發(fā)電畢業(yè)設計

1、第1章 系統(tǒng)仿真概論1.1 概 述系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)一詞最早見著于古希臘原子論創(chuàng)始人得謨克里克特的著作世界大系統(tǒng)一書。該書論述了關于系統(tǒng)的含義，戈登在總結前人思想的基礎上，將系統(tǒng)定義為“按照某些規(guī)律結合起來，互相作用、互相依存的所有實體的集合或總和?，F(xiàn)代工程建立系統(tǒng)該尤為重要，通過為工程建立系統(tǒng)的模型使得該系統(tǒng)在具體實施之前有充分的、量化的依據(jù)，減少在工程在實施過程中的風險，防止重復建設，通過模型對系統(tǒng)的各項經濟指標和技術指標有充分的了解和認識，使資金的風險降低和有效利用，使工程不受被研究系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性的限制，保證被研究系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)試驗的經濟性，可用于對未來系統(tǒng)的預測以及可持續(xù)發(fā)展以

2、及合理利用方面都有積極的意義。人們在長期的研究與應用中，創(chuàng)造了適于不同對象研究分析要求的模型描述形式，Oren 進行了總結，將模型形式加以分類如表1.1所示： 模型描述變量的軌跡模型的時間集合模型形式變量范圍連續(xù)離散空間連續(xù)變化模型空間不連續(xù)變化模型連續(xù)時間模型偏微分方程Ö常微分方程Ö離散（變化）模型離散時間模型差分方程ÖÖ有限狀態(tài)機Ö馬爾可夫鏈Ö連續(xù)時間模型活動掃描ÖÖ時間調度ÖÖ進程交互ÖÖ表1.1模型分類 “建模試驗分析”的基礎上，提出了“仿真是一種基于模型的活動”的定

3、義，被認為是現(xiàn)代仿真技術的一個重要概念。實際上，隨著科學技術的進步，特別是信息技術的迅速發(fā)展，“仿真”的技術含義不斷的得以發(fā)展和完善。無論哪種定義，仿真基于模型這一基本觀點是共同的。綜上所述，“系統(tǒng)、模型、仿真”這三者之間有著密切的聯(lián)系。系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真是通過對模型的試驗以達到研究系統(tǒng)的目的?，F(xiàn)代仿真技術均是在計算機支持下進行的，因此，系統(tǒng)仿真也稱為計算機仿真。系統(tǒng)仿真有三個基本活動，即系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真實驗，聯(lián)系這三個活動的是系統(tǒng)仿真的三要素，即系統(tǒng)、模型、計算機（包括硬件和軟件）。關系如圖1.1所示。系 統(tǒng)計算機模 型系統(tǒng)建模仿真實驗仿真建模圖1.1 系統(tǒng)、模

4、型、計算機的關系現(xiàn)代仿真技術的一個重要進展是將仿真活動擴展到上述三個方面，并將其統(tǒng)一到同一個環(huán)境中。在系統(tǒng)建模方面，除了傳統(tǒng)的基于物理學、化學、生物學、社會學等基本定律及系統(tǒng)辨識方面等方法外，現(xiàn)代仿真技術提出了用仿真方法確定系統(tǒng)的模型。仿真建模方面，除了適應計算機軟硬件環(huán)境的發(fā)展而不斷研究和開發(fā)出許多新算法和新軟件外，現(xiàn)代仿真技術采用模型與試驗分離技術，即模型和數(shù)據(jù)驅動（data driven）。任何一個仿真問題可分為兩部分：模型與實驗，這一點，現(xiàn)代仿真技術于傳統(tǒng)的仿真定義是相同的。在仿真實驗方面，現(xiàn)代仿真技術將實驗框架與仿真運行控制區(qū)分開來。一個實驗框架定義一組條件，包括：模型參數(shù)、輸入變量

5、、觀測變量、初始條件、終止條件、輸出說明。Oren將上述思想加以總結，提出了現(xiàn)代仿真技術的概念框架，如圖1.2所示：系統(tǒng)仿真的一般步驟如圖1.3所示： 仿真問題描述特定模型: 參數(shù)模型 參數(shù)值實驗:實驗框架仿真運行控制行為產生 模型行為及處理 模型行為(仿真數(shù)據(jù))軌跡行為結構行為行為處理：分析、顯示現(xiàn)代仿真技術的概念框架 系統(tǒng)仿真的一般步驟圖1.2與 1.3 現(xiàn)代仿真技術的概念框架與系統(tǒng)仿真的一般步驟實際系統(tǒng)建模與形式化形式建模仿真建模程序設計仿真運行仿真建模校驗可信否?正確否?仿真結果分析正確否?結束系統(tǒng)仿真類型可以從不同的角度對系統(tǒng)仿真進行分類。比較典型的分類方法是：根據(jù)模型的種類分類；更

6、具仿真所采用的計算機類型分類；根據(jù)仿真時鐘與實時時鐘的比例關系分類；根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類。1、 根據(jù)模型的種類分類根據(jù)模型的種類不同，系統(tǒng)仿真可分為三種：物理仿真、數(shù)學仿真和半實物仿真。按照真實系統(tǒng)的物理性質構造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進行試驗的過程稱為物理仿真。對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學關系加以描述而得到的系統(tǒng)的數(shù)學模型，對數(shù)學模型進行試驗的過程稱為數(shù)學仿真。半實物仿真即將數(shù)學模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行試驗。仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的試驗。2、根據(jù)仿真計算機類型分類 按所使用的仿真計算機類型也可將仿真分為三類：模擬計算機仿真、數(shù)字計算機仿真和數(shù)字模擬混合仿真

