基于Matlab的電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的研究與仿真

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書引言隨著電力系統(tǒng)中非線性用電設(shè)備，尤其是電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛，電力系統(tǒng)中的諧波污染問題也越來越嚴(yán)重，而大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)較低，也給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)，并影響供電質(zhì)量。因此抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注。解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題不外乎兩種途徑:一種是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，如有源濾波器、無功功率補(bǔ)償器等，設(shè)法對諧波進(jìn)行抑制和對無功進(jìn)行補(bǔ)償;另一種是對電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波也不消耗無功功率，或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。后一種方法需要對現(xiàn)有電力電子設(shè)備

2、進(jìn)行大規(guī)模更新，代價較大，并且只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置，因此有一定的局限性。而前一種方法則適用于各種諧波源和低功率因數(shù)設(shè)備，并且方法簡單，己得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功功率和諧波的主要手段是設(shè)置無功補(bǔ)償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，難以對變化的無功功率和諧波進(jìn)行有效的動態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率和諧波進(jìn)行快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱蟆，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為諧波和無功補(bǔ)償裝置的能動控制提供了可能

3、。近年來，電力電子器件也由不可控器件，半控型器件及全控器件發(fā)展到智能化的功率器件。這些新型器件的出現(xiàn)使得電力電子變換電路本身及其控制系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的變革，從傳統(tǒng)的以整流為主的電力電子技術(shù)跨入了以直流逆變成各種頻率的交流為主的逆變時代，從而為各種形式的變流器在交流系統(tǒng)中的應(yīng)用供了可能。而近幾十年來電力電子技術(shù)在電氣拖動領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，積累了大量的應(yīng)用經(jīng)驗，技術(shù)上也日趨成熟。正是在電氣拖動領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的相控脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)和四象限變流技術(shù)為各種形式的靜止無功功率補(bǔ)償裝置(SVC)和有源濾波器(APF)控制器提供了原形。晶閘管獲得廣泛應(yīng)用后，以晶閘管控制電抗器(TCR)為代表的靜止

4、無功補(bǔ)償裝置(SVC)有了長足的發(fā)展，可以對變化的無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。近年來，隨著以GTO, BJT和IGBT為代表的全控型器件向大容量、高頻化方向的不斷發(fā)展，采用電力電子技術(shù)的各種有源補(bǔ)償裝置發(fā)展非常迅速。本論文所研究的靜止無功功率補(bǔ)償器(SVC)，屬于FACTS家族中重要的一員。有人也稱它為靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，縮寫為STATCOM)。在美國被稱為STATCON，即靜止調(diào)相機(jī)(Static Condenser);在日本過去則稱為靜止無功功率發(fā)生器(Static Var Generator)，簡稱SVC，專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變

5、流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置;在歐洲多稱為先進(jìn)靜止補(bǔ)償器(AdvanceStatic Var Generator)，簡稱ASVG。無功補(bǔ)償應(yīng)包含對基波無功功率的補(bǔ)償和對諧波無功功率的補(bǔ)償，后者實際是諧波補(bǔ)償。無功功率對供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備如同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、固定容量的電容器、開關(guān)控制的并聯(lián)電抗器等，可滿足一定范圍的無功補(bǔ)償要求，但響應(yīng)速度慢、維護(hù)困難、連續(xù)可控性差。雖然可控硅型的靜止無功補(bǔ)償器(SVC)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用得到了較好的效果，因此得到了廣泛的應(yīng)用。第一章 無功功率補(bǔ)償?shù)幕纠碚?.1無功功率補(bǔ)償?shù)幕驹硌a(bǔ)償功率因數(shù)的功能及原理是大

6、家熟知的，下面僅以改善電壓調(diào)整的基本功能為例，對無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑碜骱喴榻B。圖2. la所示為系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖。其中，U為系統(tǒng)線電壓;R和X分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)載變化很小，故有U遠(yuǎn)小于U。則假定R遠(yuǎn)小于X時，反映系統(tǒng)電壓與無功功率關(guān)系的特性曲線如圖2.1b中實線所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可換為無功電流。可以看出，該特性曲線是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)(a)單相電路 (b)動態(tài)補(bǔ)償原理圖2.1無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑砉┙o的無功功率Q的增加，供電電壓下降，實際上，由電力系統(tǒng)中的分析可知，系統(tǒng)的特性可近似用下式表示：) （2.1）或者寫成 （2.2）式中U0一無功

7、功率為零時的系統(tǒng)電壓; Ssc一系統(tǒng)短路容量。可見，無功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例地變化。投入補(bǔ)償器之后，系統(tǒng)供給的無功功率為負(fù)載和補(bǔ)償器無功功率之和，即 （2.3）因此，當(dāng)負(fù)載無功功率變化時，如果補(bǔ)償器的無功功率Qr總能彌補(bǔ)的變化，從而使Q維持不變，即Q=0，則U也將為0，供電電壓保持恒定，這就是對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償?shù)幕驹?。圖2.1b示出了進(jìn)行動態(tài)的無功補(bǔ)償，并使系統(tǒng)工作點保持在 =常數(shù)的示意圖。當(dāng)使系統(tǒng)的工作點保持在Q=0處，即圖中的C點時，就實現(xiàn)了功率因數(shù)的完全補(bǔ)償?？梢娧a(bǔ)償功率因數(shù)的功能可以看作是改善電壓調(diào)整功能的特例。在工程實際中，為了分析方便，常常把負(fù)載也包括在系統(tǒng)之內(nèi)考

