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基于MATLAB的水轮机调节系统仿真
罗旋;魏守平
【期刊名称】《西北水电》
【年(卷),期】2005(000)003
【摘要】对水轮机调节系统建立数学模型,利用美国Mathworks公司的MATLAB 软件,对通常的水轮机调速器水电站试验项目(空载频率波动、空载扰动、甩负荷)进行初步的仿真.
【总页数】4页(P39-41,48)
【作者】罗旋;魏守平
【作者单位】华中科技大学水电与数字化工程学院,武汉,430074;华中科技大学水电与数字化工程学院,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TK730.41;TP391.9
【相关文献】
1.基于MATLAB的水轮机调节系统仿真 [J], 罗旋;魏守平
2.基于MATLAB的水轮机调节系统仿真 [J], 王煜;曾云;张思青
3.基于Matlab的水轮机调节系统仿真分析 [J], 涂玥;南海鹏
4.基于MATLAB的水轮机调节系统仿真分析 [J], 唐良宝;包居敏
5.基于MATLAB
6.5的水轮机调节系统仿真 [J], 杨华琳;陈冬冬;代应
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基于matlab的同步发电机组建模与仿真基于matlab的同步发电机组建模与仿真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 buildingand 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∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙IAbstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙II 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于MATLAB 同步发电机组仿真∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 3.1 MATLAB 介绍∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 3.1.1 MATLAB/Simulink∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 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∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2 1 3.4.4 增加调速系统给定功率∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2 3 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。
基于MATLAB的电机仿真分析一、电机仿真基础在进行电机仿真分析之前，我们首先需要了解电机的工作原理和基本参数。
电机是一种将电能转换为机械能的设备，根据其工作原理的不同，可以分为直流电机和交流电机。
在进行仿真分析时，需要考虑到电机的电气和机械特性，例如电压、电流、转速、转矩等参数。
电机仿真分析的基础是建立电机的数学模型，通常采用的是电路模型或者有限元模型。
电路模型适用于小功率电机，其基本原理是根据电机的电气特性建立等效电路，并通过电路方程进行仿真分析。
有限元模型适用于大功率电机，其基本原理是根据电机的物理结构建立有限元模型，并通过有限元分析进行仿真分析。
在MATLAB中，可以利用Simulink或者PDE Toolbox等工具进行电路模型和有限元模型的建模和仿真。
三、基于MATLAB的电机仿真应用1. 电机性能分析基于MATLAB的电机仿真分析可以帮助工程师了解电机的性能和特点，例如电流波形、转速响应、转矩曲线等参数。
通过仿真分析，可以优化电机设计和控制系统，提高电机的效率和可靠性。
2. 电机故障诊断基于MATLAB的电机仿真分析还可以用于电机的故障诊断，例如定子短路、转子断路、轴承故障等。
通过对电机的电气特性和机械特性进行仿真分析，可以检测和诊断电机的故障类型和位置，从而及时进行维修和保养。
3. 电机控制系统设计基于MATLAB的电机仿真分析还可以用于电机控制系统的设计和优化。
通过搭建电机模型和控制系统模型，进行仿真分析和参数调节，可以得到最优的控制系统参数，提高电机的动态性能和稳定性。
四、结论基于MATLAB的电机仿真分析是一种有效的工具，可以帮助工程师更好地了解电机的性能和特点，优化电机设计和控制系统。
在实际工程中，可以根据电机的具体要求和情况选择合适的仿真方法和工具，进行仿真分析和应用研究。
随着MATLAB工具的不断更新和完善，电机仿真分析将得到更广泛的应用和发展。
文献综述电气工程及其自动化基于MATLAB/simulink的船舶电力系统建模与故障仿真前言船舶电力系统是一个独立的、小型的完整电力系统，主要由电源设备、配电系统和负载组成。
船舶电站是船上重要的辅助动力装置，供给辅助机械及全船所需电力。
它是船舶电力系统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。
船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的。
船舶电站运行的可靠性、经济性及其自动化程度对保证船舶的安全运营具有极其重要的意义。
船舶电力系统，作为一个独立的综合供电网络，既与陆上的大型供电网络有本质区别，又与由独立推进电站向推进电动机供电的情况不同。
首先，船舶电力系统的电源和负载具有可比性，一般来说，船舶推进功率通常占供电网络总功率的60%-70%甚至更大，这对负载和电源的管理、系统组成、配置以及运行控制和调度提出了更高的要求。
其次，在船舶电力系统中，以电力变换器与交流推进电动机的技术组合为核心的交流化技术得到了广泛的应用，而由此带来的电力谐波污染间题、变换器与电源以及传动系统之间的相互作用等问题，目前还缺乏有效的评估手段[1]。
船舶电力系统的建模方法有物理建模，数学建模，模块化建模。
常用的建模软件有matlab、lingo、Mathematica和SAS等。
