MATLAB與電力系統(tǒng)仿真課件

5MATLAB與電力系統(tǒng)仿真5．1電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型電力系統(tǒng)一般由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線(xiàn)路和電力負(fù)荷構(gòu)成。電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般是由電力系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模型組合構(gòu)成。MATLAB為電力系統(tǒng)的建模提供了簡(jiǎn)潔的工具，通過(guò)電力系統(tǒng)的電路圖繪制，可以自動(dòng)生成數(shù)學(xué)模型。電路圖模型的主要特點(diǎn)是具有良好的人機(jī)界面，便于進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，省去了利用程序建立電力系統(tǒng)模型的反覆步驟。利用這種方式構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型相對(duì)于控制系統(tǒng)中的微分方程模型、狀態(tài)方程模型、傳遞函數(shù)模型有著更直觀和實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。另外，在電路圖模型建立以后，在MATLAB軟件中，提供了power2sys函數(shù)作為短路模型的結(jié)構(gòu)分析函數(shù)，可以利用power2sys函數(shù)將電力系統(tǒng)的電路圖模型向狀態(tài)方程模型和傳遞函數(shù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。5MATLAB與電力系統(tǒng)仿真5．1電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1

5．1．1電力系統(tǒng)元件庫(kù)

1．啟動(dòng)和退出電力系統(tǒng)元件庫(kù)

啟動(dòng)電力系統(tǒng)元件庫(kù)的方法有幾種，下面介紹兩種最簡(jiǎn)單的方法。

(1)利用指令窗口（CommandWindows）啟動(dòng)：在指令窗口中鍵入powerlib單擊回車(chē)，則MATLAB軟件中彈出電力系統(tǒng)元件對(duì)話(huà)框（powerlib）(2)利用開(kāi)始（Start）導(dǎo)航區(qū)啟動(dòng)：?jiǎn)螕糸_(kāi)始按鈕，選擇仿真（Simulink）命令，再選擇電力系統(tǒng)仿真命令（SimPowerSystem）,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇電力系統(tǒng)元件庫(kù)（BlockLibrary）命令即可5．1．1電力系統(tǒng)元件庫(kù)

1．啟動(dòng)和退出電力系統(tǒng)元件庫(kù)

2MATLAB與電力系統(tǒng)仿真ppt課件3

2．電力系統(tǒng)元件庫(kù)簡(jiǎn)介在電力系統(tǒng)元件庫(kù)對(duì)話(huà)框中包含了10類(lèi)庫(kù)元件，分別是電源元件（ElectricalSources）、線(xiàn)路元件（Elements）、電力電子元件（PowerElectronics）、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）、演示教程（Demos）、電力圖形用戶(hù)接口（Powergui）、電力系統(tǒng)元件庫(kù)模型（Powelib_models）。