8、慮，總體等效為一個串聯(lián)一定內(nèi)阻的電壓源。即將圖2.1a中點劃線框內(nèi)的部分等效為圖2.2a中點劃線框內(nèi)的部分，并忽略內(nèi)部阻抗中的電阻，而電抗記為Xso，等效后系統(tǒng)電源電壓為等效前連接點處外接補(bǔ)償器時的電壓。另外，由于補(bǔ)償器具有維持連接點電壓恒定的作用，故可以將其視為恒定電壓源，電壓值取為系統(tǒng)外接補(bǔ)償器(即補(bǔ)償器吸收的無功電流為零)時連接點處的正常工作電壓，也就是圖2.1中補(bǔ)償器未接且負(fù)載無功不變時的供電電壓，記為。其電壓一電流特性如圖2.2b所示，為一水平直線，由于電流為無功電流，電壓又維持一定，因此也可以看作電壓一無功功率特性曲線。這樣，整個等效電路即如圖2.2a所示。當(dāng)圖2.2a中未接補(bǔ)償器

9、而由于某種原因(例如負(fù)載無功的變化)使連接點處電壓變化Us時，也就是在圖2.2a中系統(tǒng)電源電壓變化U時，接人補(bǔ)償器后，連接點電壓即可以回到正常值。由圖2.2a可得，此時補(bǔ)償器所吸收的無功功率應(yīng)為: (2.4)換句話說，一臺可吸收無功功率為Qr的補(bǔ)償器，可以補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)電壓變化為： (2.5)按照電力系統(tǒng)中的常規(guī)做法，這里采用的是標(biāo)么制，各量均為標(biāo)么值，故三相電路與單相電路的公式是一樣的，且與三相的聯(lián)結(jié)方式無關(guān)。 !(a)等效電路 （b）電壓一電流(無功功率)特性圖2.2理想補(bǔ)償器的等效電路及特性1.2靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)原理在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本、最重要的指標(biāo)。

10、為確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，而電壓控制的重要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行控制。 控制無功功率的方法很多，設(shè)置無功功率電容器是補(bǔ)償無功功率的傳統(tǒng)方法之一，這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點，目前在國內(nèi)外均得到廣泛應(yīng)用。但它存在著所需電容容量大、與諧波互相影響及不能動態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c，因此，它一般與動態(tài)補(bǔ)償設(shè)備配合使用。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率進(jìn)行快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱?。靜止無功補(bǔ)償器是電網(wǎng)中控制無功功率的裝置，它根據(jù)無功功率的需求進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。所謂靜止無功補(bǔ)償是指它沒有機(jī)械運(yùn)動部件，與同步調(diào)相機(jī)相比，靜止無功補(bǔ)償

11、器是完全靜止的設(shè)備。但它的補(bǔ)償是動態(tài)的，即根據(jù)無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補(bǔ)償。靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)中的各種無功補(bǔ)償器都是用無功器件(電容器和電抗器)產(chǎn)生無功功率，并且根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性或感性電流。靜止補(bǔ)償器的另一個特點是依靠晶閘管等電力電子器件完成調(diào)節(jié)或投切功能，它們可以頻繁地調(diào)節(jié)或投切。其動作速度是毫秒級的，遠(yuǎn)比機(jī)械動作快。對于系統(tǒng)中平衡無功功率或不變動的無功功率常采用傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償或稱為固定電容補(bǔ)償(FC)，開關(guān)投切電容器(BSC)，由它們補(bǔ)償無功的不動部分和動態(tài)的補(bǔ)償結(jié)合起來，形成靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC) 。SVC裝置主要用于對沖擊性負(fù)荷用戶的就地補(bǔ)償和用十對電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償一、用于

12、沖擊性負(fù)荷用戶的無功補(bǔ)償，如用于軋鋼機(jī)、礦山絞車、電弧冶煉爐、電氣機(jī)車、高能加速器、頻繁啟動的電動機(jī)等。其作用是:1、補(bǔ)償負(fù)載在動態(tài)過程中所需的無功;2、調(diào)整電壓，減少電壓波動和電壓閃變;3、改善功率因數(shù);4、濾除大部分高次諧波，改善電壓波形;5、在不平衡負(fù)載處起平衡化作用;6、提高沖擊負(fù)載設(shè)備及其鄰近電氣設(shè)備的運(yùn)行安全性。二、 用于電力系統(tǒng)，其作用是:1、在樞紐變電所或終端變電所靈活的補(bǔ)償無功功率，提供隨機(jī)性調(diào)相功能;2、按指定要求調(diào)整系統(tǒng)電壓;3、提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性，4、提高輸電線路的輸送功率。5、提供阻尼力矩以抑制電力系統(tǒng)的功率振蕩;6、抑制電力系統(tǒng)的次同步諧振;7、吸

13、收電力系統(tǒng)中突然涌現(xiàn)的過剩無功，抑制暫時過電壓;8、減少系統(tǒng)中的負(fù)序電流分量，對連接點的二相電壓起平衡作用;9、對直流輸電系統(tǒng)的換流站，提供換相無功和實施電壓控制。靜止無功補(bǔ)償裝置主要有以下三大類型:一類是具有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償裝置(SR: Saturated Reactor);第二類是晶閘管控制電抗器(TCR: Thyristor Control Reactor),晶閘管投切電容器(TSC: Thyristor Switch Capacitor)，這兩類裝置通稱為SVC (Static Var Compensator);第三類就是采用自換相變流技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償裝置動態(tài)無功補(bǔ)償器(SV

