基于 MATLAB 的电力系统动态分析研究【IEEE9、IEEE68系节点】​

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💥1 概述

本文介绍了为电力系统动态分析开发的基于 MATLAB 的程序。可以获得时域仿真、系统线性化、模态分析、参与因子分析和可视化、控制器的优化放置、反馈信号选择、频率响应分析和控制设计。除了解决电力系统问题外，该软件包还提供模型在时域和状态空间中的符号和矢量化表示。该软件包充分利用了 MATLAB 强大的求解器的优势，用于求解非刚性和刚性问题。显式和隐式技术都用于求解微分代数方程 （DAE）。假设同步电机配备了励磁器、涡轮和稳定器。负载可以建模为电压相关负载和独立负载。本文使用的测试系统是IEEE 9节点和68节点系统，以及德克萨斯州的2007节点合成电源系统。不同类型的干扰应用于系统，包括发电机侧和网络侧干扰。

以下是基于MATLAB的电力系统动态分析研究文档，涵盖IEEE 9节点和IEEE 68节点系统的建模、仿真及动态分析研究。内容整合了多篇文献的核心信息，并结合MATLAB工具链的应用方法。

一、IEEE 9节点系统与IEEE 68节点系统的基本结构及参数

1.IEEE 9节点系统

• 拓扑结构
  IEEE 9节点系统是电力系统研究的经典基准模型，由3台发电机（G1、G2、G3）、3个负荷节点（PQ节点）、3台变压器和9个总线节点组成。其中：

  • 节点类型：包括平衡节点（松弛节点）、PV节点（电压控制节点）和PQ节点（负荷节点）。
  • 电压等级：发电机母线电压为13.8 kV~18 kV，变压器升压至230 kV。
  • 典型参数：基准容量为100 MVA，线路和变压器参数以标幺值表示。

• 典型应用场景

  • 潮流计算：采用牛顿-拉弗森法或高斯-赛德尔法求解节点电压、功率分布。
  • 暂态稳定性分析：研究三相故障后发电机的转子角度振荡及临界清除时间。
  • 电压稳定性：通过PV和QV曲线分析系统在极限负荷下的稳定性。

2.IEEE 68节点系统

• 拓扑结构
  该系统规模更大，包含68个节点、16台发电机，其中：
  • 发电机模型：15台采用圆转子同步机模型和四型交流励磁器，1台作为电压源提供频率参考。
  • 方程复杂度：系统状态方程包含535个变量（92.1%为微分变量），雅可比矩阵非零元素仅占0.75%。
  • 动态特性：适用于大规模系统扰动后的机电暂态仿真及动态相量分析。

二、MATLAB在电力系统动态分析中的工具箱及方法

1.核心工具箱

• Simulink/Simscape Electrical
  提供电力系统元件库（发电机、变压器、负荷等），支持图形化建模和时域仿真。

  • 应用示例：搭建IEEE 9节点系统模型，模拟三相故障后转子角度动态响应。

• Power System Toolbox (PST)
  提供潮流计算、小信号稳定性分析、暂态稳定性分析等功能。

  • 特色功能：支持自定义控制器（如PSS、SVC）的集成与优化。

• PSAT
  开源工具箱，支持动态时域仿真和模态分析，适合含新能源的电力系统研究。

• Matpower
  专注于潮流计算和最优潮流问题，支持大规模系统（如IEEE 68节点）的高效求解。

2.动态分析方法

• 时域仿真
  通过求解微分代数方程（DAEs），模拟系统在故障或扰动下的动态行为。

  • 案例：在IEEE 68节点系统中施加三相短路故障，记录发电机频率和电压恢复过程。

• 模态分析
  计算系统特征值，识别主导振荡模式及参与因子。

  • 应用场景：分析IEEE 9节点系统中低频振荡的阻尼特性。

• 控制器设计
  结合神经模糊控制器或传统PID，优化系统稳定性（如添加STATCOM改善电压稳定性）。

三、基于MATLAB的建模与仿真步骤

1.IEEE 9节点系统建模示例

1. 数据导入

   • 从标准数据表（表1-表3）导入节点参数、线路阻抗及变压器变比。

   % 示例：定义基准容量和节点电压 baseMVA = 100; busdata = [1 1 0 0 0 0 1.04 0 230 1; 2 2 0 0 0 0 1.025 0 18 1; ...]; % 节点参数表