7、。本質上，模擬計算機仿真是一種并行仿真，即仿真時，代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。早期的數(shù)字計算機仿真是一種串行仿真。數(shù)字模擬混合仿真，即將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計算機上執(zhí)行，另一部分在數(shù)字計算機上運行，兩個計算機之間利用模數(shù)和數(shù)模轉換裝置交換信息。隨著計算機技術的發(fā)展，今天的計算機仿真一般指的就是數(shù)字計算機仿真。3、 根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類實際動態(tài)系統(tǒng)的時間基稱為實際時鐘，而系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真時鐘。根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關系，系統(tǒng)仿真分為實時仿真、亞實時仿真和超實時仿真。4、 根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類仿真基于模型，模型的特性直接影響著仿真的實現(xiàn)

8、。從仿真的角度來看，系統(tǒng)模型特性可分為兩大類，一類稱為連續(xù)系統(tǒng)，另一類稱為離散系統(tǒng)。由于這兩類系統(tǒng)固有運動規(guī)律的不同，因而描述其運動規(guī)律的模型形式就有很大的差別，相應的，系統(tǒng)仿真技術也分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)。 仿真技術的應用仿真技術作為一門獨立學科已經有50多年的歷史，它不僅用于航天、航空、各種武器系統(tǒng)的研制部門，而且已經廣泛的應用于電力、交通運輸、通信、化工、核能等各個領域。系統(tǒng)計算機仿真得以發(fā)展的重要原因在于它帶來的社會經濟效益。系統(tǒng)仿真用于電力系統(tǒng)就稱之為電力系統(tǒng)計算機仿真。如對電力系統(tǒng)的性能測試、參數(shù)整定和設計方案的評估；對電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)的仿真、研究電磁暫態(tài)、電磁諧振、

9、機電振蕩、機組軸系扭振和由斷路器切換、雷電流沖擊引起的暫態(tài)過程；它還包括潮流計算、超高壓直流輸電換流器、控制系統(tǒng)和統(tǒng)計分析等內容；電力系統(tǒng)中心調度所的在線計算機仿真，以輔助現(xiàn)場調度人員進行經濟調度、預測和分析電力系統(tǒng)的安全性，監(jiān)測電能管理軟件的性能，確定電能管理決策等。電力系統(tǒng)計算機仿真有如下優(yōu)點：1、不受被研究系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性的限制。2、保證被研究系統(tǒng)的安全。3、系統(tǒng)試驗的經濟性。4、可用于對未來系統(tǒng)的預測。第2章 MATLAB與Simulink簡介 2.1 MATLAB語言簡介 MATLAB語言的發(fā)展狀況MATLAB語言的首創(chuàng)者Cleve Moler教授在數(shù)值分析，特別是數(shù)值線性代數(shù)的領

10、域中很有影響。1980年前后構思并開發(fā)了MATLAB（即矩陣實驗室），這一軟件利用了他研制的、在國際上頗有影響的EISPACK（基于特征值計算的軟件包）和LINPACK（線性代數(shù)軟件包）兩大軟包中可靠的子程序，用Fortran語言編寫了集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)在使用的較多的版本是Cleve Moler 和John Little等人成立的The MathWorks公司在1999年初推出的MATLAB5.3版以及新版本的最優(yōu)化工具箱和Simulink3.0。2000年10月，MATLAB6.0問世，在操作街面上有了很大改觀、同時還給出了程序發(fā)布窗口、歷史信息窗口和變量管理

11、窗口等，為用戶的使用提供了很大的方便；在計算機內核上拋棄了其一直使用的LINPACK和EISPACK，而采用了更具優(yōu)勢的LAPACK軟件包和FFTW系統(tǒng)，速度變得更快，數(shù)值性能也更好；在用戶圖形界面設計上也更趨合理；與C語言接口及轉換的兼容性也更強；與之配套的Simulink4.0版的新功能也特別引人注目。2001年六月推出的MATLAB6.1版及Simulink4.1版本是目前的最新版，功能已經是十分強大，其新的虛擬現(xiàn)實工具箱更給仿真結果三維視景下顯示帶來了新的解決方案。The MathWorks公司目前正致力于新版本的開發(fā)、測試，已經于2002年6月推出MATLAB Release13，即

12、MATLAB6.5/Simulink5.0。目前，MATLAB已經成為國際上最流行的科學計算與工程計算的軟件工具，現(xiàn)在的MATLAB已經不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經成為了一種具有廣泛應用前景的、全新的計算機高級編程語言了，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內外高校和研究部門正扮演著重要的角色。 MATLAB軟件系統(tǒng)的構成MATLAB軟件主要是由主包、Simulink和工具箱三大部分組成。MATLAB語言是一種基于矩陣和數(shù)組的高級語言它具有流程控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出，并且具有面向對象的程序設計特性。用MATLAB編寫程序就像在便簽上列公式和求解一樣簡單。MATLAB工作環(huán)

