基于MATLAB/Simulink的单机带负荷仿真系统搭建

概述

使用MATLAB/Simulink平台搭建一个单机带负荷的电力系统仿真模型。该系统包括同步发电机、励磁系统、调速系统、变压器、输电线路以及不同类型的负荷模型。

系统组成

单机带负荷系统主要由以下部分组成：

同步发电机及其控制系统
励磁系统
原动机及调速系统
变压器模型
输电线路模型
负荷模型
测量与监控系统

Simulink模型搭建步骤

1. 创建新模型并设置环境

首先打开MATLAB并创建新的Simulink模型：

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% 创建新Simulink模型
model_name = 'Single_Machine_Load_System';
new_system(model_name);
open_system(model_name);

% 设置仿真参数
set_param(model_name, 'Solver', 'ode23t', 'StopTime', '10');

2. 添加同步发电机组件

从Simulink库中添加同步发电机模型：

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% 添加同步发电机
add_block('powerlib/Machines/Synchronous Machine SI Units', [model_name '/Synchronous Machine']);

% 配置发电机参数
set_param([model_name '/Synchronous Machine'], ...
    'NominalPower', '100e6', ...      % 100 MVA
    'Voltage', '13.8e3', ...          % 13.8 kV
    'Frequency', '60', ...            % 60 Hz
    'Damping', '2');                  % 阻尼系数

3. 添加励磁系统

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% 添加自动电压调节器(AVR)
add_block('powerlib/Excitation Systems/AC4A Excitation System', [model_name '/Exciter']);

% 配置AVR参数
set_param([model_name '/Exciter'], ...
    'Ka', '200', ...                  % 放大器增益
    'Ta', '0.02', ...                 % 放大器时间常数
    'Vrmax', '5', ...                 % 最大调节器输出电压
    'Vrmin', '-5');                   % 最小调节器输出电压

4. 添加原动机及调速系统

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% 添加汽轮机及调速器
add_block('powerlib/Turbines and Governors/Steam Turbine and Governor', [model_name '/Turbine Governor']);

% 配置调速器参数
set_param([model_name '/Turbine Governor'], ...
    'R', '0.05', ...                  % 速度调节系数
    'T1', '0.5', ...                  % 蒸汽容积时间常数
    'T2', '3.0', ...                  % 再热器时间常数
    'T3', '5.0');                     % 交叉管时间常数

5. 添加变压器模型

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% 添加升压变压器
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Transformer (Two Windings)', [model_name '/Transformer']);

% 配置变压器参数
set_param([model_name '/Transformer'], ...
    'NominalPower', '100e6', ...      % 100 MVA
    'Frequency', '60', ...            % 60 Hz
    'Winding1', '13.8e3', ...         % 一次侧电压
    'Winding2', '230e3', ...          % 二次侧电压
    'Rm', '500', ...                  % 磁化支路电阻
    'Lm', '500');                     % 磁化支路电感

6. 添加输电线路模型

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% 添加输电线路
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase PI Section Line', [model_name '/Transmission Line']);

% 配置线路参数
set_param([model_name '/Transmission Line'], ...
    'Frequency', '60', ...            % 60 Hz
    'Length', '100', ...              % 100 km
    'R', '0.01273', ...               % 电阻(Ω/km)
    'L', '0.9337e-3', ...             % 电感(H/km)
    'C', '12.74e-9');                 % 电容(F/km)

7. 添加负荷模型

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% 添加并联RLC负荷
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Parallel RLC Load', [model_name '/Load']);

% 配置负荷参数
set_param([model_name '/Load'], ...
    'NominalVoltage', '230e3', ...    % 额定电压
    'ActivePower', '50e6', ...        % 有功功率 50 MW
    'InductivePower', '20e6', ...     % 感性无功 20 Mvar
    'CapacitivePower', '0');          % 容性无功

8. 添加测量与监控系统

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% 添加电压测量
add_block('powerlib/Measurements/Three-Phase V-I Measurement', [model_name '/Measurement']);

% 添加示波器用于监测
add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope']);
add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope1']);

% 添加功率测量
add_block('powerlib/Measurements/Three-Phase Active & Reactive Power', [model_name '/Power Measurement']);

9. 连接各组件

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% 连接发电机到变压器
add_line(model_name, 'Synchronous Machine/1', 'Transformer/1');

% 连接变压器到输电线路
add_line(model_name, 'Transformer/2', 'Transmission Line/1');

% 连接输电线路到负荷
add_line(model_name, 'Transmission Line/2', 'Load/1');

% 连接测量装置
add_line(model_name, 'Transmission Line/2', 'Measurement/1');
add_line(model_name, 'Measurement/2', 'Power Measurement/1');

% 连接励磁系统
add_line(model_name, 'Synchronous Machine/2', 'Exciter/1');
add_line(model_name, 'Exciter/1', 'Synchronous Machine/1');

% 连接调速系统
add_line(model_name, 'Synchronous Machine/3', 'Turbine Governor/1');
add_line(model_name, 'Turbine Governor/1', 'Synchronous Machine/4');