MATLAB已经成为国际上最流行的科学计算与工程计算的软件工具，有人称它为“第四代”计算机语言，MATLAB 软件主要是由主包、Simulink和工具箱三大部分组成。
船舶电力系统的故障类型有短路，断路等故障。
船舶电力系统建模方法文献[2]采用了数学建模方法,根据柴油发电机组的动态特性,研究了船舶电力系统模型的结构和原理,建立了船舶电力系统模型,该系统可以仿真船舶电力系统的许多运行工况。
给出了发电机组正常起动过程和滑油泵、侧推器先后起动时滑油泵电缆发生三相接地故障的仿真过程,对电力系统的参数整定和安全策略的选取有一定的参考价值。
54 1基于Simulink的水轮发电机组动态过程仿真研究摘要：本文实现了基于MATLAB/Simulink的水轮机组动态过程的仿真，建立了包括水轮机，计及阻尼绕组水轮发电机，调速器，励磁系统和输电线路的全系统的数学模型，用隐式梯形法将描述全系统动态特性的微分方程转化成差分方程，采用牛拉法对相应的差分方程和网络代数方程进行联立求解，采用适合于数值计算且易与仿真平台接口的高级语言Matlab进行编程计算，并在Simulink平台上建立了相关模型，实现了同步发电机突然短路暂态过程的仿真，并在单机无穷大系统上实现了功率调节和励磁调节的动态过程的仿真。
关键词：隐式梯形法；牛拉法；单机无穷大系统；功率调节；励磁调节。
Dynamic Process Simulation of Hydro-generatorsBased on SimulinkAbstract:Dynamic process simulation of generators is carried out in this paper, based on Matlab/Simulink. Accurate mathematical models of hydro generation system, which includes the water turbine, hydro-generator model with damp winding model, speed governor, exciter and power transmission line, are built. The ordinary differential equations describing the dynamic characteristics of the hydro-generators are transformed into difference equations by use of the implicit trapezoidal rule. The Newton method is applied to find the solution of corresponding simultaneous difference equations and algebraic network equations. Digital simulative software was mainly programmed with Matlab for its fitness to numerical calculation and easiness to interface with simulation platform. It is also built in Simulink. The simulation of three-phase sudden short-circuit is made. The main dynamic process simulations for single-machine-infinite system are done, which include active power adjustment and excitation regulating for the control of the terminal voltage of generator.Keywords:implicit trapezoidal rule；Newton method；Single-machine-infinite System；Power Aadjustment ；Eexcitation Rregulating54 2前言随着电力工业的日益发展，现代电力系统向着大容量机组，超高压线路和大范围远距离网络互联的方向发展，这种大规模联合电力系统无论是在电网运行优化、电气操作还是事故处理方面，都对运行人员的技术水平、管理能力提出了越来越高的要求。
１．引言在综合分析水轮机调节系统整定调节参数时，最常用的手段就是采用计算机仿真。
然而传统的采用ＢＡＳＩＣ、ＦＯＲＴＲＡＮ和Ｃ语言进行编程仿真，不但编程复杂、调试繁琐，而且图形输出不方便，加之水轮机调节系统与其它工业控制系统不同，其组成很难用一个固定的模式，因此，耗费大量人力物力编制的仿真程序往往只是针对某一特定问题求解，可移植性较差，很难适应水电站的特点。
而ＭＡＴＬＡＢ作为目前国际上流行的系统仿真软件，能够克服上述弊端。
ＭＡＴＬＡＢ具有超强的矩阵运算功能，能够解决信号处理、建模、优化、控制领域中大量存在的矩阵运算问题。
ＭＡＴＬＡＢ软件提供了一个交互式操作的动态系统建模与仿真的平台－ＳＩＭＵＬＩＮＫ；ＭＡＴＬＡＢ软件还提供了大量的工具箱，例如神经网络工具箱。
ＭＡＴＬＡＢ神经网络工具箱针对神经网络系统的分析与设计，提供了大量可供直接调用的工具箱函数、图形用户界面和ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真工具。
神经网络控制不需要对象精确的数学模型，这使得它们对水轮机调节对象这类不确定性系统有着很好的适应性。
ＭＡＴＬＡＢ在水轮机调节系统的计算机仿真中已得到了广泛的应用［１］。
本文结合了ＳＩＭＵＬＩＮＫ的可视化、易于构建复杂模型和Ｍａｔｌａｂ神经网络工具箱对于不确定性系统有着很好的适应性的优点，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ中建立了水轮机、引水系统、调速器，发电机的数学模型，特别针对水轮机的非线性特性，采用ＲＢＦ神经网络对水轮机特性进行建模，并对调节系统动态过程进行了仿真研究。
２．仿真模型的建立水轮机调节系统通常由水轮机、压力引水系统、发电机及负载和调速器等几个部分组成。
本文所讨论的某水电站１号机组，由于引水管道很长，水轮机前后均设有有调压井，其模型较为复杂。
２．１水轮机数学模型研究水轮机调节系统的过渡过程，其中难点之一是对水轮机特性的描述。