1）電源元件電源元件庫(kù)包括7類(lèi)元件，分別為：直流電壓源元件（DCVoltageSource），交流電壓源元件（ACVoltageSource），交流電流源元件（ACCurrentSource），受控電壓源元件（ControlledVoltageSource），受控電流源元件（ControlledCurrentSource），三相電源元件（3-PhaseSource），三相可編程電壓源元件（3-PhaseProgrammableVoltageSource）。2．電力系統(tǒng)元件庫(kù)簡(jiǎn)介4（1）直流電壓源元件（DCVoltageSource）直流電壓源元件在電力系統(tǒng)中可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)直流的電壓源，如操作電源等。MATLAB軟件提供的直流電源為理想的直流電壓源。（2）交流電壓源元件（ACVoltageSource）交流電壓源可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的單相正弦交流電壓。（3）交流電流源元件（ACCurrentSource）MATLAB軟件提供的交流電流源為一理想電流源（4）受控電壓源元件（ControlledVoltageSource）MATLAB軟件提供的受控電壓源是由激勵(lì)信號(hào)源控制的，激勵(lì)源可以是交流激勵(lì)源也可以是直流激勵(lì)源。（5）受控電流源元件（ControlledCurrentSource）（1）直流電壓源元件（DCVoltageSource）5（6）三相電源元件（3-PhaseSource）三相電源元件是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的電路元件，也是最重要的元件，其運(yùn)行特性對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)起到?jīng)Q定性的作用。三相電源元件提供了帶有串聯(lián)RL支路的三相電源。（7）三相可編程電壓源元件（3-PhaseProgrammableVoltageSource）三相可編程電壓源是可以對(duì)其進(jìn)行編程的三相電壓源，它的幅值、相位、頻率、諧波均可隨時(shí)間進(jìn)行變化，應(yīng)用非常靈活。其主要作用是提供一個(gè)幅值、相位、頻率、基頻分量進(jìn)行實(shí)時(shí)變性編程的三相電壓源；此外，還可以提供兩個(gè)諧波分量，作用于基頻信號(hào)。（6）三相電源元件（3-PhaseSource）62）線(xiàn)路元件線(xiàn)路元件庫(kù)包括各種線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)電路元件和非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)電路元件，線(xiàn)路元件共有4類(lèi)，分別是：支路元件（Elements）、輸配電線(xiàn)路元件（Lines）、斷路器元件（CircuitBreakers）、變壓器元件（Transformers）。（1）支路元件（Elements）支路元件用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種串并聯(lián)支路或者負(fù)載元件，它包括12種元件（2）輸配電線(xiàn)路元件（Lines）在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析中，輸配電線(xiàn)路一般用各種類(lèi)型的等值電路來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化以便于簡(jiǎn)化分析。輸配電線(xiàn)路元件的作用就是構(gòu)成各種線(xiàn)路的等值電路，在輸配電線(xiàn)路元件中包括3種元件2）線(xiàn)路元件7（3）斷路器元件（CircuitBreakers）在電力系統(tǒng)中，斷路器的作用是通斷高壓電力線(xiàn)路，可靠地接通或切斷有載電路和故障電路。斷路器元件就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種電路中的高壓斷路器。在斷路器元件中包括3種元件（4）變壓器元件（Transformers）在電力系統(tǒng)中，電力變壓器是最重要的電氣設(shè)備，其作用是進(jìn)行能量的傳輸并改變電壓的等級(jí)。變壓器的種類(lèi)有很多種，變壓器元件就是用來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的變壓器。在變壓器元件種包括6種元件3）其他元件在電力系統(tǒng)元件庫(kù)中還有其他元件：電力電子元件（PowerElectronics）、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），這些元件都具有特定的功能（3）斷路器元件（CircuitBreakers）83．示例下面以幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)介紹如何使用這些電氣元件。例1：交流電壓源的疊加設(shè)計(jì)的交流電路如圖5-20所示，在此電路圖中，交流電壓源的幅值、頻率、相位均不相同，可以通過(guò)仿真結(jié)果直接對(duì)各自電壓源的輸出和他們的疊加結(jié)果進(jìn)行分析，這種分析方法簡(jiǎn)單、直接。圖5-20交流電壓源的疊加電路圖電路圖設(shè)計(jì)步驟（1）從電源元件庫(kù)選擇交流電壓源元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中。步驟1：將電壓源元件改名為U1步驟2：雙擊交流電壓源元件，對(duì)交流電壓源元件的參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：圖5-20交流電壓源的疊加電路圖3．示例圖5-20交流電壓源的疊加電路圖9

峰值振幅（PeakAmplitude）：100初始相位（Phase）：30頻率（Frequency）：60采樣時(shí)間（Sampletime）：0測(cè)量選項(xiàng)（Measurements）：選擇不測(cè)量電氣量

步驟1：復(fù)制交流電壓源元件并改名為U2步驟2：雙擊交流電壓源元件，對(duì)交流電壓源元件的參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：峰值振幅（PeakAmplitude）：75初始相位（Phase）：60頻率（Frequency）：50采樣時(shí)間（Sampletime）：0測(cè)量選項(xiàng)（Measurements）：選擇不測(cè)量電氣量峰值振幅（PeakAmplitude）：10010

（2）從線(xiàn)路元件庫(kù)中選擇串聯(lián)RLC支路對(duì)串聯(lián)RLC支路元件的參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：電阻（ResistanceR）200電感（InductanceL）100e-3電容（CapacitanceC）150e-6測(cè)量選項(xiàng)（Measurements）：選擇不測(cè)量電氣量（3）從電路測(cè)量?jī)x器中選擇電壓計(jì)元件，復(fù)制后粘貼于電路圖中。（4）在仿真元件庫(kù)（SimulinkLiberary）中選擇示波器，復(fù)制示波器并改變其名稱(chēng)為1。（5）從連接元件庫(kù)（Connectors）中選擇接地及相應(yīng)的元件進(jìn)行合理的放置。對(duì)該電路圖進(jìn)行接線(xiàn)，就可以完成電路圖的繪制。在接線(xiàn)時(shí)，如果提示顏色為紅色，則表示在接線(xiàn)時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

