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I 基于 MATLAB 的同步发电机组建模与仿真 摘要 随着电网的规模越来越大，电力系统的运行也随之越来越复杂。同步发电机及其控 制系统作为电源是电力系统中的重要组成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直 接关系到系统的稳定运行。为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机 组特性进行深入的研究。而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着 机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特 性，评价其各个控制系统性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的 作用。同步发电机组模型的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新 的设计方法，为优化设计提供理论依据。本文将对同步发电机及其励磁系统、调速系统 的数学模型进行研究，利用 MATLAB/Simulink 搭建同步发电机组的仿真模型，建立单机 无穷大系统，最后对模型进行仿真，并分析仿真结果。 关键词：电力系统；单机无穷大系统；MATLAB/Simulink；仿真；同步发电机组 华北电力大学本科毕业设计（论文）摘要 II SYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the enlargement of the power grid scale, the operation of the power system is becoming more and more complex. As supply unit of the system, synchronous generator and its control system plays an important part in the power system. Their performance also imposes great influence to the power system and has a direct connection with the power system stability. In order to ensure the safe and economic operation of the power system, we shall do a profound research on the synchronous generator unit characteristics. However, the operation of the synchronous generator unit is a extremely complex process. Its dynamic characteristics are subject to the changing states of the unit operation. Therefore, it is efficient to build a unit model and do simulations research to acquire the dynamic characteristics of the unit, and evaluate the performance of each control system. This will also play a great role in the staff training and researches. The building of the synchronous generator unit model will involve the mechanic analysis of the unit, do favor to deduce new designing methods from theoretical model building and provide theoretical basis to the optimization design. In this paper the mathematical model of the synchronous generator and its excitation system, speed regulating system will be researched; the simulation model of synchronous generator unit will be built based on MATLAB/Simulink; a