工智慧算法的輸電線路

測距方法

14.5.3基於行波固有頻率的輸電線路測距方法

參考文獻