11仿真參數(shù)設(shè)置在電路圖菜單選項(xiàng)中，選擇仿真（Simulation）菜單，激活仿真參數(shù)（SimulationParameters）命令，即可彈出仿真參數(shù)對(duì)話(huà)框，根據(jù)相應(yīng)選項(xiàng)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置：開(kāi)始時(shí)間（Starttime）：0停止時(shí)間（Stoptime）：0.4求解程序類(lèi)型（Type）選項(xiàng)：可變步長(zhǎng)（Variable），Ode45(Domand-Price)最大步長(zhǎng)（Maxstepsize）選項(xiàng)：自動(dòng)（Auto）最小步長(zhǎng)（Minstepsize）選項(xiàng)：自動(dòng)（Auto）初始步長(zhǎng)（Initialstepsize）選項(xiàng)：自動(dòng)（Auto）相對(duì)容差（Relativetolerance）選項(xiàng)：1e-3絕對(duì)容差（Absolutetolerance）選項(xiàng)：1e-6仿真參數(shù)設(shè)置12仿真結(jié)果及分析合理設(shè)置示波器參數(shù)后，激活仿真按鈕，得到仿真結(jié)果如圖所示。示波器1輸出的電壓波形為交流電壓源U1和U2的疊加，橫軸為時(shí)間軸，縱軸為電壓幅值。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，在交流電路中，多個(gè)交流電壓源共同作用的結(jié)果等效于一個(gè)非線(xiàn)性電壓源。圖例1仿真結(jié)果仿真結(jié)果及分析圖例1仿真結(jié)果135．1．2電力系統(tǒng)電路圖模型結(jié)構(gòu)分析利用電力系統(tǒng)工具箱建立電路圖模型，操作簡(jiǎn)單，熟悉電路元件的人員可以很容易地掌握建立電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法，避免了利用程序建模的復(fù)雜步驟。根據(jù)上一小節(jié)示例的建模方法可以很容易建立起電力系統(tǒng)的電路圖模型。在MATLAB軟件中，提供了一種對(duì)電路圖進(jìn)行分析的方法，這就是power2sys函數(shù)。利用該函數(shù)，可以對(duì)電路圖的結(jié)構(gòu)特征、狀態(tài)方程等進(jìn)行較為全面的分析。power2sys函數(shù)的表達(dá)式如下：psb=power2sys('sys','structure')用來(lái)顯示電路圖的結(jié)構(gòu)psb=power2sys(‘sys’,‘sort’)用來(lái)顯示電路圖中元件和支路的信息psb=power2sys(‘sys’,‘ss’)將電路圖模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程[A,B,C,D,x0,states,inputs,outputs,uss,xss,yss,freqyss,Hlin]=psb=power2sys('sys')

用來(lái)顯示電力系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)信息psb=power2sys('sys','net')用來(lái)顯示電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5．1．2電力系統(tǒng)電路圖模型結(jié)構(gòu)分析145．1．3Park變換同步電機(jī)是電力系統(tǒng)中的重要元件，它實(shí)質(zhì)上是由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部件組成。在研究同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，我們都假設(shè)定子三相繞組的結(jié)構(gòu)完全相同，空間位置彼此相差120度，轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組對(duì)極中心軸和極間軸完全對(duì)稱(chēng)。一般，在推導(dǎo)同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)用的是用abc坐標(biāo)系統(tǒng)表示的電壓和磁鏈方程。abc三軸就是定子三相繞組的中心軸線(xiàn)。定子三相繞組中的電流分別表示如下：5．1．3Park變換15利用該坐標(biāo)系統(tǒng)建立同步機(jī)的電壓和磁鏈方程時(shí)非常容易理解，但是所建立的方程為變系數(shù)的微分方程，它們的求解非常的困難。為了克服這個(gè)困難，最簡(jiǎn)單有效的方法時(shí)將定子abc三相繞組的磁鏈和電壓方程用一組新的變量替換，這樣使方程更易于求解。變量變換又稱(chēng)為坐標(biāo)變換，最常用的坐標(biāo)變換，即Park變換。這樣變換后電流的表示方式如下：利用該坐標(biāo)系統(tǒng)建立同步機(jī)的電壓和磁鏈方程時(shí)非常容易理解，但是16（1）abc坐標(biāo)系統(tǒng)變換為dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的變換公式如下：在MATLAB中，使用abc坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為dq0坐標(biāo)系統(tǒng)（abc_to_dq0Transformation）元件可以實(shí)現(xiàn)這種變換。abc_to_dq0Transformation在電力系統(tǒng)元件庫(kù)（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的測(cè)量元件（Measurements）中。

（1）abc坐標(biāo)系統(tǒng)變換為dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的變換公式如下：17MATLAB與電力系統(tǒng)仿真ppt課件18（2）dq0坐標(biāo)系統(tǒng)變換為abc坐標(biāo)系統(tǒng)的變換公式如下：在MATLAB中，使用dq0坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為abc坐標(biāo)系統(tǒng)（dq0_to_abcTransformation）軟件可以實(shí)現(xiàn)這種變換。該元件也在電力系統(tǒng)元件庫(kù)（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的測(cè)量元件（Measurements）中。（2）dq0坐標(biāo)系統(tǒng)變換為abc坐標(biāo)系統(tǒng)的變換公式如下：在M19MATLAB與電力系統(tǒng)仿真ppt課件20

5.2電力系統(tǒng)時(shí)域分析5．2．1電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行分析法－對(duì)稱(chēng)分量法電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可以認(rèn)為是三相對(duì)稱(chēng)的，即個(gè)元件三相阻抗相同，各處三相電壓和電流對(duì)稱(chēng)，且具有正弦波形和正常相序。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路或個(gè)別地方一相或兩相斷開(kāi)時(shí)，則對(duì)稱(chēng)運(yùn)行方式遭到破壞，三相電壓和電流將不對(duì)稱(chēng)，而且波形發(fā)生不同程