由于水流运动的复杂性，导致水轮机的特性很难用一个数学表达式准确地描述。
它通常与下面五个因素有关：转矩Ｍｔ、流量Ｑｔ、水头Ｈ、机组转速ｎ（或频率ｘ）和导叶开度ａ（或接力器行程Ｙ）。
基于MATLAB的船舶电力系统仿真建模及其分析摘要船舶犹如一个可移动的海上城市，它的许多设备都需要使用电能，因此在船上都配备有由发电、配电和用电所组成的独立系统——船舶电力系统。
随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越来越多的船用设备需要用电能来驱动和控制，使船舶电力系统日益趋于复杂庞大，船舶电力系统中许多计算和控制问题日益复杂，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，因此迫切要求运用电力仿真来解决这些问题。
美国Mathworks 公司于1998年推出的MATLAB 仿真软件包含许多电力系统和电力驱动的专用元件，将复杂的电力系统模块化，使用简单，功能也比较全面，有利于船舶电力系统的建模仿真及其分析。
本文将应用MATLAB软件对船舶电力系统进行建模，并对其进行故障分析。
通过对本文之研究工作，充分掌握船舶电力系统的运行特性，以达到改善其自身性能、造福现代海运事业的目的。
关键词：船舶电力系统 MATLAB建模与仿真自动化船舶电力系统的概况电能是船舶航行和作业的最主要的能量来源。
电能既可由其他形式的能量转换而来，又可以转换为其他形式的能量；电能易于输送和分配，又便于调节、控制和测量，并有利于实现生产过程的自动化。
信息技术和其他高新技术都是建立在电能应用基础之上的。
因此，电能在船舶中的应用极为广泛。
电能是船舶运行的主要能源和动力，船舶设备实现了电气化后，可以大大改善船舶综合性能、提高运行质量，并有利于实现全船自动化。
另一方面，如果供电中断，则对船舶运行和安全造成严重后果。
因此，船舶电力系统对于船舶运行及其安全具有十分重要的意义。
船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网和电力负载组成。
船舶电力系统的电源、配电装置、电力网和负载之间的关系，船舶电力系统结构图如图1所示。
G1M1M2EGscM3M4G2 G3ACBISM1ACB2ACB3ISW2MCB MCB1MCB2MCB3MCB4MCB5MCB6MCB7MCB8MCB9DCB380/220VTr MCBISBDCBIDSBRSBEDSBEACBETr380/220EISBESBEMCB图1船舶电力系统结构图G-主发电机；EG-应急发电机；ACB-发电机主开关；EACB-应急发电机发电机主开关；MSB-主配电板；ESB-应急配电板；MCB-配电开关；M-电动机；DSB-分配电板；RSB-无线电分配电板；EMCB-应急发配电开关；ISW-隔离开关；ISB-照明配电板；EISB-应急照明配电板；IDSB-照明分配电板；EDSB-应急分配电板；Tr-照明变压器；ETr-应急照明变压器；SC-岸电箱船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。
华中科技大学硕士学位论文基于MATLAB和PSASP的水电机组励磁系统建模研究姓名：王俊申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：曹一家;文劲宇20060401摘要电力系统正步入大电网、高电压与大机组的时代。
随着电网规模的不断扩大，机组容量和电压的提高，对机组运行稳定性的要求也随之提高。
发电机励磁系统参数是电网运行四大参数之一，对电力系统的暂态稳定控制具有重要作用。
因此，有必要对发电机组的励磁系统进行研究分析，在仿真软件中建立励磁系统模型库，使运行调度人员可以在仿真时考虑励磁系统作用对电网进行稳定分析计算，使软件模拟的结果更接近实际情况，对于电网分析的准确性也有着重要的意义。
本文在水电机组励磁系统参数辨识及建模仿真领域进行了一系列理论与实践方面的研究。
对水轮机励磁系统广泛采用的自并励励磁方式的结构及模型以及PSASP中的自并励励磁模型做了详细介绍。
阐述了对实际系统进行参数辨识的具体步骤，分析了利用GA参数辨识方法的辨识流程及其初始化方法的优化，结合实际发电机组励磁系统进行了的GA参数辨识，即将励磁系统的原模型辨识成为仿真软件下的标准模型。
利用电力系统仿真软件PSASP的自定义建模功能对实际电厂励磁系统进行了建模仿真，然后分别用MATLAB和PSASP对辨识结果进行了仿真校验，并对辨识结果进行了频域稳定性分析，验证了辨识结果的正确性。
关键词：励磁系统参数辨识遗传算法初始化自并励 PSASPAbstractThe modern power system is coming into an age of big scale, high voltage, and large capacity. The requirement of the generator’s stability has become more and more important. The excitation system plays a very important role in power system transient stability controlling. It is needed to pay a particular research to the excitation system, and to establish the excitation system model library in the power system simulation software. The operators who in charge of the power network dispatching can use the simulation software with the library to do a precisely stability analyze.This thesis studied the parameter identification and modeling simulation of hydro- generator’s excitation system in theory and practical aspect. The configuration and model of self-parallel excitation that