single-unit infinite system will be established; finally simulate the model and verify the accuracy of the model. Key Words: Power System; Single-unit Infinite System; MATLAB/Simulink; Simulation; Synchronous Generator Unit 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录 i 目 录 摘要I AbstractII 1 绪论1 1.1 课题背景和意义1 1.2 电力系统仿真发展现状1 1.3 本课题所完成的主要工作2 2 同步发电机组数学模型4 2.1 同步发电机数学模型4 2.1.1 同步发电机数学建模概述4 2.1.2 同步发电机基本方程4 2.1.3 同步发电机三阶模型4 2.1.4 单机无穷大系统7 2.2 励磁系统数学模型8 2.2.1 同步发电机励磁自动控制系统概述8 2.2.2 同步发电机励磁自动控制系统数学模型8 2.3 调速系统数学模型10 2.3.1 同步发电机组调速控制系统概述10 2.3.2 同步发电机调速系统数学模型11 3 基于 MATLAB 同步发电机组仿真 12 3.1 MATLAB 介绍 12 3.1.1 MATLAB/Simulink12 3.1.2 常用 Simulink 库模块13 3.2 同步发电机组仿真的初值计算14 3.3 同步发电机组仿真模型15 3.3.1 同步发电机模型16 3.3.2 同步发电机励磁自动控制系统仿真模型17 3.3.3 同步发电机调速系统仿真模型18 3.4 系统仿真及结果分析18 3.4.1 稳定运行19 3.4.2 系统电压突增或突降20 3.4.3 增加励磁系统给定电压21 3.4.4 增加调速系统给定功率23 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录 ii 3.4.5 三相突然短路24 4 结论与展望26 参考文献27 致谢28 华北电力大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 课题背景和意义 随着现代电力系统网络规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高，电力系统规划、 运行和控制的复杂性亦日益增加。同步发电机及其控制系统作为电力系统的重要组成部 分，其性能对电力系统有着极大的影响，直接关系到电力系统运行的安全和稳定。 为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机组特性进行深入的研究。 而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着机组的运行状态而不断变 化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特性，评价其各个控制系统 性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的作用。同步发电机组模型 的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新的设计方法，为优化设计 提供理论依据。 1.2 电力系统仿真发展现状 自 20 世纪 40 年代以来，用计算机方法去研究系统的特性成为科学发展的时尚。仿 真技术是一门多学科综合的应用技术科学，也是一门近年来发展迅速的新兴学科。仿真 就是建立系统的模型(数学模型、物理效应模型或数学物理效应模型)并在模型上进行 实验1。 随着电力系统发展的越来越庞大，电力系统的运行也随之越来越复杂，并且计算机 应用技术发展迅速，电力系统的动态实时计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便、 重复性好等优点，已经逐渐取代传统的物理仿真系统2。电力系统数字仿真是在计算机上 为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。电力 系统数字仿真因具有不受原型系统规模和结构复杂性限制,能保证被研究系统的安全性, 且具有良好的经济性、方便性等优点,在电力系统各个领域中已获得了广泛应用。 目前，电力系统的仿真技术可以总结归纳如下3： 1) 电力系统离线仿真技术：电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理 过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。在建立数学模型时，往 往忽略一些次要的因素，因而常常是一个简化的模型。