【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)程序塊由輸入向量 ， 輸出向量以及表示狀態(tài)變量的向量等 3 個(gè)要素組成。在計(jì)算前 ， 需要初始化并賦初值 ， 程序塊按照需要更新的次序分類 ， 然后用 ODE 計(jì)算程序通過(guò)數(shù)值積分來(lái)模擬系統(tǒng)。MATLAN 含有大量的 ODE 計(jì)算程序 ， 有固定步長(zhǎng)的 ， 有可變步長(zhǎng)的 為求解復(fù)雜的系統(tǒng)提供了方便。 MATLAB 在電力系統(tǒng)建模和仿真的應(yīng)用主要由電力系統(tǒng)仿真模塊 SimPowerSystem 來(lái)完成的。 MATLAB 是將計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合在一起的功能強(qiáng)大的平臺(tái) ， 電 力系統(tǒng)仿真是將電力系統(tǒng)的模型化、數(shù)學(xué)化來(lái)模擬實(shí)際的電力系統(tǒng)的運(yùn)行 ， 由于電力系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) ， 運(yùn)行方式也十分復(fù)雜 ， 因此采用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行仿真計(jì)算工作量大 ，也不直觀。 MATLAB 的出現(xiàn)給電力系統(tǒng)仿真帶來(lái)了新的方法和手段。通過(guò) MATLAB 的 SimPowerSystem 的模塊對(duì)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行仿真 ， 從而說(shuō)明其在電力系統(tǒng)仿真中的運(yùn)用電力系統(tǒng)的仿真可以幫助人們通過(guò)計(jì)算機(jī)手段分析實(shí)際電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行情況 ， 通過(guò)故障仿真得出了相關(guān)的電壓穩(wěn)定性方面的結(jié)論 ， 從而證明了這種 仿真 的正確性和在分析應(yīng)用中的可行性 。 Simulink 中電力系統(tǒng)模塊庫(kù)簡(jiǎn)介 Simulink 是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具。它是 MATLAB 的一個(gè)附加組件，可用于實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)）的建模、分析和仿真。Simulink 對(duì)仿真的實(shí)現(xiàn)可以應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)、信息控制、通信設(shè)計(jì)、金融財(cái)會(huì)及生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的研究中。 Simulink 實(shí)際上提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借MATLAB 在科學(xué)計(jì)算上的天然優(yōu)勢(shì)，建立了從設(shè)計(jì)構(gòu)思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具的不足。它 可以使系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易且直觀，同時(shí)可以容易地改變輸入信號(hào)的形式，對(duì)仿真算法和仿真參數(shù)的選擇以及對(duì)輸出結(jié)果的處理基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 13 上也更加靈活自由 。 由于 Simulink 可以很方便地創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)完整的模型，評(píng)估不同算法和結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證系統(tǒng)性能，另外 Simulink 還可以與 MATLAB 中的 DSP 工具箱、信號(hào)處理工具箱以及通訊工具箱等聯(lián)合使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟硬件的接口，從而成為實(shí)用的控制軟件。 在 MATLAB 命令窗口鍵入 Simulink 命令 ，或單擊 MATLAB 工具欄中的 Simulink圖標(biāo)，則 可以打開(kāi) Simulink 模型庫(kù) 窗口 。 如圖 31 所示。 這一模型庫(kù)包括以下各個(gè)子模型庫(kù) :Sources(輸入源 )、 Siuk(輸出方式 )、 Discrete(離散時(shí)間模型 )、 Function amp。 Tables(功能列表 )、 Math(數(shù)學(xué)方法 )、 Signalsamp。System(信號(hào)或系統(tǒng) )、 Linear(線性環(huán)節(jié) )、 Nonlinear(非線性環(huán)節(jié) )、 Connections(連接及接口 )等。 圖 31 simulink 模型庫(kù) 在 MATLAB 命令窗口中鍵入 powerlib 命令，則打開(kāi)電力系統(tǒng)模塊庫(kù)，如圖 32 所示。還可以從 Simulink 模塊瀏覽窗口直接 啟動(dòng)。 該 模塊庫(kù)中有很多模塊組，主要有電源 元件 （ Electricial sources）、 線路 元件(Elements) 、電力電子 元件 (Power Electronics) 、電機(jī)元件 (Machines) 、 連接器元件（ Connectors）、電路測(cè)量?jī)x器（ Measurements）、附加元件（ Extras）、 演示 (Demos)、電力圖形用戶接口（ Powergui） 等，雙擊每一個(gè)圖標(biāo)都可以打開(kāi)一個(gè)模塊組。