柴油发电机组单体仿真与微电网并网模型

资 源 简 介

该项目构建了一个精细化的柴油发电机组单体仿真模型，专门用于微电网系统的研究作为重要的分布式电源模块。模型包含了柴油机动力系统、同步发电机系统、励磁调节系统（AVR）以及调速系统（GOV）。它能够模拟柴油发电机在孤岛运行模式下的电压和频率稳定性，同时也具备与50Hz大电网进行准同期并网的功能。模型详细刻画了燃油执行器、发动机转速动力学、电枢绕组电磁过程等动态特性。应用场景涵盖了微电网黑启动研究、分布式电源波动补偿、孤岛微电网频率支撑以及电网故障下的暂态响应分析。该模型不仅可以作为独立的动力单元进行参数敏感性

详 情 说 明

柴油发电机组单体仿真与微电网并网模型项目说明文档

一、 项目介绍

本项目实现了一个精细化的柴油发电机组动态仿真模型，旨在模拟分布式电源在微电网系统中的运行特性。模型集成了原动机动力特性、发电机电磁特性及自动化控制系统，能够真实反映机组在孤岛运行、负载扰动以及与大电网准同期并网全过程中的电压、频率和功率的动态响应。该模型为微电网的频率支撑、黑启动及协调控制策略研究提供了可靠的单元级仿真基础。

二、 功能特性

1. 全过程模拟：支持从孤岛恒压恒频运行到准同期自动并网切换的全流程仿真。
2. 调控系统建模：内置调速系统（GOV）和励磁调节系统（AVR），实现对频率和电压的闭环控制。
3. 动态负载响应：具备模拟突加/突减负载的能力，用于评估机组的暂态稳定性及抗扰动能力。
4. 准同期并网逻辑：模型包含自动检测电压差、频率差和相位差的同期捕捉环节。
5. 标幺值计算：所有物理量均采用标幺值（pu）进行计算，方便参数敏感性分析及系统级扩展。

三、 使用方法

1. 环境准备：确保安装了 MATLAB 环境（建议使用 R2016b 及以上版本）。
2. 参数配置：在脚本最前方的“系统参数设置”部分，可根据实际研究需求修改发电机电抗、惯性常数、控制器增益等参数。
3. 运行仿真：直接运行主脚本，程序将自动执行跨度为 15 秒的时域仿真，并自动生成包含 6 个维度的可视化结果图表。
4. 结果分析：通过生成的图形观察 3 秒时负载突增后的波动情况，以及 7 秒后并网过程中的准同期判定逻辑和功率平稳过渡。

四、 系统要求

1. 软件环境：MATLAB (包含基础工具箱)。
2. 基础知识：具备电力系统暂态分析、控制理论及标幺值计算的基础。
3. 硬件性能：常规电脑即可满足 1ms 步长下的实时计算需求。

五、 实现逻辑说明

仿真模型遵循以下核心逻辑构建：

1. 状态初始化：设定发电机初始转子角、转数及各控制器初值。
2. 时间步进循环：采用 1ms 的固定步长进行欧拉法离散化求解。
3. 运行模式切换逻辑：

- 0s - 7s：孤岛模式。通过负载阻抗模型结合发电机电磁方程，计算定子电流 id 和 iq。在 3s 时触发负载阶跃事件（0.2pu 增至 0.5pu）。 - 7s 以后：并网检测模式。实时计算发电机端电压与电网参考电压的幅值差、频率差和相位差。当三者同时低于设定门限（0.05pu, 0.1Hz, 0.1rad）时，触发并网标志。 - 并网后：切换为无穷大电网模型，由电网电压矢量和功角（delta）共同决定定子电流。

1. 动力学方程求解：每一时刻均重新计算各阶微分方程的导数，包括由于功率差引起的转子加减速、由励磁电压引起的暂态电势变化等。
2. 数据实时采样：记录所有关键物理量用于后续绘图分析。

六、 关键算法与实现细节

1. 同步发电机模型：

- 采用了简化的 dq 轴暂态模型。通过暂态电势 Eq' 动态刻画电枢绕组的电磁过程。 - 运动方程：实现了二阶转子运动方程（Swing Equation），考虑了惯性常数 H 和阻尼系数 D。

1. 调速系统 (GOV)：

- 采用二阶传递函数描述。第一级为执行器（Actuator）时间常数，第二级为柴油机本体（Engine）时滞特性。 - 反馈逻辑基于转速偏差调整燃油喷射指令 P_fuel，最终输出机械功率 Pm。

1. 励磁系统 (AVR)：

- 采用古典比例环节与时间延迟构成的调节器。 - 输入为机端电压与参考电压的偏差，输出为励磁电压 Efd。 - 实现了硬限位控制，确保励磁电压在 [0.0, 6.0] 标幺值范围内，模拟真实励磁机的物理特性。

1. 暂态计算：

- 电气量计算的核心在于根据运行模式转换代数方程。在孤岛模式下，将发电机等效为受控电压源接阻性/感性负载；在并网模式下，则转化为功角特性的功率流计算。 - 使用欧拉数值积分法更新状态变量，确保了在 1ms 步长下的数值稳定性。

1. 可视化模块：

- 提供多维度的监控图表，涵盖电压/频率时域曲线、有功/无功动态、控制变量（Pm/Efd）以及并网状态标志，直观呈现了系统的全特性演化过程。