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MATLAB在电力系统仿真中的应用和研究


2007 年 2 月
第 1 期 总第 25 期) (

安阳工学院学报

Feb. 2007 No. 1( Gen. No. 25 )

Journal of Anyang Institute of Technology

MATLAB 在电力系统仿真中的应用 和研究
王 辉 1

.2 衡卫华 3
( 1. 平顶山工学院 电气与电子工程系, 河南 平顶山 467001; 2. 天津大学 电气与自动 化工程学院, 天津 300072 ; 3. 濮阳市供电公司, 河南 濮阳 457000)
摘 要: 介绍了 Matlab/ Simulink 仿真工具在电力系统仿真中的应用方法, 并利用其中的电力系统工具箱 (Power System Tool-

box)对电力系统进行了建模和数字传真。
关键词: 电力系统; 数字仿真; 电力系统工具箱; MATLAB 语言 中图分类号: TP391.9 文献标识码: A 文章编号: 1673- 2928(2007)01- 0061- 06

现代电力系统是一个超高压、 大容量、 跨区域、 自动化程度高的巨大联合动力系统。 在这种现实情况下, 许 多大型电力科研实验条件难以满足, 考虑到系统的安全运行有时也不允许进行实验 (如系统短路等实验 )。目 前, 电力系统稳定分析和新装置(如 FACTS 等)的研制, 几乎都离不开仿真研究。电力系统仿真软件有很多, 当 今比较流行的电力系统仿真软件主要有 EMTP ( Electromagnetic Transients Program)仿真程序, 德国西门子公司 开发的 NETOMAC 软件, 美国电力公司 ( PTI)开发的 PSS/E ( Power System Simulator forEngineering), Math works 公司开发的 MATLAB 中所包含的电力系统工具箱 (Power System Toolbox), 以及中国电力科学院开发的基于 暂态稳定和短路电流计算的仿真软件 PSASP。 MATLAB 以其强大的计算功能、 友 DOS 系统的电力系统潮流、 好的动态仿真环境和丰富的工具箱越来越成为从事包括电力网络、 电力电子和控制系统等的学习和研究的重 要仿真工具。



MATLAB 的电力系统工具箱(P owe r S ys te m Blocks e t 简称 P S B) MATLAB 是一个高级的数学分析与运算软件, 可以用作动态系统的建模与仿真。正如其名(矩阵实验室),

它非常适用于矩阵的分析与运算。 MATLAB 是一个开放的环境, 在这个环境下, 人们开发了许多具有特殊用 途的工具箱软件, 如控制系统、 信号处理、 最优控制、 鲁棒控制及模糊控制工具箱等。其编程方便, 并在图形显 示、 打印操作上亦很方便。 在 MATLAB6.5 提示符下键入 powerlib 命令, 如图 1 所示。这个命令打开 Simulink 窗口, 并且展示电力系 统工具箱中的不同子模块工具箱。 Powerlib 中几乎提供了组成电力系统的所有元件, 如机电设备、 在 电力电子 元件、 测量元件等。信号显示、 模块连接等模块一般可以在 Simulink 工具箱中找到。 双击图中任一模块将弹出一个仿真元件窗口, 如双击电源模块(Electrical Sources)将弹出各种电源窗口, 其 中包括直流电压源 (DC Voltage Source), 交流电压源 AC Current Source), 交流电流源 AC Voltage Source) , 三相 〔 ( 电源 3- Phase Source) , 三相可编程电压源 3- PhaseProgrammable Voltage Source), 受控电压源 (Controlled Voltage ( (

Source)及受控电流源(Controlled Current Source)等七种电源模型。 2
仿真元件使用简介

MATLAB 对电路进行仿真是基于图形仿真软件 Simulink 环境下, 操作只需鼠标的拖放和设定元件的参
数, 然后连线即可进行仿真, 使用很简单。电力系统工具箱中模块库及库中元件很多, 现仅对常用的电阻和电

* 收稿日期: 2006- 09- 13 作者简介: 王 辉 (1969- ), 男, 河南邓州人, 天津大学电力系统及其自动化专业在职研究生, 平顶山工学院教师, 副教授, 主要从事电力电
子技术应用、 电力传动及电力系统稳定性分析研究工作。

? 61?

