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2.2 从 Simscape Electrical 和 Power System Toolbox 库中拖拽模块
2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)
2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)
项目实施步骤:创建和搭建智能配电网模型
1. 创建 Simulink 项目
1.1 打开 MATLAB 并启动 Simulink
- 启动 MATLAB:双击桌面上的 MATLAB 图标或通过命令行启动 MATLAB。
- 启动 Simulink:在 MATLAB 命令窗口中输入
simulink
或点击 MATLAB 主界面中的 "Simulink" 按钮,启动 Simulink 库浏览器。
1.2 创建新的 Simulink 项目文件夹
- 选择项目路径:在 MATLAB 主界面中,点击 "Home" 选项卡下的 "New > Project",选择 "Blank Project"。
- 设置项目名称和路径:为项目命名(例如
SmartDistributionGrid_Project
),并选择一个合适的文件夹路径用于存放项目文件。 - 创建项目:点击 "Create" 按钮,MATLAB 将自动创建一个新的 Simulink 项目,并打开项目管理器窗口。
1.3 组织项目文件结构
- 创建子文件夹:在项目管理器中,右键点击 "Project Files",选择 "New Folder",创建以下子文件夹:
Models
:用于存放 Simulink 模型文件(.slx
)。Scripts
:用于存放 MATLAB 脚本文件(.m
),如仿真参数设置、数据导入等。Data
:用于存放外部数据文件,如负载曲线、天气数据、电价数据等。Results
:用于存放仿真结果文件,如图表、日志文件等。
2. 搭建电力系统模型
2.1 打开新的 Simulink 模型窗口
- 新建模型:在 Simulink 库浏览器中,点击 "File > New > Model",或者直接点击库浏览器左下角的 "New Model" 按钮,创建一个新的空白模型窗口。
- 保存模型:将模型保存到
Models
文件夹中,命名为SmartDistributionGrid.slx
。
2.2 从 Simscape Electrical 和 Power System Toolbox 库中拖拽模块
2.2.1 配电网拓扑结构
- 变电站(Substation):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements
中拖拽Three-Phase Transformer
模块到模型窗口中,模拟变电站的变压器。 - 设置变压器的参数,如额定功率、电压等级、短路阻抗等。
- 从
- 馈线(Feeder):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements
中拖拽Three-Phase Line
模块到模型窗口中,模拟馈线。 - 设置馈线的长度、电阻、电感等参数。
- 从
- 开关站(Switchgear):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements
中拖拽Three-Phase Breaker
模块到模型窗口中,模拟开关站。 - 设置开关的动作时间、过流保护阈值等参数。
- 从
2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)
-
光伏发电系统(PV System):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Renewable Energy Sources
中拖拽Photovoltaic (Phovoltaic)
模块到模型窗口中。 - 设置光伏阵列的参数,如峰值功率、光照强度、温度系数等。
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics
中拖拽Three-Phase Inverter
模块,将光伏系统的直流输出转换为交流电,连接到配电网。
- 从
-
风力发电系统(Wind Turbine System):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Renewable Energy Sources
中拖拽Wind Turbine Generator
模块到模型窗口中。 - 设置风力发电机的参数,如额定功率、风速特性等。
- 直接将风力发电机的交流输出连接到配电网。
- 从
-
储能系统(Battery Storage System):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Electrical Sources
中拖拽Battery
模块到模型窗口中。 - 设置电池的参数,如容量、初始荷电状态(SOC)、充放电效率等。
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics
中拖拽Bidirectional DC-AC Converter
模块,实现电池与配电网之间的双向能量流动。
- 从
2.2.3 负荷(Load)
-
恒定功率负荷(Constant Power Load, CPL):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements
中拖拽Three-Phase Programmable Resistor
模块到模型窗口中,模拟恒定功率负荷。 - 设置负荷的功率需求,可以使用
Step
或Signal Builder
模块来模拟时变负荷。
- 从
-
时变负荷(Time-Varying Load):
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements
中拖拽Three-Phase Dynamic Load
模块到模型窗口中,模拟时变负荷。 - 使用
From Workspace
或From File
模块导入实际的负荷曲线数据,控制负荷的动态变化。
- 从
2.2.4 智能电表(Smart Meters)
-
电流和电压测量:
- 从