目前，电力系统离线仿真软件， 对不同的动态过程采用不同的仿真方法，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真 和中长期动态过程仿真 3 种。 2) 电力系统实时仿真技术：电力系统实时仿真系统大概经历了三个历史阶段，基于 相似理论的以实际旋转电机为代表的电力系统动态模拟仿真系统、数模混合式实时仿真 系统、全数字实时仿真系统。我国电力系统实时仿真的发展历程基本跟踪了国际上电力 系统实时仿真发展不同阶段的最新技术。 在同步发电机的建模与仿真研究方面，使用的仿真工具有多种。它们在建立同步发 华北电力大学本科毕业设计（论文） 2 电机模型的方法上各有不同，在研究同步发电机不同问题上也是各有侧重与优势。目前， 关于同步发电机组的常用仿真软件可以总结如下： 1) Saber 仿真软件4 Saber 具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，采取的是组合仿真 方式。在 Saber 软件平台上对同步发电机进行建模和仿真既简捷又有效。Saber 建模分两 个步骤：首先编写器件的模板，它是用 Mast 语言编写的源程序,用于描述器件的工作性能； 然后利用 Saber 提供的 Symbol Edit 为第一步编写的器件画出元件图，在该图属性列表中 填入 primitive 为模板名，实现该图与模板的连接。在建立同步发电机组数学模型时，由 于不要求电机方程的解析解,电机的数学模型就采用实际的电机模型,电压与磁链方程不必 进行坐标变换。 2) Maxwell 2D 仿真软件5 随着计算机在数值计算领域的广泛应用，尤其是有限元法分析在电磁场中的应用， 采用电磁场方法精确计算电机的动态问题已成为可能。利用 ANSOFT 公司的 Maxwell 2D 软件提供的二维有限元仿真环境建立的同步发电机的二维有限元模型，可以直观地看到 电机磁场的分布情况。选择气隙中的一个点，可以计算气隙的磁密，并以表格形式记录 下来；可以看到静态下 B与 Ff 的曲线；可以得到电机的空载特性。 3) PSPICE 仿真软件6 SPICE 是世界著名的模拟电路仿真标准工具，PSPICE 是 MicroSim 公司当今众多 SPICE 不同分支中的一种，是用在 PC 机上作电子线路设计模拟和仿真的软件包。 PSPICE 5.0 的特点是能够针对具体的电路模型，采取相应的无源器件、有源器件和电源 模型进行描述，然后作出包括直流分析、交流分析和瞬态分析等相应的分析。因此，利 用 PSPICE 5.0 对同步发电机进行数字仿真，研究其数学模型，并将其转换为相应的 PSPICE 电路模型，获得发电机三相短路数据，解决了由于同步发电机内部结构及与之相 应的数学模型所具有的独特复杂性, 电气设计人员一直为三相短路精确仿真问题所困扰的 问题。PSPICE 是根据电路输入文件完成相应的模拟，也就是通过 PSPICE 的编程来描述 同步发电机的数学模型，实现同步发电机的建模。 4) DSP(TMSF240)仿真软件7 基于 DSP(TMSF240)的同步发电机实时仿真系统是系统集检测、分析、报警于一体， 并可以方便地进行同步发电机的多种工况下的过渡过程和动态行为的实时仿真。它能取 代现实中的同步发电机组与待测励磁调节器构成的闭环系统，从而检测出励磁调节器性 能。在建模与仿真的实现方法上，该系统需要设计软硬件，采用主从 CPU 结构，由主控 模块、仿真计算核心模块、输入输出模块和定时中断模块组成软件部分。 1.3 本课题所完成的主要工作 本文是对同步发电机组进行建模与仿真，并分析所建模型的正确性。本课题是在研 华北电力大学本科毕业设计（论文） 3 究同步发电机组的数学模型基础上，研究单机无穷大系统的状态方程组及励磁系统和调 速系统的传递函数，在 Matlab/Simulink 环境下搭建同步发电机组的单机对无穷大系统， 分析仿真结果。 主要工作如下： 1) 在阅读和研究国内外关于发电机组建模和仿真的文献基础上，结合同步发电机组 特点，构思出整体的同步发电机组的设计方案。 2) 研究同步发电机组数学模型，结合参考文献，得出单机对无穷大系统的状态方程， 以及励磁系统和调速系统的传递函数。 3) 在 Matlab/Simulink 环境下，搭建单机无穷大系统状态方程和励磁系统、调速系统 传递函数，实现同步发电机组的仿真模型。 4) 研究仿真中的初始化问题，对本课题的仿真模型相关变量进行初始化计算，并对 模型相关参数进行设置，最后进行仿真，分析结果。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 4 2 同步发电机组数学模型 2.1 同步发电机数学模型 2.1.1 同步发电机数学建模概述 同步发电机是电力系统非常重要的元件，它是一种集旋转与静止、电磁变化和机械 运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而其动态性能又对 全电力系统的动态性能有极大的影响。