widely used in hydro-generator’s excitation, and the model of self-parallel excitation in PSASP are introduced in detail. The integrated process of identifying parameter of practical system is presented, the parameter identification flow and the optimized initialization of the GA parameter identification is analyzed. A real hydro-generator’s excitation system is modeled based on the above research results and the identification results is evaluated with the MATLAB and PSASP, and the stability of identification result in frequency domain is analyzed, which proves the correction of identification result.Keywords:excitation systems parameter identification genetic algorithm initialization self-parallel excitation PSASP√独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
![[精品]水轮机调节系统的MATLAB仿真模型](https://img.taocdn.com/s1/m/f79dc68ffc0a79563c1ec5da50e2524de518d0c3.png)
[精品]水轮机调节系统的MATLAB仿真模型首先，我们需要了解PID控制器的原理。
PID控制器是通过对比期望值和实际值的误差来调整控制器输出的。
PID控制器包括三个部分：比例、积分和微分。
比例控制器通过将误差乘以一个系数来输出控制器输出。
积分控制器将误差积分到控制器输出中，用于减少静态误差。
微分控制器则用于减少瞬时误差，并提高调节系统的响应速度。
我们使用MATLAB来建立水轮机的调节系统模型。
首先，我们需要建立水轮机的机械模型。
水轮机的机械模型包括输入信号（水头）、输出信号（转速）以及转矩和动量交换的作用。
我们可以采用简化的模型来表示水轮机。
水轮机的机械模型可以表示为：$\dot{\omega}=\frac{K_{T}}{J}\left(P_{i}-K_{\omega} \omega \right)$其中，$\dot{\omega}$代表转速的变化率，$J$代表转动惯量，$K_{T}$代表转矩系数，$P_{i}$为输入信号，表示水头，$K_{\omega}$为摩擦系数。
接下来我们需要建立调节系统的模型。
调节系统的模型包括PID控制器和水轮机机械系统的连接。
我们需要采用Feedback函数建立系统的反馈环路。
具体代码如下：sys=tf(Kp,[1,0])+tf(Ki,[1,0],'I')+tf(Kd,[1,0],'D')sys=feedback(sys*tf(Kt,[1,0]),1)其中，Kp、Ki、Kd分别代表比例、积分和微分系数，Kt代表转移函数的分子。
最后，我们使用MATLAB中的sim函数来进行模拟仿真。
sim('水轮机调节系统')模拟结果可以通过作图来呈现。
我们可以绘制水头、角速度、控制器输出和PID控制器的误差曲线。
结果图如下：通过模拟结果，我们可以看到水头、角速度、控制器输出和PID控制器误差都能够得到良好的控制。
这证明我们建立的水轮机调节系统的MATLAB仿真模型是可行的。
基于MATLAB的发电机仿真实验实验目的1.学习运用matlab软件对发电机进行仿真短路试验。
2.对系统的稳态运行、单相短路、两相短路、三相短路进行比较分析。
3.对系统并网状态进行分析。
实验内容用matlab软件搭建一个发电机与负荷小系统模型，仿真各种短路情况并对结果做进一步分析。
实验步骤一、熟悉原件熟悉matlab中simulink、simmechanics、simpowersystems 等要用到的主要模块。
了解模块中的各个原件。
二、建立模型单机系统仿真图（并网前）（并网后）三、选择模块1.从simpowersystems-machines中找到发电机simplified synchronous machine si units元件并复制到电路图中，双击发电机元件，进行参数设置如下：2.从simulink-sources选择常数发生器constant元件，并复制到电路图中，设置机械功率值为700e6，设置电压幅值为156e3。
3.从Simpowersystems-measurements选择三相电压-电流测量three-phase v-i measurement元件，并复制到电路图中，设置参数如下：4.从Simpowersystems-elements中选择传输线路distributed parameters line元件，并复制到电路图中，设置参数如下：（线路1与线路2设置参数相同）5.从Simpowersystems-elements中选择三相电路短路故障发生器three-phase fault元件，并复制到电路图中，参数设置如下：6.从Simpowersystems-elements中选择三相断路器three-phase breaker元件，并复制到电路图中，参数设置如下：7.从Simpowersystems-elements中选择三相变压器three-phase transformer(two windings)元件，并复制到电路图中，参数设置如下：8.从Simpowersystems-elements中选择三相串联rlc负载three-phase series rlc load元件，并复制到电路图中，参数设置如下：9.从Simpowersystems-measurements中选择multimeter，并将它们复制到电路图中。
开题报告电气工程及其自动化基于MATLAB/simulink的船舶电力系统建模与故障仿真一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1、本课题国内外研究动态船舶电力系统是一个独立的、小型的完整电力系统，主要由电源设备、配电系统和负载组成。
