MATLAB及其在电气工程中的应用苏小林第八章.ppt

第8章 MATLAB在电力系统分析与 设计中的应用,8.1 电力系统仿真模型,正如在第6章所讲，在Simulink环境下进行动态系统仿真，首先需要在模型窗中利用Simulink模块库中所需的模块构建系统仿真模型，再设置仿真参数，然后启动仿真，待仿真结束后，对仿真结果进行分析电力系统仿真也是如此，首先需要将组成系统各元件的仿真模块复制到模型窗中，并进行布局、设置和连接电力系统仿真模型中的模块除了部分可从Simulink模块库中获得，大部分是从电力系统仿真库中获得，即SimPowerSystems库 在MATLAB桌面上，点击工具栏图标为的按钮，或者在命令窗中输入并执行“simulink”命令，打开Simulink库浏览器Simulink Library Browser在左侧的库列表中，选择SimPowerSystems，如图8-1所示由图可见，在电力系统仿真模块库中，包含有7个子库和1个电力图形用户接口模块powergui图8-1 电力系统仿真模块库,如果在命令窗中输入并执行“powerlib”命令，可以直接打开电力系统仿真模块库，如图8-2所示 图8-2 电力系统仿真模块库(直接打开时),电力系统仿真模块库SimPowerSystems中包含有大量的电力系统元件模块，它们按元件类型分为了7个子库：电源库、元件库、电力电子库、电机库、测量库、应用库和其它库，其中Application Library 和 Extra Library是二级子库。

模块是建模的“积木块”，要高效正确地建立电力系统仿真模型，就必须首先了解和熟悉这些模块的功能、特征和参数设置 仔细观察SimPowerSystems库中的模块，并与Simulink模块库中的模块相比较，可发现两者的输入输出端表示是不同的SimPowerSystems库中的模块输入输出端是以方形图形符号“”表示，代表电气输入输出端子，而Simulink模块库中的模块输入输出端是以图形符号“”或者其旋转后来表示，代表Simulink输入输出端正如在第6章所见，连接Simulink模块间输入输出端的信号线是带箭头的有向信号线，而在后面将会看到连接电气端子的连线是不带箭头的电气连接线电气连接线虽然可以分出支路，但不能连接到Simulink端，也不能连到Simulink信号线在模型中，Simulink端只能与另一个Simulink端相连，电气端也仅能与另一电气端相连在模型中，如果既有Simulink信号，又有电气连接，则需要选择SimPowerSystems库中的有关模块来实现Simulink信号到电气连接的转换，或者电气连接到Simulink信号的转换例如，电压测量模块和电流测量模块，可分别实现将电气量电压、电流转换为Simulink信号，并可接入其它的Simulink模块上；而受控源，可实现用Simulink信号控制所产生的电气参量，具体在后面再介绍。

8.1.1 电源模块,在电源库Electrical Sources中，包含有直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源、可控电流源、三相电源、三相可编程电压源等模块用户应熟悉各模块的功能、参数设置和使用方法 1. 直流电压源(DC Voltage Source)模块 直流电压源模块是一个理想电压源，提供一个恒定的端电压，单位为伏（V）该模块具有两个端子，其中正极性端标有“+” 在模型窗中，双击直流电压源模块，可打开其参数设置对话框在参数设置对话框的Amplitude(V)栏中，用户可以设置理想电压源的电压大小，单位为伏（V）在Measurements栏中，可以选择是否测量理想电压源的电压，若选择Voltage，则测量电源电压；若选择None，则不测量在模型中放置万用表模块可以显示出模型中的所有被选的量测量，在万用表的Available Measurements列表框中量测量用标识符来标识，标识符后是模块名将要显示的量测量选中，并输入到万用表的Selected Measurements列表框中2. 交流电压源(AC Voltage Source)模块 交流电压源模块是一个理想的正弦交流电压源，具有两个端子，其中一端标注有参考极性“+”。

该电源产生的电压为 其中，u为电压瞬时值，单位：V；Um为电压幅值；=2f为角频率，单位：rad/s；为初相位 在参数设置对话框的Peak amplitude(V)栏中，设置电压幅值，单位：V；在Phase(deg)栏中，设置初相位，单位：度；在Frequency(Hz)栏中，设置电源频率，单位：Hz；在Sample time栏中，设置采样周期，单位：s，缺省为0，对应连续时间电源；在Measurements栏中，若选择Voltage，则测量电源电压；若选择None，则不测量 3. 交流电流源(AC Current Source)模块 交流电流源模块是一个理想的正弦交流电流源，模型图形上有两个端子，其电流的正向参考方向用箭头表示电流源产生的电流为,其中，i为电流瞬时值，单位：A；Im为电流幅值；=2f为角频率，单位：rad/s；为初相位 其参数设置与交流电压源模块相似，只是在Peak amplitude(A)栏中输入电流幅值，单位为A；在Measurements栏中，若选择Current，则测量电流源的电流；若选择None，则不测量 4. 受控电压源(Controlled Voltage Source)模块 受控电压源模块是将输入的Simulink信号转换为一个等值的电压源，该电源电压由模块输入的Simulink信号控制。