13、境集成了許多工具和程序，用戶工作環(huán)境中提供的功能完成它們的工作。MATLAB工作環(huán)境給用戶提供了管理工作空間內存放變量和輸入輸出數(shù)據(jù)的功能，并給用戶提供了不同的工具用以開發(fā)、管理、調試文件和MATLAB應用程序。MATLAB數(shù)學函數(shù)庫是數(shù)學算法的一個巨大集合。該函數(shù)庫既包括了諸如求和、余弦、復數(shù)運算之類的簡單函數(shù)；也包含了矩陣、轉置、特征值、貝賽爾函數(shù)、快速傅里葉變換等復雜函數(shù)。MATLAB應用程序接口（API）是一個MATLAB語言通C和Fortran等其它高級語言進行交互的庫。包括從MATLAB調用其它程序（動態(tài)鏈接），把MATLAB作為計算引擎來調用，還包括寫MATLAB數(shù)據(jù)文件。Sim

14、ulink是用于動態(tài)系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)。Simulink允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個系統(tǒng)，并能夠動態(tài)的控制該系統(tǒng)。Simulink采用鼠標驅動方式，能夠處理線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量及多系統(tǒng)等問題。工具箱是MATLAB用來解決各個領域特定問題的函數(shù)庫，它是開放式的，可以應用，也可以根據(jù)自己的需要進行擴展。MATLAB提供的工具箱為用戶提供了豐富而使用的資源，工具箱的內容非常廣泛，涵蓋了科學研究的很多門類。目前，以涉及數(shù)學、控制、通信、信號處理、經濟、地理等多種學科的二十多種MATLAB工具箱投入使用。應用MATLAB的各種工具箱可以在很大程度上減少用戶編程的復雜程度。2.2 Si

15、mulink 簡介 Simulink入門Simulink 是MATLAB提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包。他讓用戶把精力從編程轉向模型的構造。Simulink 一個很大的優(yōu)點是為用戶省去了許多重復的代碼編寫工作，用戶就不用一步步的從最底層開始編起。Simulink 的最新版本是Simulink4.0（包含在MATLAB6.0里）,啟動Simulink 的方法有很多種,按照MATLAB 的傳統(tǒng)方式,之要在MATLAB 窗口輸入>>Simulink 這樣,一個稱為Simulink Library Browser 的窗口就會出現(xiàn)在桌面上,它的樣子如圖3-1所示。圖2.1 Simu

16、link Library Browser 的窗口Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真、和分析的軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合。對于建模，Simulink提供了一個圖形化的用戶界面（GUI），可以用鼠標點擊和拖拉模塊的圖標建模。通過圖形界面，用戶可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣簡單。定義完模型后，可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB的命令窗口輸入命令對它進行仿真，菜單對于交互式工作非常方便。使用Scope或其它顯示模塊可以在運行仿真時觀察到仿真的結果，另外，還可以在仿真時改變參數(shù)，并且立即就可以看到有什么變化，對它進行分析。 Simuli

17、nk實時工作環(huán)境的作用及其主要特點Simulink時實工作環(huán)境（Real-Time Workshop）自動的直接從Simulink的模塊圖生成C語言代碼，這將允許連續(xù)、離散時間或者混合系統(tǒng)的模型可以運行于各種計算機平臺，其中包括實時硬件，但Simulink是必不可少的。一、Simulink實時工作環(huán)境的作用快速建模 作為一個快速建模工具，實時工作環(huán)境使得用戶可以快速實現(xiàn)自己的設計，而不用手工編寫長長的代碼然后進行調試?？刂菩盘柼幚砗蛣討B(tài)系統(tǒng)的算法可以通過開發(fā)圖形化的Simulink模塊圖，并且自動生成C語言代碼來實現(xiàn)。 嵌入式實時控制 義演一個系統(tǒng)已經用Simulink設計出來，就可以生成實時

18、控制器或數(shù)字信號處理器的代碼，然后可對代碼進行編譯、鏈接，最后裝載到目標處理器中，實施工作環(huán)境支持DSP板，嵌入式控制系統(tǒng)，以及多種用戶和商業(yè)開發(fā)的硬件。實時仿真 對循環(huán)中硬件仿真，可以為整個系統(tǒng)或指定的分系統(tǒng)創(chuàng)建和執(zhí)行代碼，典型的應用包括訓練仿真器，模型驗證和測試。單機仿真 單機仿真可以在你的主機上直接運行或者傳送到另外的系統(tǒng)上以遠程方式執(zhí)行。由于時間歷史數(shù)據(jù)被以二進制或ASCII文件保存在MATLAB中，可以很容易的被裝入MATLAB中以進一步的分析或圖形顯示。二、實時工作環(huán)境的特點實時工作環(huán)境具有一系列復雜的能力和特性以提供實現(xiàn)各種應用的靈活性。(1) 自動代碼生成以處理連續(xù)時間、離散時