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 14 圖 32 電力系統(tǒng)模塊庫(kù) 1) 電源模塊 電源元件庫(kù)中包含 7 種電源元件， 如圖 33 所示， 分別是直流電壓 源（ DC Voltage Soures） 元件 、交流電壓源（ AC Voltage Soures） 元件 、交流電流源（ AC Current Soures）元件 、受控電壓源（ Controlled Voltage Soures） 元件 、受控電流源（ Controlled Current Soures） 元件 、三相電源（ 3phase Soures） 元件 和三相可編程電壓源（ 3phase Programmable Voltage Soures） 元件 。 圖 33 電源元件庫(kù) 2) 線路元件模塊 線路元件庫(kù)中包含了 各種線性網(wǎng)絡(luò)電路元件和非線性網(wǎng)絡(luò)電路元件。雙擊線路元件庫(kù)圖標(biāo)，彈出線路元件庫(kù)對(duì)話框，如圖 34 所示，圖中包含了 4 類線路元件，分別是支路（ Elements）元件、輸配電線路（ Lines）元件、斷路器（ Circult Breakers）元件和變壓器（ Transformers）元件。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 15 圖 34 線路元件庫(kù) 3 ) 電力電子元件庫(kù) 電力電子模塊庫(kù)包括理想開(kāi)關(guān) （ Ideal Switch） 、二極管（ Diode）、晶閘管（ Thyristor）、可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET）、絕緣門(mén)極晶體管（ IGBT）等模塊，此外還有 2 個(gè)附加的控制模塊組和一個(gè)整流橋，如圖 35 所示。 圖 35 電力電子元件 4 ) 電機(jī)元件庫(kù) 電機(jī)元件庫(kù)包括同步電機(jī)（ Synchronous Machines）、異步電機(jī)（ Asynchronous Machines）、直流電機(jī)（ DC Machines）、調(diào)節(jié)器（ Prime Movers and Regulators）和電機(jī)輸出測(cè)量分配器（ Machines Measurements）等。如圖 36 所示。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 16 圖 36 電機(jī)元件庫(kù) 5) 連接器元件 連接器模塊庫(kù)包括 10 個(gè)常用的連接器模塊，如圖 37 所示。 圖 37 連接器元件 6) 測(cè)量元件 測(cè)量元件庫(kù)包含電壓表、電流表、萬(wàn)用表和各種附加的子模塊等，如圖 38 所示。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 17 圖 38 測(cè)量元件庫(kù) 7） 附加和演示模塊 附加模塊包括了上述各元件庫(kù)中的附加元件，演示模塊主要提供一些演示實(shí)例。 8） 電力系統(tǒng)分析元件 電力系統(tǒng)分析元件模型是用來(lái)分析電路和電力系統(tǒng)的工具。 MATLAB 軟件提供的電力系統(tǒng)分析元件是一 種功能強(qiáng)大的電力系統(tǒng)分析工具，如圖 39 所示，使用電力系統(tǒng)分析工具可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的頻域分析，主要包括： 圖 39 電力系統(tǒng)分析元件 ① Powergui 模塊可以顯示系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的電流和電壓及電路所有的狀態(tài)變量值； ② 為了執(zhí)行仿真， Powergui 模塊允許修改初始狀態(tài)； 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 18 ③ Powergui 可以執(zhí)行負(fù)載潮流的計(jì)算，并且為了從穩(wěn)態(tài)時(shí)開(kāi)始仿真可以初始化包括三相電機(jī)在內(nèi)的三相網(wǎng)絡(luò)，三相電機(jī)的類型為簡(jiǎn)化的同步電機(jī)、同步電機(jī)或異步電機(jī)模塊； ④ 當(dāng)電路中出現(xiàn)阻抗測(cè)量模塊時(shí)， Powergui 也可以顯 示阻抗隨頻率變化的波形 ； ⑤ 如果用戶擁有控制工具箱， Powergui 模塊可以產(chǎn)生用戶自己系統(tǒng)的空間模塊，自動(dòng)打開(kāi) LTI 相對(duì)于時(shí)域和頻域的觀測(cè)器接口； ⑥ Powergui 可以產(chǎn)生擴(kuò)展名為 .rep 的結(jié)果報(bào)告文件，這個(gè)文件包含測(cè)量模塊、電源、非線性模塊等 系 統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)值 。 系統(tǒng)模型的建立 系統(tǒng)模型 如圖 310 所示。 圖 310 單機(jī) 無(wú)窮大系統(tǒng) 基于 simulink 的模型建立 simulink 模型建立主要包括以下元件：簡(jiǎn)化發(fā)電機(jī)、電壓 電流測(cè)量元件、斷路器、變壓器、輸電線路、 負(fù)載、短路故障發(fā)生器等， 搭建仿真模型如圖 311 所示。 圖 311 單機(jī) 無(wú)窮大系統(tǒng)仿真圖 設(shè)計(jì)流程 模塊選擇 1）從電機(jī)元件庫(kù)中選擇簡(jiǎn)化的同步電機(jī)元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中，如圖 312 所示 。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 19 步驟一：將簡(jiǎn)化的同步電機(jī)元件名稱改為： 簡(jiǎn)化發(fā)電機(jī)。 