图 1 MATLAB 的电力系统工具箱 机简介如下。 电感)的仿真 2.1 电阻(电容、 电阻元件在 Elements 库中, 双击 Elements 模块, 弹出标题为 Library: Powerlib/Elements 的元件窗口, 库中 电容及电感的串联或并联支路 Series or Parallel RLC Branch) 。 ( 仿真时用鼠标 没有单独的电阻元件, 而是电阻、 把 RLC 串联支路拖放至标题为 untitled 的工作窗口, 窗口中出现一个复制的 RLC 串联支路, 然后双击此 R 串 联元件, 弹出 R、 、 的参数设定窗口。如仅用电阻元件, 则把 L 和 C 的参数设定栏改为 0 和 inf, R 的参数设 L C 亨利、 法拉, 图 2 分别是一个电阻 (20Ω)及一个阻容串 定标准填入需要的值即可。 R、 、 的单位分别为欧姆、 L C 联元件(20Ω—1μF)

图 2 电阻及阻容串联元件

图 3 异步电机模型及测量环节

2.2 电动机的仿真
强耦合、 非线性系统, 仿真需建立多维 通常对电动机的仿真是非常困难的, 因为电机本身是一个多变量、 方程组, 对其编程来实现。 Matlab 对电机仿真则非常容易, 只需设定一些电机参数即可实现。 而 双击图 1 中的 异步电机、 永磁同步电机等, 还有电机 Machines 模块, 弹出一个包含几种电机模型的子窗口, 其中有同步电机、 的测量环节, 现以三相异步电机为例说明其仿真过程。 用鼠标拖放异步电机模型(Asynchronous Machine SI Units)至工作窗口。注意有两种异步电机模型, 这里拖 然后在工作窗口中双击电机模型, 将弹出电 放的是标准形式的电机, 另一种是以标幺值形式 (pu Units)表示的。 线电压、 频率; 定子电阻、 漏感; 转子电阻、 漏感; 定转子互 机参数设定窗口, 需设定的参数有: 电机额定功率、 感; 转动惯量、 摩擦系数、 电机极对数; 电机初始条件: 转差率、 电位角、 定子相电流和相角。通常最后一项除转 差率设为 1, 其余均设为 0, 其他各项则根据仿真所用的电机实际参数设定 , 图 3 是一个三相异步电机模型。 图中异步电机模型的 A, B, C 端口是三相定子电源输入端口, Tm 端口是电机轴上的机械转矩, 电机作电动机 运行时 Tm 应为正值, 作发电机运行时 Tm 应为负值。电机转子侧的 a, b , c 三个端口一般通过总线短接在一 起。 电机模型的 m 端口是各种测量值的输出端口。 电机的可测量值有 20 个, 如定、 转子三相电流, d- q 坐标上 ? 62?

的定、 转子电压和磁链, 电机转速及电磁转矩。但这些量不能直接从 m 端口输出, 必须由电机测量环节 (Ma-

chines Measurement Demux)输出, 即把 m 端口和测量环节的 m 端口相连, 测量环节的输出端口就可输出各测
量值。这样就可以用仿真示波器直接观测电机各个量的波形, 也便于把电机一些输出量, 如电流、 电压、 转速 接回输入端, 形成各种闭环控制。 需注意的是, Matlab 的电机模型是基于转子旋转坐标系(d- q 坐标系), 因此凡 是输出量下标为 qd 的都是 d- q 坐标上的量, 如要和静止坐标系或同步旋转坐标系上的量进行反馈比较, 需 对输出量进行坐标变换。 上面介绍了电阻和电机的仿真应用, 其他电气元件用法与此类同, 只需设定元件参数和实际值相符, 然后 在工作窗口中进行输入和输出的连线, 形成完整的电路就可开始仿真, 下面介绍两个仿真实例。