19、間和混合系統(tǒng)。(2) 優(yōu)化代碼以保證快速執(zhí)行。(3) 控制框架結構應用程序接口（API）自動的使用定制的make文件來創(chuàng)建和下載object文件到目標硬件上。(4) 可移植的代碼使其應用環(huán)境更加廣泛。(5) 簡明、可讀并具有詳細注釋的代碼使得維護非常簡單。(6) 從Simulink下載到外部硬件上的交互參數(shù)使系統(tǒng)在工作狀態(tài)下很容易調整。(7) 一個菜單驅動的圖形用戶界面使得軟件的使用非常容易。三、建立模型的一般步驟在Simulink 環(huán)境下，編輯模型的一般過程是：首先打開一個空白的編輯窗口，然后將模塊庫中的模塊復制到編輯窗口，并依照給定的框圖修改編輯窗口中模型的參數(shù)，再將各個模塊按照給定的框圖

20、連接起來，這樣就可以對整個模型進行仿真了。在 Simulink 中打開一個空白的模型窗口有幾種方法：·在MATLAB的命令窗口種選擇File|New|New Model菜單項；·單擊Simulink工具欄中的“新建模型”圖標；·選中Simulink菜單系統(tǒng)中的File|New|New Model菜單項；·還可以使用new_system命令來建立新模型。無論采用那種方式，都漿自動打開一個空白窗口模型，在這個窗口下我們可以任意的編輯所需要的系統(tǒng)模型了。第3章 電力系統(tǒng)模塊集與簡單電子線路仿真3.1 電力系統(tǒng)模塊集簡介電力系統(tǒng)模塊集簡介Simulink中可以使

21、用的電力系統(tǒng)仿真模塊集（Power Systems Blockset）主要是由加拿大的HydroQuebec和International公司共同開發(fā)的，其功能非常強大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(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行模型繪制，在仿真前將自動將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后才能在Simulink下進行仿真分析。在MATLAB命令窗口中鍵入powerlib，則將得出如圖所示的模塊集。圖3.1 電力系統(tǒng)模塊集當然，電力系統(tǒng)模塊集中的器件還可從Simulink模塊瀏覽窗口中直接啟動。可見，在該模塊集中還有很多子模塊集，雙擊每一個圖標都將打開一個下級子

22、模塊集，例如雙擊Electrical sources圖標將打開如圖所示的電源子模塊集，其中有直流和交流電源，以及各種受控電流源和電壓源等。若雙擊模塊集中的Measurements圖標，則將的處如圖所示的子模塊集，其中有各種檢測端口，如電流表、電壓表和阻抗表，該組中還包括各種其他擴展的子模塊集。圖3.2電源子模塊集與檢測子模塊集現(xiàn)將電力系統(tǒng)模塊集中所包含的模塊作以簡介。電力系統(tǒng)模塊集包含的模塊有：Connectors(連接器庫)，Electrical Sources（電源庫），Elements(元件庫)，Extra Library(附加庫)，Machines(電機庫)，Measurements(

23、儀表庫)，Power Electronics(電力電子元件庫)，Powergui(電源圖形用戶界面模塊)。（1）電源模塊中的模塊有直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源、可控電流源五個模塊。（2）元件庫中的模塊有：串聯(lián)RLC支路、串聯(lián)RLC負載、并聯(lián)RLC支路、并聯(lián)RLC負載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、電涌放電器、分布參數(shù)線路、短路器、截面導線等十一個模塊。（3）電力電子元件模塊庫中的模塊有：理想開關、金屬氧化物半導體場效應管、門電路、二級管、可控硅等六個模塊。（4）儀表模塊庫中的模塊有：電壓測量模塊和電流測量模塊。（5）連接器模塊庫中的模塊有：接地（輸入、輸出）兩個模塊，局部接

24、地（輸入、輸出）兩個模塊，T形和L形連接器模塊，多進多出（水平、垂直）連接器模塊、多進多出（水平、垂直）薄連接器模塊。（6）電機模塊庫中的模塊包括簡單同步電機三個模塊，永磁同步電機兩個模塊，異步電機三個模塊，渦輪與調節(jié)器兩個模塊、同步電機四個模塊。（7）電源庫附加模塊庫又包括測量模塊庫，三相模塊庫，控制模塊庫和附加電機模塊庫。圖3.3 元件庫測量模塊庫，有三個模塊。三相模塊庫，有十五個模塊。控制模塊集，有定時器和同步6脈沖發(fā)生器兩個模塊。附加電機庫，有一個直流電機模塊。圖3.4 電力電子元件庫圖3.5 電機庫 圖3.6 連線類子模塊集圖3.7 三相庫圖3.8 連接器類子模塊集如下圖所示3.1.

25、2 標幺值（p.u.）下表給出了一些在電力系統(tǒng)中常用的國際單位制符號 物理量單位符號時間Seconds長度Meterm重量kilogramkg熱量JouleJ電流AmpereA電壓VoltV有功功率WattW視在功率volt ampereVA無功功率Varvar電感Ohm電抗Ohm感應系數(shù)HenryH電容FaradF磁鏈volt secondV. s轉速radians per secondrevolutions per minuterad/srpm轉矩Newton meterN.m慣性kilogram (meter)2kg.m2摩擦因數(shù)Newton meter second通常我們在搭建系統(tǒng)時