船舶电站是船上重要的辅助动力装置，供给辅助机械及全船所需电力。
它是船舶电力系统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。
船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的。
最近几年，船舶电站采用电子技术、计算机控制技术，实现船舶电站自动化和船舶电站的全自动控制，实现无人值班机舱。
船舶自动化技术正朝着微机监控、全面电气、综合自动化方向发展。
船舶电站运行的可靠性、经济性及其自动化程度对保证船舶的安全运营具有极其重要的意义。
国外的某些造船业发达的国家在二十世纪中叶就着手船舶电力系统领域的探索，在船舶电力系统稳态、暂态过程等方面进行了细致的研究。
近些年来，挪威挪控公司困.R.co咖l)、英国船商公司(TRANSS)、德国西门子公司(SIEMENS)、-日本三菱公司(MITSUBISHD等大公司开始进行船舶电力系统的建模与分析方面的研究工作。
国内针对船舶电力系统的研究起步相对较晚，虽然取得了一定成果，但在理论先进性、系统完整性等方面还存在一定差距，这也在一定程度上导致了目前国产船电设备与世界主要造船国家船电设备存在一定差距、装船率偏低等一系列问题。
目前,国内外最常用的建模软件有四中：分别是：matlab、lingo、Mathematica和SAS。
MATLAB用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
Matlab开发效率高，自带很多数学计算函数，对矩阵支持好。
Lingo可以用于求解非线性规划，也可以用于一些线性和非线性方程组的求解等，功能十分强大，是求解优化模型的最佳选择。
基于MATLAB语言的抽水蓄能电站机组变频启动仿真建模研究学生：付威指导老师：朱建国(三峡大学电气与新能源学院)【摘要】用于抽水蓄能机组启动的静止变频器，整流逆变桥通常采用普通晶闸管。
本文建立了抽水蓄能机组的同步电机以及静止变频器的数学模型。
建模过程中对变频器逆变侧晶闸管的换流重叠角进行了简化处理，提出以定逆变侧控制角连续调节整流侧控制角实现调压调频的控制方案。
采用MATLAB软件用数值方法对启动过程进行了数字仿真，仿真得出抽水蓄能机组静止变频启动系统各物理量的变化规律，特别是电流、电压波形及频率变化曲线，并对电流、电压波形进行了频谱分析。
为进一步开发、研究抽水蓄能机组的相关保护提供了依据。
关键词抽水蓄能机组静止变频器变频启动数字仿真Abstract:Pumped storage unit for the launch of the static inverter, rectifier thyristor inverter bridge is usually the ordinary. In this paper, a pumped-storage unit of the synchronous motor and the static inverter model. Modeling on the side thyristor converter inverter commutation overlap angle is simplified, proposed to be inverter side of the rectifier control angle continuously adjustable control horn to achieve voltage and variable frequency control scheme. Using MATLAB software, start the process by numerical techniques for digital simulation, simulation shows, static frequency converter pumped storage units of various physical changes of the system, especially the current and voltage waveforms and frequency curves, and current and voltage waveforms spectrum analysis. For the further development of pumped storage units provided the basis for the relevant protection.Keywords: pumped storage unit；static frequency converter；frequency starting；digital simulation；前言1.课题背景:中国水电发展状况,水电利用率我国水资源居世界首位。
基于MATLAB的水轮调节系统仿真与分析水力发电是将水能转变成电能再输送给用户。
因频率和电压是衡量电能性能的主要指标,为了使电能品质得到保证,所以机组的转速必须保持在额定范围。
水轮机调节系统不仅是高阶、时变、非最小相位的非线性系统,而且其还受外部环境多变性的扰动和内部动力学特性不确定的影响,因而导致水轮机调节系统的精确控制非常困难。
本文针对常规PID控制不能在线自整定参数的局限性,引入BP神经网络PID控制模型,通过实例仿真结果证明了该模型的良好性能;然后对水轮机调节系统进行模块化建模,并使用MATLAB/SIMULINK软件仿真分析调节系统主要参数对系统动态特性的影响;接下来利用水轮机综合特性曲线,对流量、力矩等特性数据进行三维插值建模;最后建立了BP神经PID控制的水轮机调节系统模型,并对调节系统在额定和限制工况下进行频率扰动和负荷扰动仿真实验,结果表明BP神经PID控制在调节时间、抑制系统超调和系统稳定性等方面具有更好的动态品质。
基于MATLAB的水轮机调节系统仿真分析
唐良宝;包居敏
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2007(023)019
【摘要】采用MATLAB对水轮机调节系统的简化数学模型进行仿真,分析系统调节参数对水轮机调节系统的影响.仿真结果表明:该方法能反映系统各参数的动态变化过程,较准确地得到各参数的变化规律,有助于系统的参数整定,为水轮机调节系统控制策略的研究提供了一定的理论基础.
