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基于MATLAB/Simulink的单机带负荷仿真系统搭建

news 2025/8/28 7:11:02

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：

  1. 同步发电机及其控制系统
  2. 励磁系统
  3. 原动机及调速系统
  4. 变压器模型
  5. 输电线路模型
  6. 负荷模型
  7. 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：

% 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：

% 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

% 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

% 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

% 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

% 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

% 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

% 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

% 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：

% 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

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();
endfunction 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']);
endfunction 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');
endfunction 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);
endfunction 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

% 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

% 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

% 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

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);endappend(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

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;endhold 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：

  1. 研究电力系统在各种工况下的动态响应
  2. 分析发电机控制系统（AVR和调速器）的性能
  3. 评估系统在不同故障条件下的稳定性
  4. 进行参数优化和灵敏度分析
http://www.xdnf.cn/news/1374553.html

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