26、，為方便起見常使用標幺值系統(tǒng)，這一點在MATLAB中體現(xiàn)的比較突出。它可以使運算步驟簡化，數(shù)值簡明便于分析。標幺值的一般表達式為：使用標幺值有以下方便之處：（1） 使用標幺值時，相對參考值是一個線性比，便于比較。例如瞬時電壓達到1.42P.U.說明，超過額定值的42%。（2） 使用標幺值表示電抗時，可以反映出電壓與電流的變化情況。（3） 使用標幺值計算時，運算過程比較簡便。3.2 簡單電子線路仿真 電路的仿真我們知道，電路中最常有的元件是電阻、電容和電感，雙擊電力系統(tǒng)模塊中的Elements圖標，則將得出如圖所示的子模塊集，其中即包含各種電阻、電容和電感元件，還包含各種變壓器元件，另外還有一個

27、三相元件子模塊集。圖3.12 電路元件子模塊普通的電阻、電容和電感元件來看，有串聯(lián)的RLC（電阻、電容、電感）分支和并 圖3.13 串聯(lián)分支元件參數(shù)對話框聯(lián)的RLC分支，以及他們的負載形式。雙擊Series RLC Branch（串聯(lián)RLC分支）元件，則將得出如圖所示的對話框，在這個對話框中適當?shù)妮斎腚娮?、電容和電感的參?shù)即可。注意，和純數(shù)字仿真不同，這里填寫電路參數(shù)時應該注意其單位。遺憾的是這里不包含單個的電阻、電感和電容元件，可以從串聯(lián)或并聯(lián)的分支來定義單獨的電路，但在串聯(lián)或并聯(lián)分支中直接刪除某個元件也不是太容易的事，例如在串聯(lián)分支中刪除電容，則不能將其數(shù)值填寫成0，而需要寫成inf。單個

28、電阻、電感、電容元件的參數(shù)設置在并聯(lián)和串聯(lián)分支中是不同的，具體參見下表。為了搭建實驗的方便，也可以按該表拆分出單個元件，封裝起來。元件串聯(lián)RLC分支并聯(lián)RLC分支類型電阻數(shù)值電感數(shù)值電容數(shù)值電阻數(shù)值電感數(shù)值電容數(shù)值單個電阻單個電感單個電容R000L0infinfCRinfinfinfLinf00C表3.2 單個電阻、電感、電容參數(shù)設置表在一般電路中，除了前面介紹的一些元件以外，還需要一些連線類模塊，雙擊電力系統(tǒng)模塊集中的Connectors圖標則將打開如圖所示的連線類子模塊集。給定電路圖如下所示，輸入的交流電壓源為220V，50Hz,其它參數(shù)值為R1=0.428, L 1=L2=1.926mH

29、，R2=1.551，R3=1.551，L3=1.803Mh。完成了電路連接后，將終止的時間設為0.1，則可以啟動仿真過程。開始仿真過程后，則將在MATLAB的命令窗口中顯示如下的信息圖3.14 連接器類子模塊集圖3.15 給定簡單電路圖Power System Blockset processing dianlufangzhen .Computing state-space representation of linear electrical circuit (V2.2).(2 states ; 1 inputs ; 1 outputs)Computing steady-state valu

30、es of currents and voltages .Build the Simulink equivalent circuit .(Circuit stored inside "dian lu fang zhen /Voltage Measurement" block)Ready圖3.16 簡單電路仿真模型圖3.17 簡單電路仿真模型結該信息表明系統(tǒng)自動完成并通過了從繪制的電路圖到狀態(tài)方程的轉換，開始自啟動狀態(tài)方程的仿真過程。還可以對仿真電路進行穩(wěn)態(tài)分析。將電力系統(tǒng)模塊集中的powergui模塊復制到仿真框圖中，則雙擊該模塊就可以對電路圖中的信號進行穩(wěn)態(tài)分析，得出下圖

31、所示的分析結果。從得出的結果中可以看出所量測的信號穩(wěn)態(tài)曲線為幅值95.27V，初始相位為-15.33º（拖動滾動桿才能顯示出來）的正弦信號，亦即該信號的解析表達式在穩(wěn)態(tài)時趨近95.27sin(2*50t-15.33°)。圖3.18 簡單電路仿真模型圖3.19 簡單電路仿真模型穩(wěn)態(tài)分析另外，用電力系統(tǒng)工具箱中提供的power2sys( )可以提取出從給定電源到輸出端子的狀態(tài)方程模型，根據(jù)次狀態(tài)方程模型就可以對整個電路進行頻域分析，如繪制其Bode圖等。Power2sys( )函數(shù)的調用格式為：a，b，c，d=power2sys(模型名)其中a，b，c，d為系統(tǒng)的狀態(tài)方程矩陣，

32、由tf( )還可以得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。傳輸線路模型仿真圖3.25分布參數(shù)模型子系統(tǒng) PI形等值線路子系統(tǒng)以上圖形是傳輸線路在電力系統(tǒng)中的兩種表現(xiàn)形式。輸電線路本身其實質是分布參數(shù)網(wǎng)絡元件。當輸電線路較短，阻抗和導納分別比較集中，可以當作集中參數(shù)元件處理采用、或形等值電路來處理。MATLAB中采用PI形等值電路。當輸電線路較長時，為使計算和仿真結果精確，應按輸電線路的分布參數(shù)特性，采用分布參數(shù)模型，考慮線路上的分布參數(shù)，以及線損等情況。圖3.26 傳輸線模型圖3.27 傳輸線路模型子系統(tǒng)電機系統(tǒng)仿真電力系統(tǒng)模塊集還提供了一些常用電機仿真模塊，雙擊該模塊集中的Machine圖標，則將打開如圖所