14、G)。下面簡要說明SR和SVC的原理。1.2.1具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置(SR)飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也就分為兩種，具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)出或吸收無功功率的大小;可控飽和電抗器通過改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無功電流的大小。1.2.1.1 SR型SVC的優(yōu)缺點SR型SVC的主要優(yōu)點有:工作可靠、維護(hù)簡單由于主要部件電力變壓器、電抗器和電容器都是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，可靠性高，并且不需要特殊的維護(hù)?？梢赃M(jìn)行連續(xù)快速的感性/容性調(diào)節(jié)固

15、有的快速響應(yīng)尤其適合對閃變負(fù)荷的補(bǔ)償，同時還具有抑制不對稱負(fù)荷的能力。在感性工作范圍內(nèi)有較大的過載能力例如，在持續(xù)5min以內(nèi)，可以過載到1. 5Pu，或在數(shù)秒內(nèi)過載到3Pu。特殊設(shè)計時，過載能力甚至可以達(dá)到45Pu (1s)，如根據(jù)需要可以更長一些。這一固有的過負(fù)荷能力特別適合十用來控制瞬時過電壓。自生諧波含量低由于采用了曲折接線和網(wǎng)格調(diào)諧電抗器這兩種內(nèi)部諧波抑制技術(shù)，所產(chǎn)生的諧波相當(dāng)?shù)?，在大多?shù)應(yīng)用中不需要另外設(shè)置濾波器。這兩種諧波抑制技術(shù)同時還具有改善補(bǔ)償器輸出特性和平直度的作用。SR型SVC的主要缺點:制靈活性較差由于它不能附加其他控制信號，因此控制靈活性較差，從也就限制了它的應(yīng)用范圍

16、。運(yùn)行噪聲大在電抗器附近噪聲水平可能很高(約為100db)，這是由于高頻磁致伸縮力造成的。為降低噪聲對環(huán)境的影響，有時要專門為飽和電抗器建造一個隔音室。不能分相調(diào)節(jié)不能直接連接與超高壓單位容量損耗大由于自飽和電抗器在額定電壓時鐵芯需要工作十飽和狀態(tài)，磁通密度較高，鐵芯截面積比普通變壓器要小，所以單位容量損耗大，目散熱較難，制作要求高。價格較高 因其制造復(fù)雜且價格較高得不到廣泛應(yīng)用。1.2.1.2 SR型SVC的應(yīng)用場合 SR型SVC是由基于傳統(tǒng)技術(shù)的無源元件構(gòu)成的。它們可靠、無需維護(hù)，而且過負(fù)荷能力強(qiáng)。因此在重要的應(yīng)用場合，這些方面顯示出了它的優(yōu)越性。 典型應(yīng)用場合: 在交流輸電系統(tǒng)中由于穩(wěn)定

17、電壓以及降低短時過電壓 在高壓電網(wǎng)中負(fù)荷的變化引起電壓的波動，特別是在空載(或輕載)長送電線路上，線路電容在線路的末端會產(chǎn)生不允許的過電壓；而在另外一些情況下，滿負(fù)荷又需要對電壓降進(jìn)行校正。并且在突然甩去負(fù)荷或開關(guān)操作時，需要快速的電壓抑制。對十這些情形，SR型SVC對穩(wěn)定電壓以及降低過電壓都是非常有效的。 在工業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)中用十抑制急劇的無功波動造成的電壓波動或閃變 消除閃變的理想裝置應(yīng)是恒壓無功補(bǔ)償器，SR型SVC可以說是一種接近十這種理想運(yùn)行性能的補(bǔ)償設(shè)備。在負(fù)荷急劇變化的工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗表明，其快速抑制作用可以保證最好的電壓穩(wěn)定。 在高壓直流輸電系統(tǒng)中用十降低由十換流裝置閉鎖引起的

18、動態(tài)和短時過電壓在直流輸電系統(tǒng)故障(直流閉鎖、全停)或交流系統(tǒng)故障后而直流輸電不能迅速起動時，換流閥不能消除無功功率，多余的無功功率將引起工頻動態(tài)過電壓，如交流系統(tǒng)的短路容量或短路比愈小，產(chǎn)生的過電壓愈高。過高的工頻過電壓將對交、直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。利用SR型SVC動作迅速和過負(fù)荷能力強(qiáng)的特點，可以有效地抑制此類工頻動態(tài)過電壓;此外配合并聯(lián)電容器的調(diào)節(jié)，可以較好地控制交流側(cè)電壓。 SR型SVC反應(yīng)速度快，并且有部分平衡化功能，作為以電壓穩(wěn)定為目的的動態(tài)無功功率補(bǔ)償設(shè)備曾有較好的效果。1.2.2晶閘管控制電抗器（TCR)兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖2.3所示

19、。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為90°180°。當(dāng)觸發(fā)角a=90°時，晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角=180°，此時電抗器吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式: 和 (2.6)從上式可知，增大觸發(fā)角即可增大補(bǔ)償器的等效感抗，這樣就會減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效果。圖2.3 TCR補(bǔ)償器原理圖由于單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用構(gòu)成無功補(bǔ)