建立的同步发电机模型的类型、精度直接影响着 暂态稳定数字仿真的效果，通常在建模之前，为了简化分析，一般均假设同步电机为理 想同步电机8。在分析电力系统暂态稳定中，同步电机实用模型最重要的简化假定是:忽 略定子绕组暂态过程，从而令定子电压微分方程中,这样就把它化为代数方 0 dq pp 程。另一假定是定子电压方程中,从而使方程线性化。另外，对实际的同步电机还要1 作必要的假定：1) 电机磁铁部分的磁导率为常数，既忽略磁滞、磁饱和的影响，也不计 涡流及集肤作用的影响。2) 对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的。3) 定 子及转子的槽及通风沟等不影响电机转子及转子的电感，即认为电机的定子及转子是光 滑的。以上的假定在大多数情况下都能满足实际工程研究的需要，下面给出的同步电机 基本方程基于上述假定9。 2.1.2 同步发电机基本方程 同步电机数学模型在 abc 坐标下为 8 阶模型。由于转子的旋转和凸极效应，造成发电 机原始方程的系数是随着转子位置的角度(也就是随着时间)而改变的，这些方程是属于所 谓的变系数微分方程，使得方程的求解非常复杂困难，因此实际分析同步电机时很少采 用 abc 坐标。派克变换是最广泛应用的坐标变换之一，可以将同步电机含变系数的微分方 程“改造”成为常系数的微分方程。通过派克变换，可以在 dq 旋转轴上分析研究电机的 电磁现象，进而能很好地适应转子的旋转与凸极效应2。经派克变换后得到的 dq0 坐标下 同步发电机微分方程，即派克方程(电压方程、磁链方程)，其中的电感参数均为定值，从 而非常有利于同步电机动态分析与计算。 2.1.3 同步发电机三阶模型 在建立同步发电机的数学模型时，详简不同的数学模型,其主要区别在于电机的转子 绕组数10，如果转子 D 轴、Q 轴各有两个绕组，且每一个转子绕组有一个一阶微分方程， 那么则称之为转子四阶模型，连同转子运动方程为两阶方程，则整个发电机方程组为六 阶模型。如果转子绕组数减少，则发电机方程组的阶数也相应减少。不同阶的模型，可 以在不同目的电力系统暂态数字仿真中使用11。在实用电力系统动态分析中，当计及励 磁系统动态时，最简单的模型就是三阶模型，由于它简单而又能计及励磁系统动态，因 此广泛的应用于精度要求不十分高，但仍需计及励磁系统动态的电力系统分析中。本文 华北电力大学本科毕业设计（论文） 5 中将只考虑机组 f 绕组的电磁暂态以及转子运动过程,不考虑转子阻尼绕组的暂态过程,即 所建模型为三阶模型。 1) 等效实用变量的定义： a) 定子励磁电动势 Ef ： (2-1) ad ff f X Eu r b) 电机 q 轴空载电动势 Eq(又称 Xd后面的电动势): (2-2) qad f EX i c) 电机 q 轴瞬变电动势(又称 Xd后面的电动势): q E (2-3) q ad f f X E X 2) 置换用的变量表达式推导： 因为 ,所以 00fff uir (2-4) 0000 ad ffad fq f X EuX iE r 由发电机基本电压方程可得: (2-5) 000000qda qqd da q ur iEX ir i (其中, ) 000dd dad f X iX i 由发电机基本磁链方程可知: (2-6) fad dff X iX i 将上式代入式(2-3): (2-7) 2 adad qfad f ff XX EX i XX 因为, ,所以我们可以得到: 2 ad dd f X XX X (2-8) () qqddd EEXXi 根据式(2-5)和式(2-8)可得: (2-9) 0000qqd da q uEX ir i 用相量图可以表示,和之间的关系,如图(2-1):0q u 0q E 0q E 华北电力大学本科毕业设计（论文） 6 q i V I G I G V d u d i d S )0(x q 00fq EE q u ddI X 0q E ddI X qd E GqI jX 图 2-1 ,和之间的相量关系0q u 0q E 0q E 3) 定子电压方程： 根据电压、磁链方程(派克方程)，消去、，得到： d q (2-10) ddqa dq qa d upr iX ir i (2-11) qqda qqd da q upr iEX ir i 4) 转子励磁绕组电压方程： 根据电压方程，两边同乘以，可得： ffff upr i ad f X r (2-12) ad ffq f X pEE r 因为，所以： 0 f adad ffqd fff X XX ET rXr doqfq d TEEE dt (2-13) fqddd EEXXi 其中，为励磁绕组时间常数。 0 f d f X T r 5) 转子运动方程： () memd qq d d HPPPii dt mqd dqq qd PEX iiX ii 华北电力大学本科毕业设计（论文） 7 (2-14) mq qdqd q PE iXXi i (2-15)1 d dt 若计及转子的阻尼效应，则式(2-12)可以修改为： (2-16) 1 mq qdqd q d HDPE iXXi i dt 其中，为发电机组阻尼系数。