% 连接示波器
add_line(model_name, 'Synchronous Machine/2', 'Scope/1');
add_line(model_name, 'Power Measurement/1', 'Scope1/1');

10. 添加初始化脚本

创建初始化脚本设置系统初始条件：

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% 初始化脚本 - system_init.m
% 设置发电机初始条件
P0 = 0.8;       % 初始有功功率标幺值
Q0 = 0.2;       % 初始无功功率标幺值
V0 = 1.0;       % 初始端电压标幺值
w0 = 1.0;       % 初始转速标幺值

% 计算初始状态变量
[E0, d0] = calculate_initial_conditions(P0, Q0, V0);

% 设置发电机初始状态
set_param([model_name '/Synchronous Machine'], ...
    'init', ['[' num2str(E0) ', ' num2str(d0) ', ' num2str(w0) ']']);

11. 完整系统仿真代码

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function single_machine_system()
    % 单机带负荷系统仿真主函数
    
    % 创建模型
    model_name = 'Single_Machine_Load_System';
    new_system(model_name);
    open_system(model_name);
    
    % 设置仿真参数
    set_param(model_name, 'Solver', 'ode23t', 'StopTime', '10', ...
        'MaxStep', '0.01', 'MinStep', '1e-5');
    
    % 添加系统组件
    add_components(model_name);
    
    % 连接组件
    connect_components(model_name);
    
    % 保存模型
    save_system(model_name);
    
    % 运行仿真
    sim(model_name);
    
    % 分析结果
    analyze_results();
end

function add_components(model_name)
    % 添加所有组件
    
    % 同步发电机
    add_block('powerlib/Machines/Synchronous Machine SI Units', [model_name '/Generator']);
    set_param([model_name '/Generator'], ...
        'NominalPower', '100e6', 'Voltage', '13.8e3', 'Frequency', '60');
    
    % 励磁系统
    add_block('powerlib/Excitation Systems/AC4A Excitation System', [model_name '/Exciter']);
    
    % 调速系统
    add_block('powerlib/Turbines and Governors/Steam Turbine and Governor', [model_name '/Governor']);
    
    % 变压器
    add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Transformer (Two Windings)', [model_name '/Transformer']);
    set_param([model_name '/Transformer'], ...
        'NominalPower', '100e6', 'Winding1', '13.8e3', 'Winding2', '230e3');
    
    % 输电线路
    add_block('powerlib/Elements/Three-Phase PI Section Line', [model_name '/Line']);
    set_param([model_name '/Line'], 'Length', '100');
    
    % 负荷
    add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Parallel RLC Load', [model_name '/Load']);
    set_param([model_name '/Load'], ...
        'NominalVoltage', '230e3', 'ActivePower', '50e6', 'InductivePower', '20e6');
    
    % 测量装置
    add_block('powerlib/Measurements/Three-Phase V-I Measurement', [model_name '/VIMeasure']);
    add_block('powerlib/Measurements/Three-Phase Active & Reactive Power', [model_name '/PowerMeasure']);
    
    % 示波器
    add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope']);
    add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope1']);
end

function connect_components(model_name)
    % 连接所有组件
    
    % 发电机到变压器
    add_line(model_name, 'Generator/1', 'Transformer/1');
    
    % 变压器到线路
    add_line(model_name, 'Transformer/2', 'Line/1');
    
    % 线路到负荷
    add_line(model_name, 'Line/2', 'Load/1');
    
    % 测量连接
    add_line(model_name, 'Line/2', 'VIMeasure/1');
    add_line(model_name, 'VIMeasure/2', 'PowerMeasure/1');
    
    % 控制系统连接
    add_line(model_name, 'Generator/2', 'Exciter/1');
    add_line(model_name, 'Exciter/1', 'Generator/1');
    add_line(model_name, 'Generator/3', 'Governor/1');
    add_line(model_name, 'Governor/1', 'Generator/4');
    
    % 示波器连接
    add_line(model_name, 'Generator/2', 'Scope/1');
    add_line(model_name, 'PowerMeasure/1', 'Scope1/1');
end

function analyze_results()
    % 分析仿真结果
    
    % 获取仿真数据
    voltage_data = evalin('base', 'voltage_out');
    power_data = evalin('base', 'power_out');
    time_data = evalin('base', 'time_out');
    
    % 绘制电压响应
    figure;
    subplot(2, 1, 1);
    plot(time_data, voltage_data);
    title('发电机端电压');
    xlabel('时间 (s)');
    ylabel('电压 (p.u.)');
    grid on;
    
    % 绘制功率响应
    subplot(2, 1, 2);
    plot(time_data, power_data(:,1), 'b', time_data, power_data(:,2), 'r');
    title('有功和无功功率');
    xlabel('时间 (s)');
    ylabel('功率 (p.u.)');
    legend('有功功率', '无功功率');
    grid on;
    