【总页数】3页(P254-255,286)
【作者】唐良宝;包居敏
【作者单位】541004,桂林,桂林电子科技大学机电与交通工程系;541004,桂林,桂林电子科技大学机电与交通工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TP273.2
【相关文献】
1.基于MATLAB的水轮机调节系统仿真 [J], 罗旋;魏守平
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3.基于Matlab的水轮机调节系统仿真分析 [J], 涂玥;南海鹏
4.基于MATLAB/SIMULINK的水轮机调节系统寻优 [J], 马秀玲;陈启卷;姜胜
5.基于MATLAB
6.5的水轮机调节系统仿真 [J], 杨华琳;陈冬冬;代应
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基于Matlab模块化模型的水轮发电机组仿真研究曹程杰;莫岳平;刘洁【摘要】采用Matlab建立水轮发电机系统各子系统的多种精度模块化模型,在此基础上分别构建水电机组非线性模型、线性化模型和经典理想模型.通过与现场运行数据相比较,研究了不同模型的适用范围,验证了仿真模型和算法的正确性,体现了模块化建模在水电站仿真计算中的优势.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2010(038)002【总页数】4页(P68-71)【关键词】水轮机调节系统;数学模型;仿真【作者】曹程杰;莫岳平;刘洁【作者单位】扬州大学,江苏,扬州,225000;南京南瑞自动控制有限公司,江苏,南京,210003;南京南瑞自动控制有限公司,江苏,南京,210003;江都水利工程管理处,江苏,扬州,225200【正文语种】中文【中图分类】TP273.2;TP391.90 引言水电厂是电网频率调节的主要电厂，随着电力系统中大中型水电机组的广泛应用，其整体动态模型研究日益受到人们的重视，建立符合实际的水轮发电机组模型，对于理论分析计算、试验研究、调节保证计算等都具有重要意义。
水轮机仿真模型既要保证仿真结果的准确性，又要兼顾计算时间及工作效率，针对不同的仿真要求需要选择不同的模型。
同时，水电机组控制系统是一个复杂的非线性系统，模型和算法选取的正确与否应在实践中加以检验，正确、合理的仿真试验对实践才具有指导意义。
水轮发电机系统由水轮机、引水系统、调速系统、发电机及负荷等子系统组成，本文采用Matlab软件作为仿真平台，建立了各子系统的多种精度模块化模型，以在仿真计算中根据水电站的具体特征以及不同的仿真工况和仿真目的进行选择。
1 水轮机调节系统的数学模型1.1 引水系统模型1.1.1 刚性水击模型一般在小扰动情况下，对简单直管路且管道长度小于600~800 m时，管壁及水体的弹性以及流动的摩擦阻力均可以忽略，此时可以认为是刚性水击，其传递函数为：式中: h为管道中水头的变化量；q为管道中瞬时水流量的变化量；轮机额 TW为管道水流惯性时间常数；TW=LQr/gFHr；L为管道长度；F为管路截面面积；Qr 为水轮机额定流量；Hr为水定水头；g为重力加速度。
第38卷第2期电力系统保护与控制Vol.38 No.2 2010年1月16日 Power System Protection and Control Jan.16, 2010 基于Matlab模块化模型的水轮发电机组仿真研究曹程杰1,2，莫岳平2，刘 洁3（1.扬州大学，江苏 扬州 225000；2.南京南瑞自动控制有限公司，江苏 南京 210003；3.江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）摘要：采用Matlab建立水轮发电机系统各子系统的多种精度模块化模型，在此基础上分别构建水电机组非线性模型、线性化模型和经典理想模型。
通过与现场运行数据相比较，研究了不同模型的适用范围，验证了仿真模型和算法的正确性，体现了模块化建模在水电站仿真计算中的优势。
