基于PID控制的同步发电机励磁系统Simulink仿真模型

资 源 简 介

该项目旨在通过MATLAB/Simulink环境构建一个完整的同步发电机励磁系统动态模型，用于研究和评估发电机在并网或独立运行条件下的电压调节性能。系统的核心功能是通过PID（比例-积分-微分）控制器对发电机的机端电压进行实时反馈控制。

详 情 说 明

基于PID控制的同步发电机励磁系统动态仿真项目

项目介绍

本项目通过MATLAB环境实现了一个同步发电机励磁系统的动态物理模型。该系统模拟了同步发电机在并入无穷大电网运行时的电压调节过程，核心采用PID（比例-积分-微分）控制器来自动调整励磁电压，确保发电机机端电压在面对参考电压变化或电网结构扰动时能够保持稳定。模型涵盖了电力系统分析中典型的四阶同步发电机数学模型、自动电压调节器（AVR）以及电力网络等效阻抗。

功能特性

1. 完整动力学建模：包含了发电机的功角动力学、转速变化、暂态电动势演变以及励磁系统响应。
2. 双重扰动模拟：支持在仿真过程中引入电压参考值阶跃突变（模拟运行目标调整）和线路电抗突变（模拟负荷波动或电网故障）。
3. PID闭环控制：利用实时反馈的机端电压误差，通过PID算法生成控制信号，动态调节励磁机输出。
4. 高精度数值计算：采用四阶龙格-库塔算法（RK4）进行微分方程组的数值求解，保证了复杂动态过程的收敛性与准确性。
5. 综合性能评估：自动计算并展示电压超调量、调节时间和稳态误差等关键动态指标。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：通用计算机即可，具备基本的矩阵运算处理能力。

详细实现逻辑

系统仿真遵循以下逻辑流程：

1. 参数初始化：系统采用标幺值制（pu），定义了发电机的惯性常数、阻尼系数、直轴/交轴电抗及时间常数。同时设定了AVR的增益与时间常数，以及PID控制器的三个核心参数（Kp、Ki、Kd）。
2. 初始稳态计算：基于预设的机端电压参考值、有功功率和无功功率，通过向量运算推导出初始功角、暂态电动势和励磁电压的初值，确保仿真从稳定点开始。
3. 动态迭代循环：

* 时间步长处理：在10秒的仿真时间内，以0.001秒为步长进行迭代。 * 扰动注入：在仿真到达2秒时，将参考电压从1.0pu提升至1.05pu；在5秒时，增加等效电抗（Xe）以模拟电网负载加重的场景。 * 坐标变换与代数求解：将系统变量转换至dq轴坐标系，实时计算定子电流（Id、Iq）和机端电压（Vt）。 * 控制算法执行：计算当前电压误差，通过离散积分和差分算法实现PID控制逻辑，输出控制信号至励磁模型。

1. 微分方程求解：在每个步长内通过四阶龙格-库塔法协同调用动力学方程，更新功角、转速、暂态电势和励磁电势四个状态变量。
2. 结果处理：收集全时段的数据，自动计算2秒参考电压阶跃后的各项性能指标。

关键算法与实现细节分析

同步发电机四阶模型 模型包含了转子运动方程（功角和转速）以及转子绕组动态（暂态电势和励磁电势）。其中考虑了直轴暂态过程，使得仿真能够反映电压调节的亚暂态特征。

AVR与励磁限幅 励磁系统被模拟为一阶环节，具备惯性响应特征。为了符合工程实际，代码中加入了硬限幅处理逻辑：当励磁电压达到设定的上下限（+6.0/-6.0 pu）且变化趋势超出边界时，强制停止积分。

PID离散化控制 PID控制器通过软件逻辑实现。比例部分负责快速响应，积分部分通过累加误差消除稳态偏差，微分部分通过斜率预测抑制震荡。这种实现方式模拟了数字控制器在发电机励磁系统中的工作过程。

网络方程代数求解 在每个积分步骤中，利用代数方程关联机端电压与无穷大系统电压。通过计算d、q轴上的电压降，动态还原出发电机机端电压的幅值，作为反馈信号返回给PID控制器。

可视化输出体系 项目最终生成的图形窗口包含六个维度：

• 机端电压响应曲线（展示电压调节过程）。
• 励磁电压演变曲线（展示控制器输出）。
• 发电机转速偏差（反映功角稳定性）。
• 有功与无功功率输出（展示功率交换）。
• 暂态电动势变化。
• 自动生成的文本形式性能评估报告。