D 式(2-13)、 （2-14）和（2-15）即构成同步发电机的三阶模型。 2.1.4 单机无穷大系统 如图 2-2 所示单机无穷大系统: 同步发电机变压器 T输电线路 L VtVs 图 2-2 单机-无穷大系统 系统电压为 Vs恒定不变，变压器和线路电抗为。则可以求出： l X (2-17) cos qs d d EV i X (2-18) sin s q q V i X 其中，, ； ddl XXX qql XXX 将式(2-17)、(2-18)代入式(2-13)，即得到单机无穷大系统的电压方程： (2-19) 0 1 sin dd q fqqs dd XXdE EEEV dtTX 电磁功率方程： eqdqdq PEXXii cos sin qs s qdq dq EV V EXX XX (2-20) 2 sin2 sin 2 sdq s q dqd VXX V E XXX 华北电力大学本科毕业设计（论文） 8 2.2 励磁系统数学模型 2.2.1 同步发电机励磁自动控制系统概述 供给同步发电机励磁的装置称为励磁系统。励磁系统是同步发电机组的重要组成部 分，它由自动励磁调节器和励磁功率单元组成。自动励磁调节器分机电式励磁调节器、 半导体励磁调节器和计算机励磁调节器。励磁功率单元分为直流电源励磁和交流电源励 磁。直流电源励磁的电源为直流励磁机。交流电源励磁包括交流电源和整流器两部分。 随着自动化技术的进步，励磁调节器经历了电磁式、模拟半导体式和数字式等几个发展 阶段。目前，电力系统中运行的励磁调节器种类很多、类型各异，但就控制规律而言， 绝大多数属于比例式调节器。 励磁系统和发电机组成一个反馈自动控制系统发电机励磁自动控制系统。为保 证同步电机的正常运行，励磁系统应能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时 所需的励磁电流，励磁电流的改变会引起机端电压或无功功率的变化。励磁自动控制系 统按预定要求调节励磁电流，起到如下作用：1) 电力系统正常运行时，维持发电机或系 统某点电压水平；2) 合理分配发电机间的无功负荷。发电机的无功负荷与励磁电流有着 密切的关系，励磁电流的自动调节，要影响发电机间无功负荷的分配，所以对励磁系统 的调节特性有一定的要求；3) 在电力系统发生短路故障时，按规定的要求强行励磁；4) 提高电力系统静稳定极限；5) 加快系统电压的恢复，改善系统工作条件。为了使自动励 磁控制系统充分发挥上述作用，装置应满足如下几点基本要求：1) 在正常情况下，能根 据机端电压的变化自动地改变励磁电流，维持发电机电压值在给定水平；2) 并列运行发 电机上装有自动励磁调节器时，应能稳定分配机组间的无功负荷；3) 电力系统发生故障 导致电压降低时，励磁系统应有很快的响应速度和足够大的强励顶值电压，以实现强行 励磁的作用；4) 装置要简单可靠，动作要迅速，调节过程要稳定。调节系统应无失灵区， 以保证在人工稳定区内运行12。 为了研究励磁系统对电力系统稳定的影响，就必须设计合理的励磁调节器模型，通 过仿真来深入了解不同参数下的励磁系统对改善电力系统稳定性的作用。对励磁自动控 制系统建立数学模型，需要根据建模的目的和控制系统的结构及其工作条件做出一些假 设，这样建立的数学模型能够突出主要矛盾，使数学式简化、物理意义清楚。因此，由 同一个励磁系统所构成的发电机励磁自动控制系统用于不同目的时建立的数学模型是不 相同的。例如，用于电力系统稳定研究时一般都要进行较多的简化，只剩下最能表达励 磁系统本质特性的部分；用于研究励磁系统性能的数学模型就要较少简化，以使结果尽 量精确13。本文将所建模型属于前者。 2.2.2 同步发电机励磁自动控制系统数学模型 实际电力系统中，励磁系统的种类繁多，各不相同，本文励磁系统是以下面的结构 华北电力大学本科毕业设计（论文） 9 来进行设计的。 电压测量 单元 综合放大 单元 适应单元 励磁功率 单元 Ugd UGUZHUsEf 图 2-3 励磁系统结构图 1) 电压测量单元的传递函数 电压测量单元包括测量变压器和 6 相桥式整流电路，作用是把发电机机端电压 UG变 成与之成正比的直流电压。在正常情况下，可以把电压测量单元看成是一个比例环节。 2) 综合放大单元的传递函数 综合放大单元由由运算放大器及其附属电路组成，基本功能是综合放大调节器的各 控制信号，整定系统的动态增益系数。 1 1 1 K TS p K 2 2 1 K T S Ugd UCH UZH 图 2-4 综合放大单元的传递函数框图 3) 适应单元的传递函数 1 a a K T S UZHUs 图 2-5 适应单元传递函数框图 4) 励磁功率单元的传递函数 本励磁系统的功率单元为三相全控可控硅桥式整流电路，忽略换相电抗压降和可控 硅管压降时励磁功率单元的传递函数可以认为是一个比例环节。 