33、示的子模塊集，從該模塊組中可以看出，包含了各種各樣的電機模型，包括直流機（DC motors）、異步機（Asynchronous motors）、同步機（Synchronous motors）以及各種其他形式。圖3.28電機庫電力系統(tǒng)工具箱中提供了兩個異步電動機模型，其圖標表示 如下。左側的為標幺值單位下的異步電動機（p.u.，即per unit）模型，右側的為國際單位制（SI）下的異步機模型。在此主要考慮國際單位制的異步電 動機模型。圖3.29 異步電動機模型 異步電動機模塊有4個輸入端子，4個輸出端子，前3個輸入端子（A，B，C）為電機的定子電壓輸入，一般可直接接入三相電壓，可以由星形和三

34、角形兩種解法，第4輸入端一般接負載，為軸上的機械轉矩，該端子可以直接接Simulink信號。模塊的前3個輸入端子（a，b，c）為轉子電壓輸出，一般短接在一起，或連接到其它附加的電路中。第4個輸出端為m端子，他返回一系列電機的內部信號集，共有21路信號組成，其構成如下： ·第1到第3路：轉子電流ira ，irb，irc ;·第4到第9路：d-q-n坐標系下的轉子信號，依次為q-軸電流iqr ，d-軸電流idr ，q-軸磁通qr，d-軸磁通dr，q-軸電壓vqr，d-軸電壓vdr ;·第10到第12路：定子電流isa ，isb ，isc ;·第13到第12路

35、：q-d-n坐標系下的定子信號，依次為q-軸電流iqs，d-電流ids，q-軸磁通qs，d-軸磁通ds，q-軸電壓vqs，d-軸電壓vds；·第19到第21路：電機轉速m，機械轉矩Tm，電機轉子角位移m。該路信號應該接電機測試信號分路器（Machines Measurement Demux）模塊將各路信號分離出來，以便直接接示波器或Simulink輸出端子進行顯示。通常按照下圖連接模塊的輸出端。圖3.30 異步電機典型接法雙擊異步電動機模塊，將得到該模塊的參數(shù)對話框，在該對話框中需要輸入如下參數(shù)：·繞組類型（Rotor type）列表框：分為繞線式（wound）和鼠籠式（S

36、quirrel-cage）兩種，后者將不顯示輸出端a，b，c，而直接將其在模塊內部短接。·額定參數(shù)：額定功率Pn（單位:kw），線電壓Vn（單位:v），頻率fn（單位:Hz）；·定子電阻Rs（Stator）（單位:Ohms）和漏感（Lls）（單位:H）;·轉子電阻Rr（Rotor）（單位:Ohms）和漏感（Lls）（單位:H）;圖3.31 電機測量模塊參數(shù)設置這些參數(shù)基本上都是電動機銘牌參數(shù)。例如已知電動機參數(shù)為：Pn =5.5kW，Vn=380V，fn=50Hz，Rs=0.0217，xls=0.039，Rr=0.0329，xlr=0.0996，Lm=3.649，

37、J=11.4，F(xiàn)=0，P=2。該系統(tǒng)中的測量信號分路器直接使用也是由問題的，因為其默認的分路是針對簡化的同步機（Simplified synchronous）輸出的，雙擊該模塊將得出下圖所示的對話框，在電機類型（Machine type）欄目中選擇異步機（Asynchronous），則得出信號列表，可以從該信號列表中選擇想輸出的信號。常用的異步電動機接法一般有星形和三角形接法，分別如下圖所示。在星形結構下，3路輸入信號的初始相位應該分別設置為0，120，和圖3.32 星形連接方式圖3.33 三角形連接方式240。在繪制三角形接法時，下面的交流電壓源和異步機的c端口都是“輸入”端子，可以用連線器

38、中的器件將其連接起來。事實上，在純電力系統(tǒng)工具箱模塊構成的系統(tǒng)模型中，信號是沒有方向的，所以這樣構造的模型能正確進行仿真運算。 這樣可以繪制出異步機仿真框圖，這里電源采用了星形接法，可以將這三個交流電壓源的電壓值設置成相電壓220V，A，B，C三相的相位分別填寫為0，120，240。 在該模型中有一個空閑的電流測試元件（Current Measurement）,這是電力系統(tǒng)工具箱所要求的，應為它要求至少有一個測量元件。另外還需要從輸出的信號中使用Selector元件提取所需的淡路信號，這樣示波器中同時輸出4路信號，a相轉子電流iar，a相定子電流ias，轉速和輸出轉矩T，設置仿真終止時間為3秒

39、，并選擇仿真算法為ode15，就可以進行系統(tǒng)仿真。將A，B兩相換序，亦即將A和B相的相位移分別改成120和0，則在進行仿真將得到另一種仿真結果?？梢钥闯?，A，B兩相換序講使得電機反轉?？梢酝ㄟ^這樣的方法對各種電機進行仿真分析。下圖3.34異步機仿真 圖3.35 異步電機參數(shù)設置圖3.36 仿真結果波形圖3.37A B相換序后的仿真波形第4章 Simulink建模 4.1 子系統(tǒng)4.1 1創(chuàng)建子系統(tǒng)隨著模型的大小和復雜性的增加，可以將它的模塊分成不同的組成若干子系統(tǒng)，以達到簡化模型的目的。使用子系統(tǒng)有如下幾個方面的優(yōu)點：1） 可以減少模型窗口中顯示的模塊數(shù)量。2） 可以將功能上有關聯(lián)的模塊放在一