步驟二：雙擊簡(jiǎn)化的同步電機(jī)元件，在簡(jiǎn)化的同步電機(jī) （ Simplified Synchronous Machine SI Unit） 元件參數(shù)對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置，如圖所示 。 圖 312 簡(jiǎn)化同步電機(jī)模型及其參數(shù)對(duì)話框 設(shè)置參數(shù)如 下： 連接類型 （ connection type）： [3wire Y] 電機(jī)額定參數(shù) （ nominal power,LLvolt and freq）： [1000e6 315e3 50] 機(jī)械參數(shù)（ mechanical）： [56290 0 2] 內(nèi)部電阻（ Internal impedance）： [, ] 初始 狀態(tài) （ Initial condition）： [ 0 0 0 0 0 0 0 0 ] 步驟三：設(shè)置施于簡(jiǎn)化的同步電機(jī)上的功 率。 該機(jī)械功率使用一個(gè)常數(shù)發(fā)生器來(lái)設(shè)置，如圖 313 所示 將常數(shù)發(fā)生器元件名稱改為： 機(jī)械功率。 雙擊常數(shù)發(fā)生器元件，在參數(shù)對(duì)話框中將數(shù)值設(shè)為 700e6，作為機(jī)械功率值。 步驟四：設(shè)置電壓幅值 電壓幅值使用一個(gè)常數(shù)發(fā)生器來(lái)設(shè)置，如圖 313 所示， 將常數(shù)發(fā)生器的名稱改為 ：電壓幅值。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 20 將常數(shù)發(fā)生器數(shù)值改為 156e3 作為電壓幅值。 圖 313 常數(shù)發(fā)生器元件及參數(shù)對(duì)話框 2）從測(cè)量元件庫(kù)中選擇三相電壓 電流測(cè)量 （ 3phase VI Measurements） 元 件，復(fù)制后粘貼在電路圖中，如圖 314 所示，將三相電壓 電流測(cè)量元件名稱改為 ：發(fā)電機(jī)電壓 電流值。 圖 314 三相電壓 電流測(cè)量元件及參數(shù)對(duì)話框 雙擊三相電壓 電流測(cè)量元件，在三相電壓 電流測(cè)量元件參數(shù)對(duì)話框進(jìn)行如下設(shè)置： 電壓測(cè)量選項(xiàng)中包括 3 個(gè)選項(xiàng)，分別是不測(cè)量電壓 （ no ） 、測(cè)量相電壓（ phasetoground） 和測(cè)量線電壓 （ phasetophase） 。電流測(cè)量選項(xiàng)中有測(cè)量和不測(cè)量選項(xiàng)，在本例中選擇測(cè)量相電壓和測(cè)量電流選項(xiàng)。 單擊 OK 按鈕完成對(duì)電壓 電流測(cè)量元件的參數(shù)設(shè)置。 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 21 3）從線路元件庫(kù) 中選擇三相電路短路故障發(fā)生器元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中，如圖315 所示 。 步驟 一 ：雙擊三相電路短路故障發(fā)生器元件，在三相電路短路故障發(fā)生器元件參數(shù)對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置，如圖 315 所示。三相電路短路故障發(fā)生器元件參數(shù)對(duì)話框中包括 10 各選項(xiàng)，分別是故障相選擇（ Phase Fault）、故障點(diǎn)電阻（ Fault resistances Ron）、故障相接地（ Ground Fault）、外部控制（ Exeternal contorl of fault）、轉(zhuǎn)換狀態(tài)（ Transition status）、轉(zhuǎn)換時(shí)間（ Transition times）、內(nèi)部計(jì)時(shí)器的采樣時(shí)間（ Sample time of the Ts）、緩沖電阻（ Snubber resistance Rp ）、緩沖電容（ Snubber Capacitance Cp）和測(cè)量（ Measurements）。 圖 315 三相電路短路故障發(fā)生器及參數(shù)對(duì)話框 參數(shù)設(shè)置如下： 故障點(diǎn)電阻（ Fault resistances Ron）： 故障點(diǎn)接地電阻（ Ground resietances Rg）： 轉(zhuǎn)換狀態(tài)（ Transition status）： [ 1 0 ] 轉(zhuǎn)換時(shí)間（ Transition times）： [ ] 內(nèi)部計(jì)時(shí)器的采樣時(shí)間（ Sample time of the Ts）： 0 緩沖電阻（ Snubber resistance Rp）： 1e6 緩沖電容（ Snubber Capacitance Cp）： inf 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 22 測(cè)量（ Measurements）： 選擇不測(cè)量選項(xiàng) 單擊 OK 按鈕完成對(duì)三相電路短路故障發(fā)生器的設(shè)置。 步驟 二 ：同樣的方法設(shè)置 其他兩個(gè) 三相電路短路故障發(fā)生器 。 4） 從線路元件庫(kù)三相斷路器元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中，如圖 316 所示。 雙擊三相短路器元件，在三相短路器元件參數(shù)對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置，如圖 316 所示 。三相短路器元件參數(shù)對(duì)話框包含以下選項(xiàng)：初始狀態(tài)（ Initial status of breakers）；故障相選擇（ Switching of A、 B、 C）；轉(zhuǎn)換時(shí)間（ Transition time）；內(nèi)部計(jì)時(shí)器的采樣時(shí)間（ Sample