风力发电系统并网潮流计算仿真分析系统

资 源 简 介

该项目致力于实现含风力发电机组的电力系统潮流计算仿真。系统核心功能通过建立精细化的风电机组数学模型，包括定速异步风机、双馈感应风机(DFIG)以及永磁同步风机(PMSG)的稳态模型。根据风机的控制策略，将风电场等效为电力系统模型中的PQ节点或PV节点，并考虑风速波动带来的随机性。项目采用牛顿-拉夫逊迭代算法求解多节点非线性方程组，支持大规模电网导纳矩阵的自动构建与稀疏化处理。应用场景涵盖风力发电场接入电网后的稳态运行分析、电压偏差校核、线路损耗计算以及静态稳定性评估。通过对比不同风速条件下的潮流分布，能够

详 情 说 明

风力发电系统并网潮流计算仿真分析系统

本项目是一个基于 MATLAB 开发的电力系统潮流计算仿真平台，旨在研究含风力发电机组的电力系统在稳态运行下的特性。系统通过构建精细化的风机模型与电网模型，利用牛顿-拉夫逊法求解非线性潮流方程，为风电并网后的电压稳定性、功率分布及系统损耗提供量化分析手段。

项目核心功能

1. 多类型风机建模：系统实现了双馈感应风机（DFIG）与定速异步风机的稳态数学模型。风机被等效为电网中的 PQ 节点，其中 DFIG 控制功率因数运行，而定速异步风机根据其输出的有功功率动态计算吸收的无功功率。
2. 随机风速模拟：支持设置不同的环境风速，模拟风能输入的波动性，从而评估不同风况对电网潮流分布的影响。
3. 高性能潮流求解器：采用牛顿-拉夫逊算法作为核心求解引擎，支持包含 14 个节点的改进 IEEE 系统模型。算法考虑了变压器变比、线路阻抗以及对地电纳等参数。
4. 综合结果分析：系统能自动生成可视化图表，包括节点电压分布图、算法收敛曲线以及各风电场出力贡献占比图。

实现逻辑说明

系统的计算流程严格遵循电力系统分析的标准化步骤：

第一步：数据初始化。系统基于改进的 IEEE 14 节点系统构建模型，定义节点类型（平衡节点、PV 节点、PQ 节点）、初始电压幅值与相角、负荷功率以及发电机出力。支路数据包含电阻、电抗、电纳和变压器变比。

第二步：风电出力计算。根据给定的实时风速与风机参数（切入风速、额定风速、切出风速），通过功率特性曲线计算风机输出的有功功率。

• 对于节点 9 的双馈机组：按照 0.98 的功率因数计算注入电网的无功功率。
• 对于节点 14 的定速机组：根据滑差特性，采用经验公式计算其运行过程中吸收的无功功率。

第三步：导纳矩阵构建。根据支路参数自动生成复数导纳矩阵，并处理变压器非标准变比导致的矩阵非对称性。

第四步：牛顿-拉夫逊迭代过程。

• 计算节点功率残差。
• 构建雅可比矩阵（包含 H、N、J、L 四个子矩阵）。
• 求解修正方程，更新节点电压向量（相角直接修正，电压幅值采用相对修正以提升稳定性）。
• 循环直至最大残差满足 1e-6 的容许误差或达到最大迭代次数。

第五步：后处理计算。利用收敛后的节点电压计算各支路的功率流动情况以及系统的总有功和无功损耗。

关键函数与算法细节

风机出力计算算法 该部分实现了风机的非线性功率曲线。在切入风速与额定风速之间，功率随风速呈三次曲线关系变化；达到额定风速后保持额定功率输出；超过切出风速或低于切入风速则停止出力。这种分段函数准确模拟了真实风机的运行行为。

潮流计算核心引擎 函数通过向量化的方式处理多节点方程组。在迭代过程中，雅可比矩阵的每个元素根据潮流方程的偏导数实时计算。程序特别处理了 PV 节点与 PQ 节点的差异，在雅可比矩阵中只针对自由变量（PQ 节点的 V 和 theta，以及 PV 节点的 theta）进行子矩阵提取与修正。

电压修正策略 在更新电压幅值时，采用了相对修正量乘积法，即 V = V + dV * V。这种方式在处理大规模电网或初始值偏移时，相比直接加法具有更好的数值稳定性，能有效预防计算过程中的电压越限震荡。

数据统计与可视化逻辑 系统不仅输出文本形式的潮流报告（含各节点电压、相角和总损耗），还通过图形化手段展示计算结果。柱状图清晰标注了 0.95 至 1.05 p.u. 的安全电压阈值，收敛曲线使用对数坐标展示误差下降过程，饼图直观反映了各风电场对系统有功负荷的支撑比例。

使用方法

1. 配置环境：确保安装有 MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 运行仿真：在 MATLAB 命令行窗口运行主函数。
3. 参数调整：可根据需要修改代码中的风速数组 wind_speeds 或风机配置结构体 wind_config 以测试不同工况。
4. 查看结果：计算完成后，系统会自动在命令行打印潮流分布报表，并弹出电压分布图与收敛分析图。

系统要求

• 软件支持：MATLAB (包含基础数学工具箱)
• 硬件要求：标准个人计算机，内存 4GB 以上
• 数据格式：遵循标准 IEEE 节点与支路数据定义规范