40、起。3） 可以建立一個層次結構的模塊圖，子系統(tǒng)模塊位于一層，組成子系統(tǒng)的各模塊的位于另外一層。創(chuàng)建子系統(tǒng)一般有兩種途徑：第一，在模型中加入子系統(tǒng)模塊，然后打開該子系統(tǒng)模塊，并且在子系統(tǒng)窗口中加入它所包含的模塊；第二，加入組成子系統(tǒng)的模塊，然后將這些模塊組成一個子系統(tǒng)。一、通過加入子系統(tǒng)模板創(chuàng)建子系統(tǒng)要在子系統(tǒng)中加入它所包含的模塊之前創(chuàng)建子系統(tǒng)，現(xiàn)在模型中加進一個Subsystem模塊，然后加入組成該子系統(tǒng)的模塊，其過程如下：（1） 從Simulink的信號與系統(tǒng)（Signals&Systems）庫中拷貝 Subsystem模塊到模型中。（2） 雙擊該子系統(tǒng)模塊，打開它。（3） 在孔的子

41、系統(tǒng)(Subsystem)窗口中，創(chuàng)建子系統(tǒng)，使用輸入（Inport）模塊代表該子系統(tǒng)從外部的輸入，使用輸出（Outportt）模塊代表該子系統(tǒng)的輸出。二、通過將一些已有的模塊組織在一起創(chuàng)建子系統(tǒng)如果模型中，已經包含了組成子系統(tǒng)的模塊，可以通過將這些模塊組織在一起來創(chuàng)建子系統(tǒng)。其過程如下：（1） 將子系統(tǒng)需要包含的所有模塊和連線用一個邊界框包括起來。不能通過單個的選取每一個組成子系統(tǒng)的模塊或通過使用Select All命令來選取它們。（2） 從Edit菜單下選擇Create Subsystem 菜單項，Simulink將用一個Subsystem模塊替代被選取得所有模塊。4.2 模塊封裝技術 封

42、裝方法所謂模塊封裝(masking)，就是將其對應的子系統(tǒng)內部結構隱含起來，以方便訪問該模塊時只出現(xiàn)一個參數(shù)對話框，將模塊中所需的參數(shù)用這個對話框來輸入。其實Simulink中大多數(shù)的模塊多時由更底層的模塊封裝起來的，例如傳遞函數(shù)模塊，其內部結構是不可見的，他只允許雙擊打開一個參數(shù)輸入對話框來讀入傳遞函數(shù)的分子和分母參數(shù)。如果想封裝一個用戶自建模型，首先應該用建立子系統(tǒng)的方式將其轉換為子系統(tǒng)模塊，選中該子系統(tǒng)模塊的圖標，再選擇Edit|Mask Subsystem子菜單項，則可以得出如圖所示的模塊封裝程序界面，在該對話框中，有若干項重要內容需要用戶自己填寫，例如：·Mask type

43、（封裝種類）編輯框的內容可以任意填寫，在其中填寫一個您認為合適的字符串即可。這些編輯框都是可以接受中文的。·Drawing commands（繪圖命令）編輯框允許給該模塊圖標上繪制圖形，例如可以使用MATLAB的plot( )函數(shù)畫出現(xiàn)狀的圖形，也可以使用disp( )函數(shù)在圖標上寫字符串名，還允許用image( )函數(shù)來繪制圖像。·Icon frame(圖標邊框)選項可以為Visible（可見的）和Invisible（隱含的），其中前者為默認狀態(tài)，大多數(shù)Simulink模塊均帶有可見的變框。·Icon transparency（圖標透明與否）屬性有兩種選擇，Op

44、aque（不透明的，為默認屬性）和Transparent(透明的)。如果采用默認的選項，則模塊端口的信息將被圖標上的圖形完全覆蓋，所以如果想顯示端口名稱，則應該采用Transparent選項。·Icon rotation(圖標是否翻轉)屬性有兩種選擇，F(xiàn)ixed(固定的，默認選項)和Rotates（旋轉），后者在旋轉或翻轉模塊時，也將旋轉該模塊的圖標。·Drawing coordinates(繪圖坐標系)屬性有三種選項，Pixels(像素點)、Autoscale（自動定標，默認選項）和Normalized（歸一化的）。封裝模塊的另一個關鍵的步驟是建立其封裝的模塊內部變量和封

45、裝對話框之間的聯(lián)系。封裝對話框的特性可以改變的形式包括：（1） 參數(shù)控件的外觀（2） 參數(shù)控件的使能狀態(tài)（3） 參數(shù)值建立一個封裝對話框必須將封裝編輯器和Simulink set_param 命令結合起來用，具體的說，首先，要在封裝編輯框定義所有的對話框參數(shù)，包括動態(tài)的和靜止的。接著，在MATLAB命令使用Simulink的set_param命令，來制定定義對框對輸入響應回掉函數(shù)（callback functions）。最后就可以保存包含被封裝的子系統(tǒng)的模型或者庫來完成動態(tài)封裝對話框的建立。初始化命令（Initialization Commands）初始化命令用與定義駐留在模塊的封裝工作空間的