20、償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器(TCR+FC)和TCR與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器(TCR+MSC )。這種具有TCR型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。TCR的三相接線形式大都采用三角形聯(lián)結(jié)，也就是所謂支路控制三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路的形式，如圖2.4所示，這種接線形式比其他形式線電流中諧波含量要小。圖2.4 TCR的三相接線形式由分析可知，觸發(fā)延遲角a的有效移相范圍為90°-180°。其位移因數(shù)始終為1,也就是說，基波電流都是無功電流。a=90°時，晶閘管完

21、全導(dǎo)通，導(dǎo)通角& =180°，與晶閘管串聯(lián)的電抗相當(dāng)于直接接到電網(wǎng)上，這時其吸收的基波電流和無功功率最大。當(dāng)觸發(fā)延遲角在90°-180°之間時，晶閘管為部分區(qū)間導(dǎo)通，導(dǎo)通角& <180°。增大觸發(fā)延遲角的效果就是減少電流中的基波分量，相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效感抗，或者說減小其等效電納，因而減少了其吸收的無功功率。單獨的TCR由于只能吸收感性的無功功率，因此往往與并聯(lián)電容器配合使用，如圖2.5所示。并聯(lián)上電容器后，使得總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率，因而可以將補(bǔ)償器的總體無功電流偏置到可吸收容性無功的范圍內(nèi)。

22、另外，并聯(lián)電容器串聯(lián)上小的調(diào)諧電抗器還可兼作濾波器，以吸收TCR產(chǎn)生的諧波電流。(a)TCR+一組電容器 (b)TCR+兩組電容器(c)TCR+三組電容器 (d)TCR+四組電容器 圖2.5與并聯(lián)電容器配合使用的TCR當(dāng)TCR與固定電容器配合使用時，被稱為TCR+FC型SVC，有時也簡稱為TCR,其電壓一電流特性如圖2.6所示。實際上，在下面敘述中可看到，改變控制系統(tǒng)的參考電壓，可以改變特性在縱軸上的截距，因而可以使特性的水平段上下移動作為其特性左邊界的斜線，就是晶閘管導(dǎo)通角為零，而僅有固定電容器并聯(lián)在母線時電容器的伏安特性邊界的斜線段，就是晶閘管完全導(dǎo)通，其串聯(lián)電抗器直接接在母線上，并與并聯(lián)

23、電容器并聯(lián)產(chǎn)生的總等效阻抗的伏安特性，而它所對應(yīng)的無功功率是電容器與電抗器無功功率對消后的凈無功功率。因此，當(dāng)要求這種補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍能延伸到容性和感性無功功率兩個領(lǐng)域時，電抗器的容量必須大于電容器的容量。比如，當(dāng)希望補(bǔ)償器吸收無功功率的能力為一倍的容性無功到一倍的感性無功功率，則電抗器的容量必須為電容器的兩倍。此外，當(dāng)補(bǔ)償器工件在吸收很小的容性或感性無功功率的狀態(tài)時，其電抗器和電容器中實際上都已吸收了很大的無功功率，都有很大的電流流過，只是相互對消而己。這些都是這種類型補(bǔ)償器的缺陷。 圖2.6 TCR+FC型SVC的電壓一電流特性根據(jù)對補(bǔ)償器所期望的功能，被檢測的信號應(yīng)包含下列物理量中的一個

24、或幾個:(1)系統(tǒng)電壓;(2)流過傳輸線或補(bǔ)償器本身的無功功率;(3)傳輸線輸送的有功功率或其變化率;(4)電壓相角偏差;(5)系統(tǒng)頻率及其導(dǎo)數(shù)?？刂飘?dāng)中需要的信號的是反映以上這些量有效值或幅度大小的直流信號，因此往往需要對傳感器所得的信號作進(jìn)一步的處理。例如，對系統(tǒng)電壓，實際需要的是能反映系統(tǒng)電壓有效值大小的直流信號。所以，對從電壓傳感器檢測出來的三相電壓信號，常采用的進(jìn)一步處理方法有:整流、取平均值、取方均根值、取正序分量、濾波等。圖2.7示出了用于60Hz系統(tǒng)電壓檢測的典型電路原理框圖。其中的90Hz帶阻濾波器是為了濾除可能產(chǎn)生系統(tǒng)諧振的諧波，而60, 120, 360Hz帶阻濾波器則是

25、用來濾去整流的特征諧波以及可能由于的三相不平衡引起的諧波。 圖2.7用于60Hz系統(tǒng)電壓檢測的典型電路原理框圖開環(huán)控制的策略相對比較簡單，多用于負(fù)載補(bǔ)償，例如檢測負(fù)載無功功率來控制TCR產(chǎn)生相等的無功功率，從而使電源供給的無功功率為零，以達(dá)到功率因數(shù)校正或改善電壓調(diào)整的目的。圖2.8給出了采用電流反饋形式的一個TCR的控制系統(tǒng)原理框圖的例子。上面的介紹都是以電壓調(diào)整功能為例，實際上將這些控制方法稍加修改或補(bǔ)充，就可以使靜止補(bǔ)償器的功能擴(kuò)展到無功功率動態(tài)補(bǔ)償所能實現(xiàn)的其他一些功能范圍。在有些場合，某種特殊功能可能取代電壓控制功成為主要功能，或者要求采用持續(xù)的檢測和控制方法，因而控制系統(tǒng)可能并不包