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Sensors and Measurements
中拖拽Current Measurement
和Voltage Measurement
模块到模型窗口中,实时监测用户的用电情况。 - 将测量结果通过
To Workspace
或Scope
模块输出,便于后续分析。
- 从
-
通信接口:
- 使用
MATLAB Function
或Stateflow
模块模拟智能电表与中央控制系统之间的通信,传输测量数据和控制指令。
- 使用
2.2.5 控制器(Controller)
-
需求响应控制器(Demand Response Controller):
- 使用
Stateflow
或MATLAB Function
模块设计需求响应逻辑,根据实时电价或电网状态,调整用户的用电行为。 - 例如,当电网负荷过高时,可以通过提高电价或直接控制某些非关键负荷(如空调、热水器等),减少高峰时段的用电量。
- 使用
-
故障检测与恢复控制器(Fault Detection and Recovery Controller):
- 使用
Relay
模块模拟继电保护装置,检测配电网中的短路、过载等故障。 - 当检测到故障时,自动断开相关馈线段,隔离故障区域。
- 使用
Optimization Toolbox
实现最优恢复策略,选择最短路径恢复供电,减少停电范围和时间。
- 使用
-
优化调度控制器(Optimization Scheduler):
- 设计一个能量管理系统(EMS),负责协调分布式能源、储能系统和负荷之间的能量分配。
- 优化目标可以是最大化可再生能源利用率、最小化购电成本、保持电压和频率稳定等。
- 使用
Optimization Toolbox
或Reinforcement Learning Toolbox
实现优化算法,动态调整各电源的输出功率和储能系统的充放电策略。
3. 连接和配置模型
-
连接各个模块:使用 Simulink 的连线工具,将各个模块按照配电网的拓扑结构进行连接。确保电源、负荷、控制器之间的电气连接正确无误。
-
设置仿真参数:在 Simulink 模型窗口中,点击 "Simulation > Model Configuration Parameters",设置仿真时间、采样时间、求解器类型等参数。
- 仿真时间:设定为 24 小时,模拟一天内的电力供需变化。
- 采样时间:根据系统的动态特性,选择合适的采样时间(如 0.001 秒)以确保仿真精度。
- 求解器类型:选择
ode23tb
或ode15s
等适合电力系统的 stiff 求解器,确保仿真稳定性。
-
导入外部数据:使用
From Workspace
或From File
模块导入外部数据,如负载曲线、天气数据、电价数据等。确保数据格式正确,并与仿真时间同步。
4. 运行仿真
- 启动仿真:点击 Simulink 模型窗口中的 "Run" 按钮,开始仿真。观察模型的运行情况,记录关键数据(如功率、电压、频率、电池 SOC、负荷曲线等)。
- 保存仿真结果:使用
To Workspace
或To File
模块将仿真结果保存到Results
文件夹中,便于后续分析。
5. 分析结果
- 绘制仿真结果图表:使用 MATLAB 的数据分析工具(如
plot
、subplot
等)绘制仿真结果图表,直观展示配电网的运行状态。 - 评估性能指标:分析配电网的功率平衡、电压和频率稳定性、故障恢复时间、需求响应效果、优化调度效果等指标,验证系统的性能是否符合预期。
- 调整和优化:根据仿真结果,识别系统中的薄弱环节,提出改进建议。例如,可以增加储能系统的容量、优化控制器算法、引入更多的分布式能源等。重新运行仿真,验证改进措施的效果。
6. 优化与改进
- 多代理系统(MAS):引入多代理系统技术,模拟多个智能电表、控制器和分布式能源之间的协同工作,实现更复杂的优化调度和故障恢复策略。
- 电动汽车充电站(EV Charging Stations):在配电网中加入电动汽车充电站,模拟电动汽车的充电行为,并研究其对配电网的影响。通过智能充电管理,优化电动汽车的充电时间和功率,减少对配电网的冲击。
- 微电网集成:将多个微电网集成到配电网中,形成一个更大规模的智能电网系统。研究微电网与配电网之间的互动,优化能量分配和故障恢复策略。
- 硬件在环(HIL)仿真:使用 Simulink 的 HIL 功能,将仿真模型与实际硬件(如智能电表、控制器、逆变器等)连接起来,进行实时测试和验证。
代码示例:
以下是一个详细的代码实现示例,涵盖了从模型搭建到仿真的全过程。
1. 创建 Simulink 项目
1.1 打开 MATLAB 并启动 Simulink
matlab
深色版本
% 启动 MATLAB 和 Simulink
simulink; % 启动 Simulink 库浏览器
1.2 创建新的 Simulink 项目文件夹
matlab
深色版本
% 创建新的 Simulink 项目
projectName = 'SmartDistributionGrid_Project';
projectPath = 'C:\Your\Project\Path'; % 替换为你的项目路径
newProject(projectPath, projectName);
1.3 组织项目文件结构
matlab
深色版本
% 创建子文件夹
mkdir(fullfile(projectPath, 'Models'));
mkdir(fullfile(projectPath, 'Scripts'));
mkdir(fullfile(projectPath, 'Data'));
mkdir(fullfile(projectPath, 'Results'));
2. 搭建电力系统模型
2.1 新建 Simulink 模型
matlab
深色版本
% 新建 Simulink 模型并保存
modelName = 'SmartDistributionGrid';
new_system(modelName);
save_system(modelName, fullfile(projectPath, 'Models', [modelName '.slx']));
2.2 添加模块并连接
2.2.1 配电网拓扑结构
- 变电站(Substation):
- 添加
Three-Phase Transformer
模块。 - 设置变压器参数。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Transformer', [modelName '/Transformer']);