通过以上分析，我们可以得出线性化的同步发电机自并励励磁系统传递函数： 2 2 1 K T S 1 1 1 CH K K TS p K 1 a a K T S SCR K Ugd UG Ef 图 2-6 线性化的同步发电机自并励励磁系统传递函数框图 本文中，建立的模型参数都是标么值，所以对励磁控制系统也要用标么值表示。除 综合放大单元外，其余各环节用标么值表示的放大系数均为 113。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 10 2 1 1 T S 1 1 1 TS p K 1 1 a T S Ugd UG Ef 图 2-7 用标么值表示的发电机自并励自动控制系统传递函数框图 其中，、综合放大单元回路的时间常数； 1 T 2 T 比例放大电路的放大系数； p K 适应单元的时间常数。 a T 2.3 调速系统数学模型 2.3.1 同步发电机组调速控制系统概述 我国电力系统额定电压为 50Hz，在系统稳定运行被破坏，如频率，将对电力系统和 电力系统用户造成很大的影响。电力系统频率变化会引起异步电动机转速的变化，这会 使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化；电力系统频率波动会影响某 些测量和控制用的电子设备的准确性和性能；电力系统频率的降低将使电动机的转速和 输出功率降低，影响设备的正常运行。对于电力系统，频率的降低将导致汽轮机叶片的 振动变大，轻则影响实用寿命，重则可能产生裂纹；频率下降到 4748Hz 时，火电厂厂 用机械的出力随之下降，使火电厂锅炉和汽轮机的出力随之下降，从而使火电厂发出的 有功功率下降，这种趋势如果不能制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允 许的程度，即频率雪崩；电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加， 使异步电动机和变压器的无功消耗增加，引起系统电压的下降，如果电力系统原来的电 压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能出现电压快速而不断地下降，即电压雪崩， 继而造成大面积停电，甚至系统瓦解。 电力系统频率和有功功率控制是密切相关和不可分割的。电力系统频率是靠电力系 统内并联运行的所有发电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有 功功率总和之间的平衡来维持的，对电力系统有功功率的控制，维持上述“等于”关系， 将保证电力系统频率在允许范围之内；对电力系统有功功率的控制，将提高电力系统运 行的经济性；电力系统的规模在不断地扩大，对电力系统有功功率的控制，保证了联合 电力系统的协调运行。 对电力系统频率和有功功率进行自动控制的就是调速系统。调速系统由测量、放大、 执行环节组成。根据调速器测量环节组成元件的不同，可将调速器分为机械式、机械液 压式以及电气液压式等类型。对调速系统建立模型并仿真，首先就是要建立调速器和原 动机的数学模型。调速器数学模型要求给出发电机转速和汽轮机汽门开度或水轮机导 水叶开度之间的传递函数。汽轮机模型要求给出汽轮机汽门开度或水轮机导水叶开度 和原动机输出功率之间的传递函数。由于本文只需要能表达调速系统最基本特性的 m P 华北电力大学本科毕业设计（论文） 11 模型，所以对调速系统的建模进行了简化。 2.3.2 同步发电机调速系统数学模型 调速器种类很多，建立调速系统的传递函数要具体问题具体分析。本文中所建立的 调速器模型，为机械式调速器，并且忽略失灵区、限幅等环节。传递函数框图如下： ref k ref P e P 1 1 s T S 1 1 T T S 机液随动系统原动机 m P 图 2-8 凝汽式汽轮发电机组功-频电液调速系统传递函数框图 其中，； 1 k 油动机的时间常数； s T 凝汽式汽轮机汽容时间常数。 T T 华北电力大学本科毕业设计（论文） 12 3 基于 MATLAB 同步发电机组仿真 3.1 MATLAB 介绍 3.1.1 MATLAB/Simulink MATLAB 是一个功能强大的科学计算软件，自 1980 年问世以来，由于其完整的专业 体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在众多领域都有着广阔的应用空间，特别是 在 MATLAB 的主要应用方面科学计算、仿真建模以及信息工程系统的设计开发上已 经成为行业内的首选设计工具。1990 年 Math Works 软件公司为 MATLAB 引入了 Simulink。Simulink 是在 MATLAB 仿真平台下的一种图形仿真工具，它可以和 MATLAB 通过求解器进行无缝连接。Simulink 是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软 件包。Simulink 与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、 灵活的优点。