关键词：水轮机调节系统；数学模型；仿真Research of hydrogenerating units based on modularized model of MatlabCAO Cheng-jie1，2，MO Yue-ping2，LIU Jie3（1.Yangzhou University，Yangzhou 225000，China；2.NARI Automatic Control Co.，Ltd.，Nanjing 210003，China；3. Jiangdu Water Conservancy，Yangzhou 225200，China）Abstract：The multiple-precision mathematic models of the subsystem of hydrogenerating units is established，and then the nonlinear model，linear model and classical-ideal model of hydrogenerating units are built respectively．Through a comparison between simulation results and field data，this paper studies the different application scopes of the models and verifies the validity of the simulation model，which shows the superiority of modularized modeling in the simulation for hydropower stations．Key words：hydraulic turbine governing system；mathematical model；simulation中图分类号：TP273.2；TP391.9 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)02-0068-040 引言水电厂是电网频率调节的主要电厂，随着电力系统中大中型水电机组的广泛应用，其整体动态模型研究日益受到人们的重视，建立符合实际的水轮发电机组模型，对于理论分析计算、试验研究、调节保证计算等都具有重要意义。
水轮机仿真模型既要保证仿真结果的准确性，又要兼顾计算时间及工作效率，针对不同的仿真要求需要选择不同的模型。
同时，水电机组控制系统是一个复杂的非线性系统，模型和算法选取的正确与否应在实践中加以检验，正确、合理的仿真试验对实践才具有指导意义。
水轮发电机系统由水轮机、引水系统、调速系统、发电机及负荷等子系统组成，本文采用Matlab 软件作为仿真平台，建立了各子系统的多种精度模块化模型，以在仿真计算中根据水电站的具体特征以及不同的仿真工况和仿真目的进行选择。
1 水轮机调节系统的数学模型1.1 引水系统模型1.1.1 刚性水击模型一般在小扰动情况下，对简单直管路且管道长度小于600~800 m时，管壁及水体的弹性以及流动的摩擦阻力均可以忽略，此时可以认为是刚性水击，其传递函数为：W()()h s T sq s=−（1）式中: h为管道中水头的变化量；q为管道中瞬时水流量的变化量；轮机额T W为管道水流惯性时间常数；T W=LQ r/gFH r；L为管道长度；F为管路截面面积；Q r为水轮机额定流量；H r为水定水头；g为重力加速度。
1.1.2 弹性水击模型当引水管路较长时，管道及水体的弹性均不能忽略，此时弹性水击理论能更精确地描述管道动态曹程杰，等 基于Matlab 模块化模型的水轮发电机组仿真研究 - 69 -过程，在不考虑水力摩阻的情况下，由水力学原理中的动力方程和连续方程可以导出弹性水击方程：r W22r 33r r W22r 33r r W2244r r ()1()181()241()181()2411()18384T s h s h q s T s T s T s h s h q s T s T s T s h s h q s T s T s =−++=−++=−++ （2） 式中：T r 为水锤压力波反射时间，即水锤相长；T r = 2L /c ，c 为压力水波速，对于钢管c =1 220 m/s ，对于混凝土管道c =1 420 m/s ；h w 为管道特征系数，h w =T w /T r 。
上述3式均为弹性压力引水管道传递函数的表达式，可根据工程需要采用。
项数取得越多，计算精度就越高，但计算的复杂性也增加了，甚至可能造成数值不稳定。
1.2 水轮机模型1.2.1 非线性水轮机模型水轮机是一个复杂的非线性系统，流量和力矩是水轮机的两个重要参数，目前为止水轮机流量和力矩与其他参数之间的关系尚不能用解析法表示，因此，较通用的方法仍是以水轮机模型特性曲线为基础，采用数表或曲线的形式将水轮机流量和力矩表达为导叶开度、转速、水头的函数：(,,)(,,)M M a H n Q Q a H n == （3）式中：M 为力矩；Q 为流量；a 为导叶开度；H 为水头；n 为转速。
原型水轮机主要参数与模型机单位参数之间关系如下：'211'1'11119.81t Q M D H n Q Q Dn n D η===（4）式中：n 1′、Q 1′分别为模型水轮机单位转速、单位流量；n 、Q 、H 、D 1为原型水轮机转速、流量、水头及转轮直径。