set_param([modelName '/Transformer'], 'Power', '100e6', 'PrimaryVoltage', '110e3', 'SecondaryVoltage', '11e3', 'ShortCircuitZ', '0.1');
- 馈线(Feeder):
- 添加
Three-Phase Line
模块。 - 设置馈线参数。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Line', [modelName '/Feeder']);
set_param([modelName '/Feeder'], 'Length', '5', 'R', '0.1', 'L', '0.5e-3', 'C', '10e-9');
- 开关站(Switchgear):
- 添加
Three-Phase Breaker
模块。 - 设置开关参数。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Breaker', [modelName '/Breaker']);
set_param([modelName '/Breaker'], 'BreakTime', '0.1', 'MakeTime', '0.2', 'Threshold', '1.1');
2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)
- 光伏发电系统(PV System):
- 添加
Photovoltaic
模块。 - 设置光伏参数。
- 添加
Three-Phase Inverter
模块进行 DC-AC 转换。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Renewable Energy Sources/Photovoltaic', [modelName '/PV']);
set_param([modelName '/PV'], 'Pmpp', '10e3', 'Voc', '400', 'Isc', '25');
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Power Electronics/Three-Phase Inverter', [modelName '/Inverter']);
set_param([modelName '/Inverter'], 'ModulationIndex', '0.9', 'CarrierFrequency', '1e3');
- 风力发电系统(Wind Turbine System):
- 添加
Wind Turbine Generator
模块。 - 设置风力发电机参数。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Renewable Energy Sources/Wind Turbine Generator', [modelName '/WindTurbine']);
set_param([modelName '/WindTurbine'], 'RatedPower', '500e3', 'CutInSpeed', '3', 'CutOutSpeed', '25');
- 储能系统(Battery Storage System):
- 添加
Battery
模块。 - 设置电池参数。
- 添加
Bidirectional DC-AC Converter
模块进行双向能量流动。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Electrical Sources/Battery', [modelName '/Battery']);
set_param([modelName '/Battery'], 'NominalCapacity', '100e3', 'InitialSOC', '0.5', 'Efficiency', '0.9');
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Power Electronics/Bidirectional DC-AC Converter', [modelName '/DCACConverter']);
set_param([modelName '/DCACConverter'], 'ModulationIndex', '0.9', 'CarrierFrequency', '1e3');
2.2.3 负荷(Load)
- 恒定功率负荷(Constant Power Load, CPL):
- 添加
Three-Phase Programmable Resistor
模块。 - 设置负荷参数。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Programmable Resistor', [modelName '/Load']);
set_param([modelName '/Load'], 'Power', '50e3');
- 时变负荷(Time-Varying Load):
- 添加
Three-Phase Dynamic Load
模块。 - 使用
From Workspace
模块导入实际的负荷曲线数据。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Dynamic Load', [modelName '/DynamicLoad']);
set_param([modelName '/DynamicLoad'], 'Power', '50e3');
% 导入负荷曲线数据
loadCurve = timeseries(rand(1, 1000) * 50e3, (0:0.1:99.9)');
assignin('base', 'loadCurve', loadCurve);
add_block('simulink/Sources/From Workspace', [modelName '/LoadCurve']);
set_param([modelName '/LoadCurve'], 'VariableName', 'loadCurve', 'SampleTime', '0.1');