仿真实例 下面分别给出两个仿真实例, 并对所得结论分别作简要说明。

3.1 实例 1: 直流电路中电容的充电过程 3.1.1 电路描述
如图 4 为利用 MATLAB SIMULINK 建立的系统仿真模型图, 直流电压源电压为 110 V, 并在测量选项中 选择测量电压,通过断路器 Break 与 RC 负载相连。断路器开始是闭合的, 假设在 t= 3ms 时合上, 即断路器参 数转换时间为 0.003s。系统其他元件参数如图 4 所示, 假设断路器开关为理想开关, 为保证仿真接近实际, 其 参数为: 断路器电阻 Ron= 0.01Ω、 初始状态为 0、 缓冲电阻选 inf、 缓冲电容选 0 。 新增元件为测量电容电压, 万 用表分别测量电压源电压、 电阻元件的电压和电流。 仿真参数 (Simulation Parameters): 积分类型 (Integrator type)为 Stiff, 积分算法为 ode23s, 开始时间选 0 , 结束 时间选 0.008s, 其余取系统缺省选项。

3.1.2 仿真结果
启动仿真观测电感电流电容电压波形, 如图 5 所示。从图形可以看出, 当断路器在 0.003s 闭合后, 加在电 容上的电压幅值呈指数规律递增, 在 0.004s 时达到 80V, 在 0.006s 时基本达到稳态, 稳态值为 110V。

图 4 系统仿真模型图

图 5 电容电压

图 6 电压源电压、 电阻电流和电压 ? 63?

直流电压源电压、 电阻电流和电压波形如图 6 所示。图 6 中最上面一条直线代表直流电压源电压, 说明 其在暂态过程中一直保持在 110V。电阻电压波形为图中间起伏较大的一条曲线, 从图中可以看出, 当断路器 在 0.003s 闭 合 前 , 电 阻 上 没 有 电 压 , 当 断 路 器 闭 合 后 , 电 阻 电 压 突 然 增 大 到 110V, 而 后 逐 渐 衰 减 , 同 样 在 电阻电压波形为图中下方一条曲线, 其变化规律与电阻电压完全相同。 0.006s 时基本达到稳态, 稳态值为 0V。

3.2 单相接地短路仿真 3.2.1 电路描述
简化的单相接地短路电路模型如图 7 所示。

图 7 简化单相接地短路电路模型 交流电压源幅值 75V, 初始相位 20 度, 频率 50 赫兹, 采样时间 0 ; RLC1、 RLC2 支路电阻 10 欧 , 电感 70 毫亨, 电容 1 微法, 选择测量支路电流; 断路器电阻 0 , 初始状态 0 , 缓冲电阻 1 兆欧, 缓冲电容 inf, 转换时间 ( [0.02 0.05] 表示 0.02s 时闭合, 0.05s 时打开) , 采样时间 0, 选择测量支路电流和支路电压。 ( 短路电 在万用表元件参数对话框中, 可测量电器元件中显示 4 个电气量, 分别是短路电压 Ub:BREAK) 、 流 Ib:BREAK) 、 ( 支路 RLC1 的电流 Ib:RLC1) 、 ( 支路 RLC2 的电流 Ib:RLC2) 。 ( 仿真参数: 积分算法为 ode15s, 开始时间选 0, 结束时间选 0.1s, 其余取系统缺省选项。

3.2.2 仿真结果
启动仿真按钮, 查看仿真波形图。

1) 故障点电压波形图。在万用表元件中选择短路电压
测量量, 波形如图 8 a) 所示, 由图形可知: 稳态时, 短路电压 ( 实际上是加在 RLC2 支路上的电压, 其波形为正弦波, 相位 滞后于电源电压相位, 电压峰值为 37.5 伏。在 0.02s 时, 断 路器闭合, 相当于此时电路发生短路, 此时短路电压迅速降 为 0 伏。在 0.05s 时, 断路器打开, 相当于排除故障。此时短 路电压由于断路器的非线性特性, 延迟一些恢复电压。由于 此时在支路 RLC2 上具有初始输入量, 因而加在该支路上的 恢复电压波形上移, 但周期、 形状不变。