46、變量，這些變量通常不希望模塊使用這修改它，但它又是必須的。在初始化命令里定義的變量能被子系統(tǒng)內的模塊訪問，也能被其它的初始化命令訪問，還能被制作圖標命令訪問?？傊?，和封裝的參數(shù)變量每什么區(qū)別。初始化命令在以下幾種時候被執(zhí)行：（1） 模型被導入。（2） 開始仿真，或者是模型的圖標被更新。（3） 被封裝的模塊被旋轉。（4） 模塊的圖標被重畫并且畫圖命令用到在initialization commands定義的變量。 封裝子空間一旦模塊的封裝里包含初始化命令或者定義了參數(shù)變量，Simulink 就為模塊建立一個全局的封裝工作空間。被封裝的模塊不能訪問MATLAB的工作空間或者其它的封裝工作空間。封裝

47、工作空間的內容包括封裝參數(shù)和由初始化命令定義的變量，這些變量能被封裝的模塊訪問，如果是子系統(tǒng)，那它能被子系統(tǒng)的所有模塊訪問。第5章 簡單系統(tǒng)仿真5.1 建立模型設計電路圖 圖 5.1 電路圖 范例說明這個例子描述了電力系統(tǒng)圖形用戶界面的用途和阻抗測量模塊用于分析線性電路的穩(wěn)態(tài)運行過程。 該系統(tǒng)包括五次諧波過濾器 ，一個五次諧波電流源 ，一個感性電源， 阻感負載， 阻抗測量器，電壓表，電流表，示波器。 感性電源的頻率為60HZ，幅值為100V；五次諧波電源頻率為300HZ，幅值為1A。這個線行系統(tǒng)是由三個狀態(tài)和兩個輸入，兩個輸出組成的。三個狀態(tài)為：兩個感性電流和一個容性電壓；兩個輸出為電流和電壓

48、測量裝置；兩個輸入為系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流。一個 阻抗測量模塊用于計算這個電路的變頻率阻抗。 用電力系統(tǒng)圖形用戶界面去找一個頻率為60HZ和300HZ的穩(wěn)態(tài)相電壓和相電流的組合。此時，三個狀態(tài)的值能夠從電力系統(tǒng)圖形用戶界面模塊中得到。 設計流程（1）單相交流電壓源參數(shù)設置 在Electrical Sources模塊中選擇單相電源元件，復制后粘貼到電路圖中，參數(shù)如下： 圖5. 2單相交流電源參數(shù)設置此單相電源為100V電力網(wǎng)絡的等效模型，各參數(shù)的設置均應經過初步的潮流計算和分析。步驟如下：雙擊電源元件；將電源的電壓設置為100，初相角設置為0；頻率設置為60HZ；采樣時間為0；單擊OK按扭完成對三相

49、電源的參數(shù)設定。(2) 五次諧波電流源參數(shù)設置 在Electrical Sources模塊中選擇電流源元件，復制后粘貼到電路圖中，參數(shù)如下：圖5.3五次諧波電流源參數(shù)設置參數(shù)設置如上圖所示；峰值電流為10A，頻率為300HZ；初相角為-30；采樣時間為0；測量選項為Nove；單擊OK按鈕完成參數(shù)設置。(3) 阻抗測量模塊參數(shù)設置圖5.4阻抗測量模塊參數(shù)設置(4)阻感元件參數(shù)設置在Elements 元件中選擇阻感元件，參數(shù)設置如下圖所示：圖 5.5阻感負載參數(shù)設置參數(shù)設置如上圖所示；電阻為37.7Ohms；電感為10e-03H；電容為零；測量選相為None；單擊OK按鈕完成參數(shù)設置。（5）五次諧

50、波過濾器參數(shù)設置圖 5.6五次諧波過濾器參數(shù)設置在Elements 元件中選擇阻感元件，參數(shù)設置如上圖所示：電阻為1.27Ohms；電感為107.42e-03H；電容為2.62e-06F；測量選相為None；單擊OK按鈕完成參數(shù)設置。（6）電流表參數(shù)設置在測量元件庫中選擇電流表，參數(shù)設置如下圖所示：圖 5.7電流表參數(shù)設置（7）電壓表參數(shù)設置 在測量元件庫中選擇電壓表，參數(shù)設置如下圖所示：圖 5.8電壓表參數(shù)設置 5.2 電路仿真分析 仿真參數(shù)設置 當電路圖設計完成后，對其進行仿真，已達到觀察電路動態(tài)變化的目的。根據(jù)估算結果進行有關參數(shù)設置，并在仿真過程中進行調整。（1） 在電路圖的菜單選項中，選擇仿真（Simulation）菜單，激活仿參數(shù)（Simulation parameters）命令，如圖所示；即可彈出仿真參數(shù)（Simulation parameters）對話框，如圖下所示； 根據(jù)對過程時間的估算，對仿真參數(shù)進行如下設置。開始時間(Start time)選項：0.0停止時間（Stop time）選項：0.1s.求解