connect_blocks([modelName '/LoadCurve'], [modelName '/DynamicLoad']);
2.2.4 智能电表(Smart Meters)
- 电流和电压测量:
- 添加
Current Measurement
和Voltage Measurement
模块。 - 将测量结果输出到工作区。
- 添加
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Sensors and Measurements/Current Measurement', [modelName '/CurrentMeasurement']);
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Sensors and Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/VoltageMeasurement']);
add_block('simulink/Sinks/To Workspace', [modelName '/CurrentToWorkspace']);
set_param([modelName '/CurrentToWorkspace'], 'VariableName', 'currentData');
add_block('simulink/Sinks/To Workspace', [modelName '/VoltageToWorkspace']);
set_param([modelName '/VoltageToWorkspace'], 'VariableName', 'voltageData');
connect_blocks([modelName '/CurrentMeasurement'], [modelName '/CurrentToWorkspace']);
connect_blocks([modelName '/VoltageMeasurement'], [modelName '/VoltageToWorkspace']);
- 通信接口:
- 使用
MATLAB Function
模块模拟智能电表与中央控制系统之间的通信。
- 使用
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/SmartMeterComm']);
set_param([modelName '/SmartMeterComm'], 'Function', 'function output = SmartMeterComm(current, voltage)
% 模拟智能电表与中央控制系统之间的通信
output = [current, voltage];
end');
connect_blocks([modelName '/CurrentToWorkspace'], [modelName '/SmartMeterComm']);
connect_blocks([modelName '/VoltageToWorkspace'], [modelName '/SmartMeterComm']);
2.2.5 控制器(Controller)
- 需求响应控制器(Demand Response Controller):
- 使用
Stateflow
模块设计需求响应逻辑。
- 使用
matlab
深色版本
add_block('stateflow/Chart', [modelName '/DemandResponseController']);
edit([modelName '/DemandResponseController']); % 打开 Stateflow 编辑器
% 在 Stateflow 中定义状态机
% 例如:根据实时电价调整负荷
% 状态1:正常运行
% 状态2:高电价时减少负荷
% 状态3:低电价时增加负荷
- 故障检测与恢复控制器(Fault Detection and Recovery Controller):
- 使用
Relay
模块检测故障。 - 使用
Optimization Toolbox
实现最优恢复策略。
- 使用
matlab
深色版本
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Relay', [modelName '/FaultDetector']);
set_param([modelName '/FaultDetector'], 'Threshold', '1.1', 'Delay', '0.1');
% 使用 Optimization Toolbox 实现最优恢复策略
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/FaultRecovery']);
set_param([modelName '/FaultRecovery'], 'Function', 'function output = FaultRecovery(faultSignal)
% 实现最优恢复策略
if faultSignal > 0
% 执行恢复操作
output = 1;
else
output = 0;
end
end');
connect_blocks([modelName '/FaultDetector'], [modelName '/FaultRecovery']);
- 优化调度控制器(Optimization Scheduler):
- 使用
Optimization Toolbox
实现优化算法。
- 使用
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/OptimizationScheduler']);
set_param([modelName '/OptimizationScheduler'], 'Function', 'function [pvPower, windPower, batteryPower] = OptimizationScheduler(load, pvAvailable, windAvailable, batterySOC)
% 优化目标:最小化购电成本,最大化可再生能源利用率
% 使用 fmincon 或其他优化函数
options = optimoptions('fmincon', 'Display', 'off');
