美国西部电网3机9节点系统动态仿真模型

资 源 简 介

该项目旨在构建一个高度仿真的美国西部电网（WECC）3机9节点系统研究平台。核心功能涵盖了电力系统潮流分布计算、多机系统动态特性演化规律研究以及复杂扰动下的稳定性校验。 在实现方法上，利用MATLAB Simulink工具箱对电力系统中的同步发电机（采用六阶详细模型）、三绕组变压器、输电线路以及恒功率/恒阻抗负荷进行精准数学描述。系统内置了自动电压调节器（AVR）和原动机调速器（GOV）模型，确保了发电机在运行过程中的闭环控制逻辑。

详 情 说 明

MATLAB/Simulink 美国西部电网 (WECC) 3机9节点系统动态仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 环境开发的电力系统仿真平台，专门用于研究美国西部电网（WECC）3机9节点系统的稳态与动态特性。该仿真程序完整模拟了电力系统从稳态运行到发生大扰动（如三相短路故障）后的复杂演化过程。通过集成详细的发电机物理模型与闭环控制系统，该项目能为电力系统稳定性分析、控制策略验证及暂态特性演化规律提供高精度的仿真数据。

功能特性

• 稳态潮流计算：内置牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）算法，用于确定系统初始运行点。
• 高阶发电机模型：采用同步发电机的六阶详细数学模型，精确刻画定子电流、转子磁链及次暂态电抗的影响。
• 闭环控制系统：集成了自动电压调节器（AVR）和原动机调速器（GOV），模拟励磁系统和频率调节的动态响应。
• 暂态故障模拟：支持设置特定时间段的节点短路故障，用于评估系统的暂态稳定性。
• 数值计算引擎：采用四阶龙格-库塔（RK4）数值积分算法，确保微分方程组求解的精度与收敛性。
• 多维度结果可视化：自动生成功角曲线、频率特性及母线电压波动图表。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装 MATLAB 软件（建议 R2016b 及以上版本）。
2. 参数配置：在主程序脚本的初始化部分，可根据研究需求修改节点负荷（Pload/Qload）、线路阻抗或发电机惯性常数（H）。
3. 执行仿真：运行主程序脚本，程序将自动按顺序执行潮流计算、状态量初始化、动态积分及结果绘图。
4. 结果分析：通过生成的四个核心监控图表分析系统在故障前、故障中及故障后的动态轨迹。

系统要求

• 软件平台：MATLAB
• 依赖项：无需额外工具箱，基于标准矩阵运算及数值算法实现。
• 核心算法：Newton-Raphson 潮流算子、RK4 变步长/定步长积分器。

实现逻辑与详细设计

1. 系统参数初始化

程序首先定义了 WECC 3机9节点系统的标准拓扑结构。包含 9 个节点的类型定义（平衡节点、PV 节点、PQ 节点）、初始电压幅值与相角、负荷功率注入。输电线路采用 $pi$ 型等效电路参数描述，而发电机则配备了包含惯性常数、阻尼系数及多个方向电抗与时间常数的详细参数矩阵。

2. 稳态潮流计算逻辑

在动态仿真开始前，程序调用潮流计算模块。该模块构建系统的导纳矩阵（Ybus），利用平衡节点作为参考，通过牛顿-拉夫逊法迭代求解各节点电压的向量表示。这一步骤为动态方程提供了关键的初始状态量（如电流初始值、节点电压初值）。

3. 微分方程状态变量初始化

基于潮流计算结果，程序对发电机六阶模型进行“反推”计算。重点包括：

• 确定初始内转子功角（delta）及转速。
• 根据各轴电抗计算暂态与次暂态电势（eq_p, ed_p, eq_pp, ed_pp）。
• 设定控制器的参考值（Vref, Pref），确保系统在 $t=0$ 时刻处于平衡点。

4. 动态仿真与故障设置

仿真采用循环步进机制，总仿真时长为 5 秒，步长设定为 0.01 秒。

• 故障模拟：在 $t=1.0s$ 到 $t=1.1s$ 期间，程序通过修改导纳矩阵来模拟节点 7 发生的三相短路故障。
• 数值积分：在每个步进周期内，调用四阶龙格-库塔法。该算法通过计算四个斜率值（k1-k4）并加权平均，求解包含功角、转速、磁链、励磁电压和机械功率在内的 24 维微分方程组。

5. 核心算法细节

• 发电机模型：不仅考虑了二阶转子运动方程，还深入模拟了 $d$ 轴和 $q$ 轴上的电磁暂态过程，反映了电压在故障瞬时的急剧变化。
• 代数方程求解：程序在每次迭代中通过注入电流法结合网络导纳矩阵，动态求解节点电压向量，实现了微分方程与代数方程的耦合。
• 控制逻辑：AVR 根据电压反馈调节励磁电势，GOV 根据转速偏离度调节机械功率输入。

6. 结果处理与可视化

仿真结束后，程序提取存储的状态变量：

• 功角稳定性：通过监视各发电机相对于平衡节点的功角差，判别系统是否失步。
• 频率动态：监控系统平均频率随负载或故障的变化轨迹。
• 电压质量：实时记录关键负荷母线的电压跌落与恢复情况。