26、含電壓閉環(huán)。例如，以功率因數(shù)校正為主要目標(biāo)的負(fù)載無功功率補(bǔ)償，可以采用如前面所述的開環(huán)控制，也可以與閉環(huán)控制相結(jié)合，加一個響應(yīng)速度較慢的總無功功率或功率因數(shù)反饋控制閉環(huán)即可;而若要補(bǔ)償三相電流的不平衡，則需分別檢測出兩相電流中的非正序成分，采用三相分相單獨觸發(fā)的控制方法來產(chǎn)生不平衡的三相補(bǔ)償電流。 圖2.8 TCR控制系統(tǒng)原理框圖此外，控制系統(tǒng)中還可以包括各種保護(hù)功能，如限制補(bǔ)償器的運(yùn)行范圍、過電流保護(hù)、諧波電流限制等，以及各種特殊調(diào)制功能，如手動控制與自動控制的切換、自動增益調(diào)整、頻率補(bǔ)償?shù)?，還應(yīng)包括對與TCR配合使用的MSC或TSC的相應(yīng)控制功能。1.2.2.1 TCR型SVC的優(yōu)缺點優(yōu)點

27、主要有: 可以進(jìn)行連續(xù)感性和容性無功調(diào)節(jié) 單獨的TCR由于只能吸收感性無功功率，與并聯(lián)電容器配合使用，使得總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率，因此可以將補(bǔ)償器的總體無功電流偏置到可吸收容性無功的范圍內(nèi)。 能進(jìn)行分相調(diào)節(jié) 降壓變壓器二次繞組連接成“開口星型”，中點分開，這是要使每相負(fù)載與另外兩相獨立，從而正序和負(fù)序的幅值可以單獨控制、分相調(diào)節(jié)，可以平衡不平衡負(fù)載。 吸收諧波能力好 并聯(lián)電抗器串上小調(diào)諧電抗器還可兼作濾波器，能很好地吸收TCR產(chǎn)生的諧波電流。 噪聲較小 損耗相對較小 抑制靈活性好 TCR型SVC有多種可選擇補(bǔ)償方案，一種方案就是將電容器組的總?cè)萘抗探釉陔娋W(wǎng)上

28、，而將TCR的總?cè)萘科骄譃閚組小單元，根據(jù)系統(tǒng)無功功率的平衡要求來決定啟用小補(bǔ)償單元的組數(shù)及其控制角。 這樣TCR型SVC就可以通過控制投入的組數(shù)進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，通過控制控制角進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)平穩(wěn)的無級補(bǔ)償，因此整個控制過程十分靈活，而且效果也相當(dāng)好。 動態(tài)響應(yīng)時間較快(約10ms)，是能夠勝任多類負(fù)荷的動態(tài)無功補(bǔ)償。 缺點主要有: 自身有諧波含量產(chǎn)生 TCR型SVC產(chǎn)生的諧波主要是奇次諧波，3K次諧波同相位，僅能在補(bǔ)償裝置的二角形接法繞組中流通，不能流入系統(tǒng)。流入系統(tǒng)中的諧波成分只是6k士1次。 產(chǎn)生的諧波電流會使系統(tǒng)電壓產(chǎn)生畸變，從而對系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生一系列的危害，因此利用TCR和改善功率因數(shù)

29、用的電容器兼作濾波器，但這種濾波器體積大，占地多，價格貴。 不可直接接十超高壓 運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜 由于組成部分較多而且較為復(fù)雜，TCR本身的反并聯(lián)晶閘管、多組FC，這些雖然使得控制靈活，但也讓運(yùn)行維護(hù)更復(fù)雜。1.2.2.2應(yīng)用場合 由于TCR型SVC具有反應(yīng)時間快，無級補(bǔ)償，運(yùn)行可靠，能分相調(diào)節(jié)，能平衡有功，適用范圍廣，價格較便宜等優(yōu)點，實際應(yīng)用最廣，在控制電弧爐負(fù)荷產(chǎn)生的閃爍時，幾乎都采用這種型式。目前國內(nèi)幾乎所有的軋鋼機(jī)，提升機(jī)、電力機(jī)車、電弧爐的補(bǔ)償設(shè)備都采用此類型的SVC。 最廣泛用于高壓大容量無功補(bǔ)償，與固定電容器或濾波器聯(lián)用。可用作電壓支撐，無功潮流控制，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及減小電壓波

30、動，可分相調(diào)節(jié)，有對稱化功能。 目前，TCR與電容器聯(lián)用，是動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)牡谝贿x擇，由于它產(chǎn)生諧波，濾波器與它聯(lián)用是理想的方案，目前是連續(xù)調(diào)節(jié)的理想方法。1.2.3晶閘管投切電容器(TSC)為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應(yīng)運(yùn)而生。其單相原理圖如圖2.9所示，兩個反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時可能產(chǎn)生的沖擊電流。選取投入時刻總的原則是，TSC投入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(若電容器投入的時刻電源電壓與電容器充電電壓不