2. Simulink模型搭建

   • 使用Simscape Electrical模块构建发电机、变压器和负荷的矢量模型。
   • 设置初始条件（如发电机端电压VG1=1.04 pu）。

3. 仿真配置

   • 选择ODE求解器（如ode23tb处理刚性方程），设置仿真时间步长（如0.01秒）。
   • 添加扰动（如5-7号线路在1秒时发生三相故障，持续0.1秒）。

4. 结果分析

   • 绘制发电机转子角度曲线，判断临界清除时间（如1.033秒时角度差达106.487度）。
   • 计算线路功率损耗（牛顿-拉弗森法比高斯-赛德尔法精度更高）。

2.IEEE 68节点系统建模要点

• 动态相量法（DP）
  采用可变步长算法加速仿真，比传统EMT方法快100倍以上。
• 大规模系统优化
  使用Matpower进行最优潮流计算，结合并行计算提升效率。

四、动态分析研究案例

1.暂态稳定性研究

• IEEE 9节点系统

  • 故障位置影响：近发电机故障导致转子角度双峰振荡，需16秒恢复稳定。
  • 控制策略：添加DSTATCOM或动态电压恢复器（DVR）可缩短恢复时间。

• IEEE 68节点系统

  • 扰动响应：不同故障位置激发的动态模式差异显著，需针对性设计阻尼控制器。

2.电压稳定性与新能源接入

• 静态无功补偿（SVC）
  • 在IEEE 9节点系统中，SVC可将电压波动控制在±5%以内。
• 新能源场站调频
  • 基于动态模式分解（DMD）估计虚拟惯量，优化风电场在IEEE 68节点中的频率响应。

3.算法对比与优化

• 潮流计算：牛顿-拉弗森法收敛速度更快，但高斯-赛德尔法内存占用更低。
• 动态相量法：在IEEE 68节点中，DP程序CPU时间仅为EMT仿真的1%。

五、结论与展望

• MATLAB工具优势：通过Simulink和专用工具箱（如PSAT、Matpower），可高效完成从小型（IEEE 9）到大型（IEEE 68）系统的动态分析。
• 未来方向：新能源高渗透场景下的动态特性研究、基于AI的控制器设计（如自适应神经模糊控制）。

📚2 运行结果

2.1 IEEE9节点

2.2 IEEE68节点

部分代码：

%%%----------------------------% LL-1--------------------------------------
T1_LL1 = realp('T1_LL1',1); % T1 coefficient (name and initial value)
T2_LL1 = realp('T2_LL1',0.1); % T2 coefficient
T1_LL1.Minimum = 0.1; T1_LL1.Maximum = 1; % Set min-max values for T1
T2_LL1.Minimum = 0.01; T2_LL1.Maximum = 0.1; % Set min-max values for T2
T1_LL1.Free = true;
T2_LL1.Free = true;
LL1=tf([T1_LL1 1],[T2_LL1 1]);
%%%----------------------------% LL-2--------------------------------------
T3_LL2 = realp('T3_LL2',1); % T3 coefficient
T4_LL2 = realp('T4_LL2',0.1); % T4 coefficient
T3_LL2.Minimum = 0.1; T3_LL2.Maximum = 1; % Set min-max values for T3
T4_LL2.Minimum = 0.01; T4_LL2.Maximum = 0.1; % Set min-max values for T4
T3_LL2.Free = true;
T4_LL2.Free = true;
LL2=tf([T3_LL2 1],[T4_LL2 1]);
%%%--------------------------Washout---------------------------------------
Tw = realp('Tw',1); % Tw coefficient
Tw.Minimum = 1; Tw.Maximum = 10;
Tw.Free = true;
WO=tf([Tw 0],[Tw 1]);
%%%--------------------------Gain------------------------------------------
Ck = realp('Ck',1);
Ck.Minimum = 1; Ck.Maximum = 50;
Kg=tf(Ck);
%%%==========================System tuning=================================
CL0 = feedback(LL1*LL2*Ck*G,1, -1); % Closed-loop TF (with PSS)
CL0.InputName = 'ws';
CL0.OutputName = 'w';
Req1 = TuningGoal.Poles(0,0.2,Inf); % [min decay, min damping ratio, max freq].
options = systuneOptions('Display','iter');
[CL,fSoft] = systune(CL0,Req1, options);
sys2=CL.Blocks;
OptimizedParam=[sys2.T1_LL1 sys2.T2_LL1 sys2.T3_LL2 sys2.T4_LL2 sys2.Ck]; OptimizedParam=double(OptimizedParam);
figure (1)
viewGoal(Req1,CL); xlim([-50 1]); hold on; % Plot the results with the desired goal to check if it is satisfactory
%=================================END======================================

🎉3参考文献

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