    % 计算性能指标
    calculate_performance_metrics(time_data, voltage_data, power_data);
end

function calculate_performance_metrics(time, voltage, power)
    % 计算系统性能指标
    
    % 稳态电压偏差
    steady_state_voltage = mean(voltage(end-100:end));
    voltage_deviation = abs(1 - steady_state_voltage) * 100;
    fprintf('稳态电压偏差: %.2f%%\n', voltage_deviation);
    
    % 电压最大偏差
    max_voltage_deviation = (max(voltage) - min(voltage)) * 100;
    fprintf('电压最大偏差: %.2f%%\n', max_voltage_deviation);
    
    % 调节时间(达到稳态的2%范围内)
    settling_index = find(abs(voltage - steady_state_voltage) <= 0.02, 1);
    if ~isempty(settling_index)
        settling_time = time(settling_index);
        fprintf('调节时间: %.2f s\n', settling_time);
    end
    
    % 功率振荡分析
    active_power = power(:,1);
    power_oscillation = max(active_power) - min(active_power);
    fprintf('功率振荡幅度: %.2f p.u.\n', power_oscillation);
end

系统仿真与分析

1. 正常运行工况仿真

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% 正常运行工况
set_param([model_name '/Load'], 'ActivePower', '50e6');
sim(model_name);

2. 负荷突变工况仿真

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% 负荷突变工况 - 使用可变负荷
add_block('simulink/Sources/Step', [model_name '/Load Step']);
set_param([model_name '/Load Step'], 'Time', '5', 'Before', '50e6', 'After', '70e6');

% 断开原有负荷连接
delete_line(model_name, 'Line/2', 'Load/1');

% 连接可变负荷
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Series RLC Load', [model_name '/Variable Load']);
add_line(model_name, 'Line/2', 'Variable Load/1');
add_line(model_name, 'Load Step/1', 'Variable Load/2');

% 运行仿真
sim(model_name);

3. 短路故障仿真

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% 添加短路故障
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Fault', [model_name '/Fault']);
set_param([model_name '/Fault'], 'Switches', '[1 1 1]', 'TransitionTimes', '[5 5.1 5.1]');

% 连接故障
add_line(model_name, 'Line/2', 'Fault/1');
add_line(model_name, 'Fault/2', 'Load/1');

% 运行仿真
sim(model_name);

高级功能扩展

1. 自动报告生成

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function generate_report(model_name)
    % 生成仿真报告
    
    % 创建报告
    import mlreportgen.dom.*;
    doc = Document('Simulation_Report', 'pdf');
    
    % 添加标题
    title = Paragraph('单机带负荷系统仿真报告');
    title.Style = {Bold, FontSize('18pt'), HAlign('center')};
    append(doc, title);
    
    % 添加系统参数表
    append(doc, Paragraph('系统参数'));
    param_table = Table(4);
    param_table.Style = {Width('100%')};
    
    % 填充参数表
    params = {'发电机容量', '100 MVA'; '额定电压', '13.8 kV'; ...
              '变压器变比', '13.8/230 kV'; '线路长度', '100 km'};
    
    for i = 1:size(params, 1)
        row = TableRow();
        append(row, TableEntry(params{i,1}));
        append(row, TableEntry(params{i,2}));
        append(param_table, row);
    end
    
    append(doc, param_table);
    
    % 添加仿真结果图
    append(doc, Paragraph('仿真结果'));
    
    % 保存并关闭当前图形
    saveas(gcf, 'results.png');
    
    % 添加图像到报告
    result_img = Image('results.png');
    result_img.Style = {HAlign('center')};
    append(doc, result_img);
    
    % 关闭报告
    close(doc);
    
    fprintf('仿真报告已生成: Simulation_Report.pdf\n');
end

2. 参数优化与灵敏度分析

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function parameter_sensitivity()
    % 参数灵敏度分析
    
    % 分析不同参数对系统稳定性的影响
    parameters = {'Exciter/Ka', 'Governor/R', 'Load/ActivePower'};
    values = {[100, 200, 300], [0.03, 0.05, 0.07], [40e6, 50e6, 60e6]};
    
    figure;
    hold on;
    
    for i = 1:length(parameters)
        % 运行不同参数值的仿真
        results = [];
        for j = 1:length(values{i})
            set_param([model_name '/' parameters{i}], num2str(values{i}(j)));
            sim(model_name);
            
            % 获取最大电压偏差作为性能指标
            voltage_data = evalin('base', 'voltage_out');
            performance = max(voltage_data) - min(voltage_data);
            results(j) = performance;
        end
        
        % 绘制灵敏度曲线
        subplot(length(parameters), 1, i);
        plot(values{i}, results, 'o-');
        title(['参数 ' parameters{i} ' 的灵敏度分析']);
        xlabel('参数值');
        ylabel('电压最大偏差 (p.u.)');
        grid on;
    end
    
    hold off;
end

参考代码基于MATLAB/simulink平台搭建单机带负荷仿真系统 www.youwenfan.com/contentcse/101424.html

结论

通过这个模型，可以：

研究电力系统在各种工况下的动态响应
分析发电机控制系统（AVR和调速器）的性能
评估系统在不同故障条件下的稳定性
进行参数优化和灵敏度分析