31、相等就會發(fā)生這樣的情況)，將產(chǎn)生沖擊電流，則很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。一般來講，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點，因為根據(jù)電容器的特性方程： （2.7）圖2.9 TSC補(bǔ)償器原理圖如果在導(dǎo)通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電容時，由于在這一點電源電壓的變化率(時間導(dǎo)數(shù))為零，因此，電流小即為零，隨后電源電壓(也即電容電壓)的變化率才按正弦規(guī)律上升，電流i即按正弦規(guī)律上升。這樣，整個投入過程不但不會產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時刻。圖2.10以簡單的電路原理圖和投切時的波

32、形對此作了說明。圖2.10 TSC理想投切時刻原理說明如圖2.10所示，設(shè)電源電壓為，在本次導(dǎo)通開始之前，電容器的端電壓Uc已通過上次導(dǎo)通時段最后導(dǎo)通的晶閘管V1充電至電源es的峰值，且極性為正。本次導(dǎo)通開始時刻取為es和Uc相等的時刻t1，給V2以觸發(fā)脈沖而使之開通，電容電流ic開始流通。以后每半個周波發(fā)出觸發(fā)脈沖輪流給V1和V2。直到需要切除這條電容支路時，如在t2時刻，停止發(fā)脈沖，ic為零，則V2關(guān)斷，因未獲觸發(fā)而不導(dǎo)通，電容器電壓保持為V2。導(dǎo)通結(jié)束時的電源電壓為負(fù)峰值，為下次投人電容器做了準(zhǔn)備。TSC控制系統(tǒng)的思路跟TCR控制系統(tǒng)的思路是類似的，只不過其中的控制電路部分是以決定哪組電

33、容投入或切除的邏輯功能為中心作為例子，圖2.11給出了一個TSC用于對波動負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)償時的控制系統(tǒng)示意圖。應(yīng)當(dāng)注意的是，在TSC控制系統(tǒng)中引入一定的滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)是必要的，這可以避免在切換點處電容器組在短時間內(nèi)來回地投入與切除。例如，當(dāng)補(bǔ)償器以穩(wěn)定電壓為目標(biāo)時，在控制系統(tǒng)中引入滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)可使電容器在系統(tǒng)電壓低于某一較低閥值時接人系統(tǒng)，而在系統(tǒng)電壓高于某一較高閥值時切除，但不是在相等的閥值下投入和切除，以防止在切換電壓附近震蕩不定。圖2.11 TSC用于負(fù)載補(bǔ)償時控制系統(tǒng)的示意圖同樣可以通過判斷系統(tǒng)負(fù)載特性與補(bǔ)償器電壓一電流特性交點的方法來分析TSC的動態(tài)調(diào)節(jié)過程。圖2.12所示的是以改

34、善電壓調(diào)整為目標(biāo)的TSC受擾動后的動態(tài)調(diào)節(jié)過程。在系統(tǒng)受到擾動前，其負(fù)載線為L1 , TSC有一組電容投入運(yùn)行，其伏安特性為OA，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作在L1與OA的交點a。若系統(tǒng)受到干擾，負(fù)載線突然由L1降低至L2，則工作點會突然降至L2與OA的交點b，系統(tǒng)電壓因此降到b點電壓，這個電壓下降被TSC控制系統(tǒng)檢測到后，由其邏輯電路決定投入第二組電容，補(bǔ)償器電壓一電流特性因此變?yōu)镺B，系統(tǒng)工作點移至OB與L2的交點。，從而將電壓恢復(fù)到能接受的范圍內(nèi)。 圖2.12 TSC對擾動的動態(tài)調(diào)節(jié)過程1.2.3.1 TSC型SVC主要優(yōu)點有: 快速響應(yīng)性、可頻繁動作性、以及分相調(diào)節(jié)，有效地抑制電壓波動問題自身不產(chǎn)

35、生諧波分量 由于電容器組是由晶閘管閥在其電壓過零時投切的，電容器只是在兩個極端電流值(零電流和額定正弦電流)之間切換，所以不會產(chǎn)生諧波。 噪聲小 損耗很小 抑制靈活性好 用十調(diào)壓，調(diào)無功，減低電壓波動 快速深度無功補(bǔ)償 這使得TSC可有效地用于防止電壓崩潰一一在系統(tǒng)故障和負(fù)荷電流急劇增加時，使用TSC裝置快速補(bǔ)償無功功率，對系統(tǒng)電壓起支撐作用，可顯著地抑制電壓崩潰趨勢。 主要缺點有: 動態(tài)響應(yīng)時間較長 無功輸出只能是級差的容性無功 每次只能投切一組電容器，實現(xiàn)級差無功補(bǔ)償。 限制過電壓的能力 無諧波吸收能力 由于本身沒有設(shè)置濾波器組，所有沒有諧波吸收能力。 不可直接接于超高壓 運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜

36、由于采用多組反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)的形式，使得晶閘管的散熱、導(dǎo)通的同時性、損壞的檢測、以及維護(hù)等都帶來了一定的難度。1.2.3.2應(yīng)用場合因其具有快速響應(yīng)性、可頻繁動作性、以及分相補(bǔ)償能力，可應(yīng)用于對大型沖擊性、快速周期波動變化、不平衡、非線性負(fù)荷(如電氣化鐵路、電弧爐、軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)電站、大功率變頻調(diào)速裝置等)的動態(tài)無功補(bǔ)償領(lǐng)域，可有效地抑制這些負(fù)荷所引起的電壓波動問題，故是低壓動態(tài)補(bǔ)償?shù)氖走x方式。對高壓大容量需要大范圍調(diào)節(jié)無功或電壓的情況，也是好的選擇。與TCR聯(lián)用往往可以解決更多問題。第二章 MATLAB/Simulink簡介隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大，特別是隨著互聯(lián)

