1. 课程导入与仿真环境搭建

电力系统动态仿真的核心任务，是研究系统在扰动后各状态量随时间的变化过程。稳态分析回答“最终运行点在哪里”，动态仿真回答“从扰动发生到重新稳定，中间经历了什么”。例如同步发电机转子摇摆、励磁系统调压、原动机调速、逆变型电源锁相环动态、直流输电换相失败等，都属于典型的动态问题。若只做潮流计算，这些过程无法体现；若只做电磁暂态仿真，又难以在数十秒到数分钟尺度上观察机电动态。因此，动态仿真通常以“机电暂态”为主，关注秒级到分钟级的功角、频率、电压和功率变化。

MATLAB/Simulink 在电力系统分析中的定位，可以概括为“算法验证与动态建模的通用平台”。MATLAB 擅长矩阵运算、数据处理、脚本化批量仿真和结果可视化；Simulink 擅长以图形化方式搭建微分方程、控制环节和电力网络。两者结合后，既能用脚本批量修改参数、自动运行多次仿真，也能用示波器观察波形、用工作空间保存数据。对于本课程，重点不是把 MATLAB 当作潮流计算器，而是把它当作动态仿真的实验台：用脚本准备参数，用 Simulink 搭建模型，用 MATLAB 分析结果。

在开始建模前，需要先完成环境搭建。第一步是确认 MATLAB 版本与工具箱。电力系统动态仿真常用到 Simulink、Simscape Electrical（旧称 SimPowerSystems）、Control System Toolbox 和 Signal Processing Toolbox。若只做基础机电暂态，Simulink 与 Simscape Electrical 是必需项；若涉及控制器设计，Control System Toolbox 会明显提高效率。安装时可在 MATLAB 的“附加功能”中搜索并安装，安装完成后用 ver 命令检查。

ver
% 检查是否包含以下工具箱：
% Simulink
% Simscape
% Simscape Electrical
% Control System Toolbox

第二步是配置工作路径。建议为课程建立独立目录，例如 D:\MATLAB_PSD\chapter01，并在其中建立 models、scripts、data、results 四个子目录。模型文件放在 models，参数脚本放在 scripts，实测或算例数据放在 data，仿真输出放在 results。这样做的目的是避免路径混乱，也便于后续用脚本自动加载参数。

% 设置工作路径示例
projRoot = 'D:\MATLAB_PSD\chapter01';
addpath(fullfile(projRoot,'scripts'));
addpath(fullfile(projRoot,'models'));
addpath(fullfile(projRoot,'data'));
cd(projRoot);

第三步是验证环境是否可用。最直接的方法是在 Simulink 中新建一个空模型，拖入一个 Simscape Electrical 中的 RLC 支路或 Voltage Source，连接一个 Scope，设置仿真时间为 0.1 s，运行后观察波形。若波形正常显示，说明工具箱安装与路径配置均无问题。若出现“未定义函数或变量”或“无法加载模块库”，通常说明工具箱未安装或路径未加入搜索路径。

下面用一个最小示例说明“脚本准备参数—Simulink 搭建模型—MATLAB 分析结果”的闭环。假设一个单机无穷大系统，发电机惯性时间常数 H = 5 s，阻尼系数 D = 2，初始功角 delta0 = 30°，机械功率 Pm = 0.8 p.u.，电磁功率系数 K = 1.2。在 MATLAB 脚本中定义参数：

H = 5; D = 2; delta0 = deg2rad(30);
Pm = 0.8; K = 1.2;
sim('single_machine_model');
plot(tout, delta*180/pi);
xlabel('时间 t / s'); ylabel('功角 delta / °');
grid on;

运行后，若功角曲线在扰动后逐渐衰减并趋于新的稳态值，说明系统稳定；若功角持续增大或等幅振荡，则说明稳定裕度不足或阻尼偏弱。这里的关键不是记住某个数值，而是理解“参数—模型—波形—判断”的对应关系。后续章节会逐步展开发电机、励磁、调速、负荷和逆变型电源的详细建模。

需要特别说明的是，动态仿真中的“稳定”并不是一个绝对概念，而是相对于给定扰动和给定时间窗口而言。同样的系统，在小扰动下可能稳定，在大扰动下可能失稳；在 10 s 窗口内看似稳定，在 60 s 窗口内可能出现低频振荡。因此，仿真前必须明确扰动类型、故障持续时间、仿真时长和观察变量。后续章节会围绕这些要素逐步展开。

本章的最终目标，是让读者能够独立完成三件事：第一，确认 MATLAB/Simulink 及 Simscape Electrical 可用；第二，建立规范的课程工作目录；第三，运行一个最小单机无穷大模型并观察功角曲线。完成这三件事后，后续的发电机建模、励磁系统、调速系统和逆变型电源仿真才有稳定的实验基础。