WSCC九节点系统PSAT动态建模与稳定性分析工具

资 源 简 介

该项目旨在MATLAB环境下基于PSAT（Power System Analysis Toolbox）建立一套完整的WSCC三机九节点标准动态模型。模型在Simulink架构内开发，集成了完整的六阶发电机模型、励磁系统（AVR）、调速器（TG）以及复杂的网络元件模型。其核心功能涵盖了电力系统分析的多个维度：首先，它提供了高精度的牛顿-拉夫逊潮流计算功能，为动态仿真提供稳态初始点；其次，项目实现了深入的小信号稳定性分析，能够自动生成系统状态矩阵并计算所有特征值，从而辨识系统的低频振荡模式及参与因子。 在时域

详 情 说 明

WSCC九节点系统动态建模与稳定性分析项目

本资源提供了一个基于MATLAB环境的电力系统仿真框架，专门针对国际通用的WSCC九节点（3机9节点）标准系统实现。该项目通过纯脚本编程方式，构建了从稳态潮流计算到动态小信号分析，再到暂态稳定性仿真的完整闭环分析流程。

项目核心功能特性

1. 高精度潮流计算分析：内置基于牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）算法的潮流计算模块。通过数值扰动法生成雅可比矩阵，能够精确计算系统9个节点的电压幅值和相位，为后续的动态仿真提供精确的稳态初始点。

1. 多维度发电机动态建模：模型集成了发电机的暂态特性，包括发电机的功角、转速、q轴暂态电动势及d轴暂态电动势。同时配置了简化的自动励磁调节器（AVR）和调速器（TG），构成了每台发电机6个状态变量、全系统共18个状态量的复杂动态网络。

1. 小信号稳定性评估：系统能够自动从非线性动态微分方程中提取状态空间的雅可比矩阵（A矩阵）。通过特征值分析技术，辨识系统的振荡模式，并以特征根分布图的形式直观展现系统的静态稳定性。

1. 暂态过程时域分析：项目支持复杂故障场景的模拟。通过ode45变步长数值积分算法，模拟系统在遭受三相短路故障后的动态演化过程。用户可以观察到发电机在故障发生、故障切除及恢复过程中的功角摆动、转速波动等关键轨迹。

主要算法与实现逻辑

1. 系统参数初始化与拓扑构建 算法首先定义了标幺值下的系统参数，包括节点数据（平衡节点、PV节点、PQ节点）、支路阻抗数据以及发电机的惯性常数（H）、电抗参数（Xd, Xq等）和时间常数。

2. 稳态潮流求解逻辑 电力线路被建模为π型等值电路。潮流计算函数通过循环迭代，在每步迭代中利用数值扰动法构建雅可比矩阵，修正节点电压向量，直至功率残差满足收敛指标（1e-6）。

3. 动态初始值反算 为了保证动态仿真的起点处于平衡态，算法将负荷等效为恒定阻抗。基于潮流计算结果，利用发电机内电动势方程反算出delta（初相角）、Vf（励磁电压）及Pm（机械功率）等初始变量。

4. 状态空间线性化分析 通过对系统微分方程组进行数值求导，生成描述系统小信号特性的系统矩阵。利用eig函数计算特征值，实部代表阻尼特性，虚部代表振荡频率，从而判断系统当前的稳定裕度。

5. 暂态仿真与跨阶段积分 仿真过程分为三个阶段：

• 故障前阶段：系统处于稳态运行。
• 故障阶段：通过修改导纳矩阵（Ybus）中特定节点（如节点7）的对角元素来模拟三相短路故障。
• 恢复阶段：切除故障，恢复原始网络拓扑，观察系统的自恢复能力。

技术分析与实现细节

• 网络接口方法：动态仿真中采用电流注入法。在每一个积分步长内，通过发电机内部电压和暂态电抗计算注入电流，通过解网络代数方程（V=YI）更新所有节点电压，实现了微分方程与代数方程的耦合求解。
• 控制系统建模：励磁系统（AVR）和调速器（TG）均采用一阶惯性环节建模。AVR实时响应电压反馈，TG则根据转速偏差调节机械功率，增强了模型在扰动下的响应真实性。
• 数值处理：为了简化雅可比矩阵的推导过程，代码大量使用了数值差分技术（Epsilon扰动），这使得模型在不改变核心逻辑的情况下，能够极方便地扩展其他类型的设备模型（如新能源或柔性输电设备）。

使用说明

1. 运行环境：需要安装MATLAB R2016b及以上版本，无需额外安装特定的工具箱（代码已内置所有核心算法）。
2. 操作步骤：

- 将主文件置于MATLAB当前文件夹。 - 直接运行主函数。 - 程序将自动执行潮流计算并在命令行窗口输出结果。 - 紧接着弹出两个可视化窗口：一个是系统的小信号特征根分布图，另一个是故障下的功角与转速响应轨迹图。

1. 参数调整：用户可以根据研究需求，在脚本开头修改支路参数或发电机控制器参数（Ka, Ta, Kg, Tg），以测试不同控制策略对系统稳定性的影响。

系统要求

• 操作系统：Windows, Linux 或 macOS。
• 计算资源：标准个人电脑即可，仿真运行时间通常在数秒内。
• 软件依赖：MATLAB 基础版本（包含 ODE 求解器模块）。