37、電網(wǎng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)由原來的幾十個上升到幾百個甚至上千個。對于如此大的電力網(wǎng)絡(luò)想用原來的手算方法進(jìn)行電力系統(tǒng)的分析和計算已是不可能，我們必須借助于先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)的分析和計算，從而加深我們對電力系統(tǒng)的理解，進(jìn)一步指導(dǎo)我們在電力系統(tǒng)的工作?，F(xiàn)在，可使用的系統(tǒng)仿真工具有EMTP、PSASP和MATLAB等。在PSASP中，用戶需要通過類似填寫數(shù)據(jù)的方式自行設(shè)計和定義各種元件和控制裝置，由于缺乏很好的圖形輸入界面，用戶在使用中容易覺得枯燥乏味，從而失去了學(xué)習(xí)的興趣，并且PSASP通過用戶自定義方法不適宜搭建算法非常復(fù)雜的模型，例如進(jìn)行模糊控制的仿真就比較困難。在E

38、MTP中雖然提供了強(qiáng)大的電磁暫態(tài)計算功能，但由于其中的模塊以及算法缺乏很好的開放性，因此很難在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。而在MATLAB中，電力系統(tǒng)模型可以在Simulink環(huán)境下直接搭建，也可以據(jù)所研究對象物理模型建立其數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行封裝和自定義為用戶自己的模塊庫，充分顯現(xiàn)了其仿真平臺的優(yōu)越性。同時更重要的是，MATLAB提供了豐富的工具箱資源。以及大量的實用模塊，在Simulink環(huán)境下，不僅可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計算，還可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制方法仿真，使得我們更加深入地研究電力系統(tǒng)的行為特性。2.1 MATLAB簡介2.1.1 MATLAB概況MATLAB是由美國Math Works公司20世

39、紀(jì)80年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是“Matric Laboratory”的縮寫，意為“矩陣實驗室”，優(yōu)秀的數(shù)值計算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科、多種工作平臺的功能強(qiáng)大的大型軟件。在歐美的高校和研究機(jī)構(gòu)中，MATLAB是一種非常流行的計算機(jī)語言，許多重要的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表的論文均是用MATLAB來分析計算以及繪制出各種圖形。MATLAB是一個完整的并可擴(kuò)展的計算機(jī)環(huán)境，是一種進(jìn)行科學(xué)和工程計算的交互式程序語言。它的基本數(shù)據(jù)單元是不需要指定維數(shù)的矩陣，它可直接用于表達(dá)數(shù)學(xué)的算式和技術(shù)概念，而普通的高級語言只能對一個個具體的數(shù)據(jù)單元進(jìn)

40、行操作。因此，解決同樣的數(shù)值計算問題，使用MATLAB要比使用Basic、Fortran和C語言等提高效率許多倍。許多人贊譽(yù)它為萬能的數(shù)學(xué)“演算紙”。MATLAB采用開放式的環(huán)境，你可以讀到它的算法，并能改變當(dāng)前的函數(shù)或增添你自己編寫的函數(shù)。最初的MATLAB是用FORTRAN編寫的，在DOS環(huán)境下運(yùn)行。新版的MATLAB 是C語言編寫的高度集成系統(tǒng)。它在幾乎所有流行的計算機(jī)機(jī)種，諸如PC、MACINTOSH、SUN、VAX上都有相應(yīng)的MATLAB版本。新版的MATLAB增強(qiáng)了圖形處理功能，并在WINDOWS環(huán)境下運(yùn)行。現(xiàn)今，MATLAB的發(fā)展已大大超出了“矩陣實驗室”的范圍，在許多國際一流專

41、家學(xué)者的支持下，Maths Works公司為MATLAB配備了涉及到自動控制、信息處理、計算機(jī)仿真等種類繁多的工具箱(Tool Box)，這些工具箱有數(shù)理統(tǒng)計、信號處理、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)化、穩(wěn)健等等。近年來一些新興的學(xué)科方向，Maths Works公司也很快地開發(fā)了相應(yīng)的工具箱，例如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等。MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、概率論及數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具，是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。目前，MATLAB在國內(nèi)高校越來越受到重視，應(yīng)用也越來越廣泛。2.1.2 MATLAB主要特點一種語言之所以能如

42、此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計算機(jī)語言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB最突出的特點就是簡潔。MATLAB用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下MATLAB的主要特點。(1)語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓

43、縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性?？梢哉f，用MATLAB進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。(2)運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡短。(3)MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?4)程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預(yù)定義就可使用。(5)程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。(6)MATL

44、AB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。(7)MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。(8)功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用

45、于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control,toolbox,signl proceessing toolbox,commumnication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高，精，尖的研究。(9)源程序的開放性。開放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。2.1.3 MATLAB系統(tǒng)主要包含的內(nèi)容當(dāng)前流行的MATLAB包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種

46、工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號計算,可視化建模仿真,文字處理及實時控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包,控制工具包,信號處理工具包,通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外,所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。2.2 仿真工具Simulink2.2.1 Simulink簡介Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接

47、口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在Simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)