它与 MATLAB 及其工具箱结合使用，可以完全对连续系统、离散系统、连 续和离散混合系统的动态性能进行仿真与分析。 Simulink 是 MATLAB 提供的模型可视化图形输入的动态仿真工具，它为用户提供了 许多标准控制系统的仿真模块，基于建模方便，用户只要根据所建立的数学模型和一些 具体的仿真要求，从模块库中调出合适的模块组合在一起，根据具体情况设置好参数即 可实现系统的仿真，仿真的结果可通过 Sinks(输出方式)模块库中的模块接受并显示出来。 Simulink 提供的模块库有 Source(信号源)、Sinks(输出方式)、Continuous(连续)、Math Operations(数学操作)、SimPowerSystems(电力系统仿真)等，每个模块库又包含相应的功 能模块，用户可以根据需要混合使用各库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块， 自定义模块库。 Simulink提供了动态系统建模、分析和仿真的交互环境，能够实现交互建模、交互仿 真，并允许用户扩展仿真环境等功能。Simulink的专用模型库(Blocksets)提供了一些专用 元件集，使得Simulink的功能进一步扩展。 Simulink的功能如下： 1) 交互建模 Simulink提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。Simulink在 子模型块中提供了大量的功能模块，用户在建模时只需使用鼠标将功能模块拖放到模型 编辑窗El，并将它们连接起来，就可以快速地建立动态系统仿真模型。 2) 交互仿真 Simulink框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真， 或使用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。有 了Simulink，你可以在仿真的同时，采用交互或批处理的方式，方便地更换参数来进行。 3) 用户扩展 华北电力大学本科毕业设计（论文） 13 Simulink 的开放式结构允许用户扩展仿真环境。用户可以采用 MATLAB、Fortran 和 C 代码生成自定义功能模块，并拥有自己的图标和界面 14-15。 3.1.2 常用 Simulink 库模块 1) Scope 模块 Scope 模块用于显示仿真时间内的输入。Scope 模块可以有多个显示坐标，所有坐标 有共同的时间坐标和各自独立的 y 坐标。 2) Integrator 模块 Integrator 模块用于对输入进行积分运算。在 Integrator 模块的参数对话框中： External reset：在设置信号的触发事件时，根据初始条件设置模块状态； Initial condition source：状态的初始条件获得方式； Initial condition：状态的初始条件； Upper/Lower saturation limit：积分上/下限。 3) Transfer Fcn 模块 Transfer Fcn 模块用于实现一个传递函数，其表达式为： ，其中：和分别表示输入和输出。在 Transfer Fcn 模块的参数对话框 ( ) ( ) ( ) y s H s u s ( )u s( )y s 中： Numerator：分子系数行矢量； Denominator：分母系数行矢量。 4) Gain 模块 Gain 模块用于将模块的输入乘上一个指定的常数、变量或表达式后输出。用户可输 入数值或变量增益或表达式。 5) Fcn 模块 华北电力大学本科毕业设计（论文） 14 Fcn 模块用于对输入进行指定的 C 语言格式的数学表达式处理。u 为模块的输入。 6) Inport/Outport 模块 将系统与外界连接起来就是通过 Inport/Outport 模块一起实现的。 7) Mux 模块 Mux 模块将多个输入行合并成一个矢量行。每一个输入行可携带一个标量或矢量信 号。 3.2 同步发电机组仿真的初值计算 本文利用MATLAB进行电力系统动态仿真时，为了保证仿真从稳定状态下开始运行， 必须正确设定系统的初始参数。如果没有进行系统初始值设置或者设置不合理，将使系 统长期处于不稳定状态，仿真结果失真，则仿真失去意义。这是由于系统运行的稳态值 与给定的参考值之间存在差异，要克服这种差异将耗费一定的时间，表现出的仿真结果 将是不断振荡的，甚至发散。由于初始值的不准确，依据所得到的仿真结果进行分析， 很可能将原本稳定的系统误认为发散、不稳定。由此可见，系统初始参数的设置非常重 要。初值计算是数字仿真的一项基本工作，从数学角度上来讲，就是要先确定求解微分 方程所需要的初值16。 根据本文所建立的同步发电机三阶模型，本文将要进行的初值计算包括同步发电机 的 q 轴暂态电势、发电机初始功角以及初始角速度等。 0q E 0 0 下面根据本文中所要使用的同步发电机参数进行初