[pvPower, windPower, batteryPower] = fmincon(@objectiveFunction, [0, 0, 0], [], [], [], [], [0, 0, 0], [pvAvailable, windAvailable, batterySOC], options, load);
function cost = objectiveFunction(x)
% 定义优化目标函数
cost = -x(1) - x(2) + 0.1 * (batterySOC - x(3))^2;
end
end');
connect_blocks([modelName '/Load'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
connect_blocks([modelName '/PV'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
connect_blocks([modelName '/WindTurbine'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
connect_blocks([modelName '/Battery'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
3. 连接和配置模型
- 连接各个模块:
- 使用
connect_blocks
函数连接各个模块。
- 使用
matlab
深色版本
connect_blocks([modelName '/Transformer'], [modelName '/Feeder']);
connect_blocks([modelName '/Feeder'], [modelName '/Breaker']);
connect_blocks([modelName '/Breaker'], [modelName '/Load']);
connect_blocks([modelName '/Breaker'], [modelName '/DynamicLoad']);
connect_blocks([modelName '/Inverter'], [modelName '/Feeder']);
connect_blocks([modelName '/WindTurbine'], [modelName '/Feeder']);
connect_blocks([modelName '/DCACConverter'], [modelName '/Feeder']);
- 设置仿真参数:
- 设置仿真时间、采样时间、求解器类型等。
matlab
深色版本
set_param(modelName, 'StopTime', '86400'); % 24小时
set_param(modelName, 'Solver', 'ode23tb'); % 选择适合电力系统的 stiff 求解器
set_param(modelName, 'FixedStep', '0.001'); % 设置固定步长
4. 运行仿真
- 启动仿真:
- 运行仿真并保存结果。
matlab
深色版本
sim(modelName); % 启动仿真
- 保存仿真结果:
- 将仿真结果保存到
Results
文件夹中。
- 将仿真结果保存到
matlab
深色版本
save(fullfile(projectPath, 'Results', 'SimulationResults.mat'), 'currentData', 'voltageData');
5. 分析结果
- 绘制仿真结果图表:
- 使用 MATLAB 的绘图工具绘制仿真结果。
matlab
深色版本
figure;
subplot(2, 1, 1);
plot(currentData.Time, currentData.Data);
title('Current Data');
xlabel('Time (s)');
ylabel('Current (A)');
subplot(2, 1, 2);
plot(voltageData.Time, voltageData.Data);
title('Voltage Data');
xlabel('Time (s)');
ylabel('Voltage (V)');
- 评估性能指标:
- 计算功率平衡、电压和频率稳定性、故障恢复时间等性能指标。
matlab
深色版本
% 计算功率平衡
totalPower = sum(currentData.Data .* voltageData.Data, 2);
% 计算电压波动范围
voltageRange = max(voltageData.Data) - min(voltageData.Data);
% 计算故障恢复时间
faultRecoveryTime = find(diff(faultSignal) == -1, 1) * 0.001;
disp(['Total Power: ', num2str(mean(totalPower))]);
disp(['Voltage Range: ', num2str(voltageRange)]);
disp(['Fault Recovery Time: ', num2str(faultRecoveryTime), ' seconds']);
6. 优化与改进
-
多代理系统(MAS):
- 引入多代理系统技术,模拟多个智能电表、控制器和分布式能源之间的协同工作。
- 使用
MATLAB Function
或Stateflow
实现多代理系统的逻辑。
-
电动汽车充电站(EV Charging Stations):
- 在配电网中加入电动汽车充电站,模拟电动汽车的充电行为。
- 使用
From Workspace
模块导入电动汽车的充电需求数据。 - 通过智能充电管理,优化电动汽车的充电时间和功率。
-
微电网集成:
- 将多个微电网集成到配电网中,形成一个更大规模的智能电网系统。
- 研究微电网与配电网之间的互动,优化能量分配和故障恢复策略。
-
硬件在环(HIL)仿真:
- 使用 Simulink 的 HIL 功能,将仿真模型与实际硬件(如智能电表、控制器、逆变器等)连接起来,进行实时测试和验证。
总结
通过上述步骤,您可以逐步创建和搭建一个完整的智能配电网模型,并对其进行仿真和优化。Simulink 提供了强大的建模和仿真工具,使得电力系统工程师能够快速构建复杂的配电网模型,进行各种工况下的仿真分析,从而为实际工程应用提供有力支持。智能配电网的建设不仅有助于提高电力系统的可靠性和效率,还能促进可再生能源的广泛应用,推动能源转型和可持续发展。