48、建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運(yùn)行一大類仿真非常有用。采用Scope模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。2.2.2 Simulink的模塊和功能Simulink

49、模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子庫：Continuous(連續(xù)模塊)Discrete(離散模塊)Function&Tables(函數(shù)和平臺模塊)Math(數(shù)學(xué)模塊)Nonlinear(非線性模塊)Signals&Systems(信號和系統(tǒng)模塊)Sinks(接收器模塊)Sources(輸入源模塊)其中每個模塊包含的功能元件為：連續(xù)模塊(Continuous)Integrator：輸入信號積分Derivative：輸入信號微分State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Transfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型Zero-Pole：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型Memory：存儲上一時刻的

50、狀態(tài)值Transport Delay：輸入信號延時一個固定時間再輸出Variable Transport Delay：輸入信號延時一個可變時間再輸出離散模塊(Discrete)    Discrete-time Integrator：離散時間積分器Discrete Filter：IIR與FIR濾波器Discrete State-Space：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Discrete Transfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型Discrete Zero-Pole：以零極點表示的離散傳遞函數(shù)模型First-Order Hold：一階采樣和保持器Zero-Order

51、 Hold：零階采樣和保持器Unit Delay：一個采樣周期的延時函數(shù)和平臺模塊(Function&Tables) Fcn：用自定義的函數(shù)(表達(dá)式)進(jìn)行運(yùn)算MATLAB Fcn：利用matlab的現(xiàn)有函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算S-Function：調(diào)用自編的S函數(shù)的程序進(jìn)行運(yùn)算Look-Up Table：建立輸入信號的查詢表(線性峰值匹配)Look-Up Table(2-D)：建立兩個輸入信號的查詢表(線性峰值匹配)數(shù)學(xué)模塊( Math )     Sum：加減運(yùn)算Product：乘運(yùn)算Dot Product：點乘運(yùn)算Gain：比例運(yùn)算Math Functi

52、on：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學(xué)函數(shù)Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值運(yùn)算Abs：取絕對值Sign：符號函數(shù)Logical Operator：邏輯運(yùn)算Relational Operator：關(guān)系運(yùn)算Complex to Magnitude-Angle：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為幅值和相角輸出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角輸入合成復(fù)數(shù)輸出Complex to Real-Imag：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實部和虛部輸出Real-Imag to Complex：由實部和虛部輸入合成復(fù)數(shù)輸出非線性模塊(

53、Nonlinear )    Saturation：飽和輸出，讓輸出超過某一值時能夠飽和。Relay：滯環(huán)比較器，限制輸出值在某一范圍內(nèi)變化。Switch：開關(guān)選擇，當(dāng)?shù)诙€輸入端大于臨界值時，輸出由第一個輸入端而來，否則輸出由第三個輸入端而來。Manual Switch：手動選擇開關(guān)信號和系統(tǒng)模塊( Signal&Systems )     In1：輸入端。Out1：輸出端。Mux：將多個單一輸入轉(zhuǎn)化為一個復(fù)合輸出。Demux：將一個復(fù)合輸入轉(zhuǎn)化為多個單一輸出。Ground：連接到?jīng)]有連接到的輸入端。Te

54、rminator：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。SubSystem：建立新的封裝(Mask)功能模塊接收器模塊( Sinks )   Scope：示波器。XY Graph：顯示二維圖形。To Workspace：將輸出寫入MATLAB的工作空間。To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。輸入源模塊( Sources )     Constant：常數(shù)信號。Clock：時鐘信號。From Workspace：來自MATLAB的工作空間。From File(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件。Pulse Generator：脈沖發(fā)生器。

55、Repeating Sequence：重復(fù)信號。Signal Generator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。Sine Wave：正弦波信號。Step：階躍波信號。2.3 電力系統(tǒng)工具箱(SimPowerSystems)2.3.1 SimPowerSystems簡介MATLAB提供的電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset以下簡稱PSB)主要是由加拿大的Hydro Quebec和TECSIM International公司共同開發(fā)的，其功能非常強(qiáng)大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真，它提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿

56、真前將其自動變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在Simulink下進(jìn)行仿真分析。MATLAB建模還可以直接調(diào)用PSB中的電氣模塊。PSB含有豐富的元件模型，幾乎提供了組成電力系統(tǒng)的所有元件，包括電力網(wǎng)絡(luò)元件，機(jī)電設(shè)備、電力電子器件，控制和測量環(huán)節(jié)以及三相元件庫等，信號顯示、模塊連接等模塊一般可以在Simulink工具箱中找到。同時PSB提供了圖形用戶界面(Power GUI)，它可以使電路穩(wěn)態(tài)分析得到簡化，并且MATLAB中的power2sys函數(shù)可以將電路仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換為A、B、C、D四個矩陣表示的狀態(tài)變量形式，實現(xiàn)對仿真結(jié)果的計算和分析。這種方法使得復(fù)雜的建模問題變得極為簡便，用戶只需在模型庫里找到相應(yīng)的電氣元件，通過圖形界面輸入元件參數(shù)，即可完成相應(yīng)元件的建模；再通過拖、拉等方式把元件組合起來，即可完成系統(tǒng)建模；再設(shè)置一定仿真參數(shù)，即可進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。2.3.2 模型庫根據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備特性，可將PSB庫內(nèi)的模型分成電源、元件、電力電子器件、電機(jī)、連接器和測量等部分。元件包