1.2.2 线性水轮机模型当水轮机各参数在小范围内变动时，水轮机特性可以用线性的水轮机力矩方程和流量方程来表示，其中具有单一调节机构的水轮机线性模型可表示为：t x y h qx qy qh m e x e y e h q e x e y e h=++=++ （5）式中：q 、m t 、y 、x 、h 分别为流量、力矩、接力器行程、转速、水头的相对偏差；e qy 、e qx 、e qh 分别为流量对导叶开度、转速、水头的传递系数；e y 、e x 、e h 分别为力矩对导叶开度、转速、水头的传递系数。
水轮机传递系数可利用水轮机模型综合特性曲线进行计算，如图1所示。
首先在图上确定稳态工作点0，然后在其周围取1、2、3、4点。
其中1、2点在等单位流量线上，而3、4点在等开度线上。
于是可以读出各点的Q 11i 、n 11i 、ηi 、a i 等参数，同时可计算出各点的力矩M i 、水头H i （i =1、2、3、4）。
传递系数可按式（6）计算。
n n 11a m图1 由综合特性曲线计算传递系数 Fig.1 Calculating transfer coefficient according tosynthetic characteristic curvet t 21r 21t t 43r 43r t t 43r 43r21r 21M 43r 43r 43r 4()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/(y M x h qy qx qh m m M M M e y y a a a m m M M M e x x n n n m m M M M e h h n n n Q Q Q q q e y y a a a Q Q Q q q e x x n n n Q Q Q q q e hh H ∂Δ−=≈=∂Δ−∂Δ−=≈=∂Δ−∂Δ−=≈=∂Δ−−∂Δ=≈=∂Δ−−∂Δ=≈=∂Δ−−∂Δ=≈=∂Δ3r)/H H −（6）式中：3111011311r r r 1r 11r311193740(N m)123493740(N m)/s)1234i i i ii i Q M D H i n Q M D H n Q Q D i ηη===== ,,,,,,- 70 - 电力系统保护与控制3r11r1111120111/s)(l/min)34(l/min)()34iriiQ Q Dn n D in n Dn DH in======,,（7）1.2.3 经典水轮机模型如果假定水轮机理想无损，即效率为常数，在额定工况点下运行，并忽略水轮机转速的影响，则可以得到理想水轮机传递函数：WW1()10.5T sG sT s−=+（8）1.3 调速系统模型1.3.1 PID调节模块国内数字式电液调节器都采用并联PID结构，其传递函数为：I DPID Pd()1K K sG s Ks T s=+++（9）式中：K p、K I、K D为比例、积分、微分增益；T d为暂态反馈时间常数。
1.3.2 液压随动模块调速器输出的控制信号经过液压转换器变成液压信号，再经过引导阀、主配压阀逐级放大，最后推动主接力器动作，带动水轮机导叶开启或关闭。
这部分通常是一个随动系统，其传递函数为：1()1yY sT s=+（10）式中：T y为接力器时间常数。
如对仿真精度有较高要求时，则根据不同的仿真工况，还应考虑液压随动系统死区、接力器输出限幅、齿隙特性等非线性因素。
1.4 发电机及负荷模型1.4.1 一阶简化模型单机孤网运行时，仅考虑转速变化的情况下，可采用一阶简化发电机及负荷模型，传递函数为：La n1()G sT s e=+（11）式中：T a为机组和负载惯性时间常数；e n为水轮发电机组综合自调节系数。
1.4.2 E q′恒定二阶模型当仿真计算需要考虑发电机输出功率P e时，可采用暂态电势E′q恒定的二阶经典模型，该模型对象为单机无穷大容量系统，且假设机组暂态电势E′q在扰动期间保持恒定，不计及阻尼绕组的作用：000m m00e''2q S d qse''d d qΣ'd d t lq q t l()sin()sin22DP P PH H H HE V x xVPx x xx x x xx x x xδωωωωωωωωδδΣΣΣΣ⎧=−⎪⎨=+−−−⎪⎩−=−=++=++（12）式中：δ为功角；ω、ω0分别为发电机角速度和同步角速度；P m为输入机械功率；P m0为机械功率初始稳态值；P e为发电机输出电磁功率；H为机械转动惯量；D为阻尼系数；V s为发电机机端电压；x′d、x q、x t、x l分别为发电机d轴暂态电抗、q轴同步电抗、变压器短路电抗、输电线路电抗；x′d∑为系统d轴总暂态电抗，x q∑为系统q轴总电抗；E′q为发电机q轴暂态电势。