受控电压源可在其参数对话框中用选定的交流或直流电压进行初始化在参数对话框中，选中Initialize单选框，可对受控电压源进行初始化，如果不选则不进行初始化初始化时，在Source type栏中，可选择受控电压源的类型，即AC或者DC若为交流AC类型，则在下面的Initial amplitude(V)栏中输入正弦交流电压幅值，Initial phase(deg)栏中输入初始相位，Initial frequency(Hz)栏中输入频率；若为直流DC类型，则只需在下面的Initial amplitude(V)栏中输入直流电压值在,Measurements栏中，若选择Voltage，则测量该受控电压源的端电压；若选择None，则不测量 如果要从稳态开始启动仿真，模块的输入应首先接到与选定初始值对应的正弦波形或直流波形信号 5. 受控电流源(Controlled Current Source)模块 受控电流源模块是将输入的Simulink信号转换为一个等值的电流源，该电源电流由模块输入的Simulink信号控制该模块有3个端子，其中标有“s”的端是Simulink信号输入端，标有“+”和“-”的端分别为电流源的正、负端，电流源的电流参考正方向用箭头表示。

受控电流源的初始值和参数设置与受控电压源相似，仅是将电压变成电流即可 6. 三相电源(Three-Phase Source)模块 三相电源模块是一个带内阻抗的三相平衡电压源，其内部为Y形连接，中性 点可以接地，也可以引出模块有3个端子时，分别为A相、B相、C相端；若有4个端子，分别为A相、B相、C相和中性点N端，该种情况出现在电源为Yn连接时电源内阻抗R、L可通过直接输入R、L值来设定，也可用电源短路容量和R/X比间接设定在参数对话框的Phase-to-Phase rms Voltage(V)框中，输入三相线电压有效值，单位V；在Phase angle of phase A(degree)中，输入A相的相位角，单位为度；在Frequency(Hz)栏中，输入频率值，单位Hz；在Internal connection栏选择中性点连接方式，若选择Y，表示为星形连接，中性点在内部；若选择Yn，表示为星形连接，中性点引到模块端子，此时模块有4个端子；若选择Yg，表示星形连接，中性点在内部接地若选中单选框“Specify impedance using short-circuit level”，表示用三相短路功率、基值电压和X/R值计算内部电阻和电抗，在其下边的“3-phase-short-circuit-level at base voltage”栏中输入三相短路功率，单位VA；在“Base voltage”栏中，输入基准线电压有效值，单位V；在“X/R ratio”栏中，输入X/R值。

若不选中单选框“Specify impedance using short-circuit level”，则直接在其下边的“Source resistance(Ohms)”栏和“Source inductance(H)”栏分别输入电源内电阻和内电感 【例8-1】两个频率不同的交流正弦电压源分别为： ， ，经串联后，向一个电阻为100欧姆的负荷供电，试观测负荷的电压波形 打开一个新的模型窗口，并命名为exam8_1.mdl从电源库Electrical Sources中，复制2个交流电压源模块，并将这两个模块名分别更名为us1和us2双击模块进行参数设置，其中us1电源的幅值为100V，初相位角为0，频率为60Hz，采样时间为0（连续时间），不测量电源电,压；us2电源的幅值为50V，初相位角为10，频率为50Hz，采样时间为0（连续时间），不测量电源电压 从元件库Elements中，复制1个串联RLC模块，即Series RLC Branch模块，并将模块名更名为100 Ohms，在参数设置对话框的Branch type栏中，选择电阻R，并在Resistance (Ohms)栏中输入电阻值100。

从测量库Measurements中，复制1个Voltage Measurement模块，以实现电压电气量转换为Simulink信号，将模块名更名为v_m从Simulink库的Sink子库中复制1个示波器Scope模块，其Time range设置为0.5，并将模块名更名为us1+us2再将powergui模块复制到模型中 模型窗中，对各模块进行布置和连接，其模型如图8-3所示在Simulation/Configuration Parameters…中设置Start time为0，Stop time为10，Type为Variable-step，Solver为ode45，其它选项为缺省值启动仿真，示波器中显示负荷电压波形，如图8-4所示图8-3 例8-1的模型,图8-4 例8-1的仿真结果波形,,,,,在Machines库中，包含有多种电机模块同步电机模块有标幺制简化同步电机(Simplified Synchronous Machine pu Units)、SI制简化同步电机(Simplified Synchronous Machine SI Units)、永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine)、带基本标幺参数的同步电机(Synchronous Machine pu Fundamental)、带标准标幺参数的同步电机(Synchronous Machines pu Standard)、带基本SI制参数的同步电机(Synchronous Machine SI Fundamental)；异步电机模块有标幺制异步电机(Asynchronous Machine pu Units)、SI制异步电机(Asynchronous Machine SI Units)、单相异步电机(Single Phase Asynchronous Machine)；直流电机和电动机模块有直流电机(DC Machine)、开关磁阻电动机、步进电动机(Stepper Motor)；原动机和调节器模块有励磁系统(Excitation System)、水轮机和调速器(Hydraulic Turbine and Governor)、。