2) 故障点电流波形图。在万用表元件中选择短路电流
测量, 波形如图 8 b) 所示, 由图形可知: 稳态时, 短路电流由 ( 于断路器断开, 因而电流为 0 。在 0.02s 时, 发生短路, 此时 短路电流为 RLC1 支路和 RLC2 支路电流的叠加之和, 因此 出现波动, 由此也可判断此时电路短路。 0.05s 时, 断路器 在 打开, 故障排除, 此时短路电流迅速降为 0 。 支 路 RLC1 的 电 流 Ib:RLC1) 、 路 RLC2 的 电 流 波 形 ( 支 分别如图 8 c) 、d) 所示, 此处不再介绍。 ( ( 图 8 仿真波形图 ? 64?

3.2.3 电力系统分析工具

实用电力系统分析工具进行稳态和暂态的时域分析, 可对电力系统进行如下分析, 如获取稳态电压和电 流向量, 改变状态变量的初始状态进行时域仿真, 以及对状态方程模型进行不同输入量的时域相应分析, 下面 以获取稳态电压和电流向量为例, 说明其使用方法。 启动仿真按钮后, 点击图 7 中的 powergui 图标, 单击稳态电压和电流 steady- state voltage and currents) 选 ( 项, 则弹出稳态电压和电流对话框, 如图 9 所示。显示出单相短路电路相关量的稳态分量, 如表 1 所示: 表 1 稳态电压和电流向量表
    %&   "  $   $ " ’" *+,& ’

I 1 _ RLC1  U C _ RLC1  I 1 _ RLC 2  U C _ RLC 2 

 !  #  !  # ! (#    # ! (# 

 !  !   $    !  $ $ 

Ub : BREAK  Ib : BREAK  Ib : RLC1 
Ib : RLC 2 

  )  $ )

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图 9 获取稳态电压和电流向量



结语 以上通过两个实例介绍了 MATLAB 在电力系统仿真研究中的应用, 可以看到使用基于图形界面的建模

仿真软件(如 MATLAB)应用范围极广, 几乎所有工程领域仿真都可适用。而基于 MATLAB 语言的电力系统工 具箱, 可以非常方便地建立电力系统各种模型, 并且可以将这些模型保存起来, 建立复杂的系统仿真模型。同 时, 利用 MATLAB 强大的计算功能和编程技术, 可以提高仿真计算的灵活性和效率, 为仿真电力系统, 分析电 ? 65?

力系统提供了一种新的手段。 参考文献:
[1]吴天明, 谢小竹, 彭彬 . MATLAB 电力系统设计与分析 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2004. [2]施阳等 . MATLAB 语言精要及动态仿真工具 SIMULINK[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1997. [3]张宣华 . 精通 MATLAB 5[M]. 北京 :清华大学出版杜, 1999. [4]王梅义 , 等 . 大电网系统技术 [M]. 北京: 中国电力出版杜, 1995. [5]张晓春 , 等 . 基于 MATLAB 语言的电力系统暂态稳定仿真 [J]. 湖北电力, 2000(9). [6]张伟, 许广彬 . Matlab 5. 2 在电气仿真中的应用 [J]. 电脑天地, 1999(10). [7]彭疆南 . MATLAB 及其在电力系统仿真研究中的应用 [J]. 沈阳工程学院学报, 2000(1). [8]张金姣 . 基于 Matlab 的控制系统仿真 [J]. 湖北工业大学学报 ,2004,19(3).

The application and research of MATLAB in the Simulation of Power System
WANG Hui1,2 HENG Weihua3
( 1. Pingdingshan Institute of Technology, Pingdingshan 467001, Henan, China;

2. School of Electrical Engineering and Automation , Tianjin University, Tianjin 30072, China; 3. Puyang Electric Power Company, Hena , 457000) Abstract : This paper presents the methods of power system simulation using Matlab/Simulink , by using its Power
system toolbox models power system elements and processes digital simulation.

Key words power system; digital simulation ; Power system toolbox; MATLAB

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