MATLAB與電力系統(tǒng)仿真

1、MATLAB應用技術(shù)清華大學出版社清華大學出版社王忠禮王忠禮 段慧達段慧達 高玉峰編著高玉峰編著MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)5 MATLAB與電力系統(tǒng)仿真5.1電力系統(tǒng)的數(shù)學模型n電力系統(tǒng)一般由發(fā)電機、變壓器、電力線路和電力負荷構(gòu)成。電力系統(tǒng)的數(shù)學模型一般是由電力系統(tǒng)元件的數(shù)學模型組合構(gòu)成。MATLAB為電力系統(tǒng)的建模提供了簡潔的工具，通過電力系統(tǒng)的電路圖繪制，可以自動生成數(shù)學模型。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù) 5.1.1電力系統(tǒng)元件庫1啟動和退出電力系統(tǒng)元件庫啟動和退出電力系統(tǒng)元件庫 啟動電力系統(tǒng)元件庫的方法有幾種，下面介紹兩種最簡單的方法。 (1)利用指令窗口（Co

2、mmand Window）啟動：在指令窗口中鍵入powerlib單擊回車，則MATLAB軟件中彈出電力系統(tǒng)元件對話框（powerlib）。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù) (2)利用開始（Start）導航區(qū)啟動： 單擊開始按鈕，選擇仿真（Simulink）命令，再選擇電力系統(tǒng)仿真命令（SimPowerSystem）,在彈出的對話框中選擇電力系統(tǒng)元件庫（Block Library）命令即可。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)直流電壓源 2電力系統(tǒng)元件庫簡介電力系統(tǒng)元件庫簡介與電力系統(tǒng)建模與仿真有關(guān)的一些元件 ： 1）電源元件（）電源元件（Electrical Sources）交流電

3、壓源交流電流源三相壓電源受控電壓源受控電流源三相可編程電壓源MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)三相電源參數(shù)設(shè)置：三相電源參數(shù)設(shè)置：電源內(nèi)部連接方式：電源內(nèi)部連接方式：Y：Y形連接，中性點不引出Yn：Y形連接，中性點引出，可以接外電路（如：中性點經(jīng)電阻或消弧線圈接地）Yg：Y形連接，中性點直接接地。是否根據(jù)短路容量確定阻抗MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)2）線路元件（）線路元件（Elements）MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（a）支路元件（）支路元件（Elements）MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)三相串聯(lián)三相串聯(lián)RLC負載元件參數(shù)設(shè)置：負載元件參數(shù)設(shè)置：MA

4、TLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（b）輸配電線路元件（）輸配電線路元件（Lines）在電力系統(tǒng)設(shè)計和分析中，輸配電線路一般用各種類型的等值電路來進行簡化以便于簡化分析。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)PI型等值電路（集中參數(shù)輸電線路元件）型等值電路（集中參數(shù)輸電線路元件）在電力系統(tǒng)中，中等長度的線路一般采用PI型等值電路，忽略它們的分布參數(shù)特性。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)單相單相PI型模塊模塊參數(shù)設(shè)置：型模塊模塊參數(shù)設(shè)置：線路總長度PI型電路的段數(shù)MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)單位長度正序、零序電阻單位長度正序、零序電感單位長度正序、零序電容線路長度，對于長

5、度超過300km的線路，可用多個串聯(lián)PI型模塊三相三相PI型模塊模塊參數(shù)設(shè)置：型模塊模塊參數(shù)設(shè)置：MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)分布參數(shù)輸電線路元件分布參數(shù)輸電線路元件在電力系統(tǒng)中，線路長度超過300公里的架空線路和超多100公里的電纜線路，就需要考慮它們的分布參數(shù)特性；此外，當分析線路的瞬變過程、線路的波過程以及進行更精確的分析時需要使用分布參數(shù)模塊。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)分布參數(shù)模塊參數(shù)設(shè)置：分布參數(shù)模塊參數(shù)設(shè)置：線路相數(shù)基波頻率單位長度電阻，對于兩相或三相連續(xù)換位線路，可輸入正序或零序電阻R1,R0,對于N相非對稱線路，必須輸入表示線路間相互關(guān)系的NN階電阻矩

6、陣 單位長度電感單位長度電容線路長度MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（c）斷路器元件（）斷路器元件（Circuit Breakers）在電力系統(tǒng)中，斷路器的作用是通斷高壓線路，斷路器元件就是用來實現(xiàn)各種電路中的高壓斷路器。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)單相斷路器模塊參數(shù)設(shè)置：單相斷路器模塊參數(shù)設(shè)置：MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)三相故障模塊參數(shù)設(shè)置：三相故障模塊參數(shù)設(shè)置：0: The selected fault breakers open1: The selected fault breakers closedMATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)（d）變壓器元

7、件（）變壓器元件（Transformers）在電力系統(tǒng)中，電力變壓器是非常重要的電氣設(shè)備，其作用是進行能量的傳輸并改變電壓的等級。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3）其他元件）其他元件在電力系統(tǒng)元件庫中還有其他元件：電力電子元件（Power Electronics）、電機元件（Machines）、連接器元件（Connectors）、電路測量儀器（Measurements）、附加元件（Extras），這些元件都具有特定的功能 ，在這里就不作詳細介紹。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)3示例示例例例1：交流電壓源的疊加。設(shè)計兩個單相交流電壓源，疊加后作為線路的電源，分析線路首端電壓的

8、變化情況。 設(shè)計的交流電路如下圖所示，在此電路圖中，交流電壓源的幅值、頻率、相位均不相同，可以通過仿真結(jié)果直接對各自電壓源的輸出和他們的疊加結(jié)果進行分析，這種分析方法簡單、直接。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)n是將三相abc坐標系下的變量ia、ib、ic變換成dq0坐標系下的變量id、iq、i0。5.1.3 Park變換MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)nabc坐標系統(tǒng)變換為dq0坐標系統(tǒng)的變換公式如下：n在MATLAB中，使用abc坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為dq0坐標系統(tǒng)（abc_to_dq0 Transformation）元件可以實現(xiàn)這種變換。nabc_to_dq0 Transform

9、ation在電力系統(tǒng)元件庫（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的測量元件（Measurements）中。 022sinsin()sin()33222coscos()cos()333111222daqbciiiiii MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)ndq0坐標系統(tǒng)變換為abc坐標系統(tǒng)的變換公式如下：n在MATLAB中，使用dq0坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為abc坐標系統(tǒng)（dq0_to_abc Transformation）軟件可以實現(xiàn)這種變換。n該元件也在電力系統(tǒng)元件庫（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的測量元件（Measurem

10、ents）中。0sincos1222sin()cos()133322sin()cos()133adbqciiiiii MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)5.2.1 電力系統(tǒng)不對稱運行分析法對稱分量法n電力系統(tǒng)正常運行時可以認為是三相對稱的，即個元件三相阻抗相同，各處三相電壓和電流對稱，且具有正弦波形和正常相序。n當電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或個別地方一相或兩相斷開時，則對稱運行方式遭到破壞，三相電壓和電流將不對稱，而且波形發(fā)生不同程度的畸變，即除基波外，還含有一系列諧波分量。n一般，在電力系統(tǒng)分析種，對于不對稱故障采用簡單的對稱分量法進行分析。 5.2

11、電力系統(tǒng)時域分析MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)已知正序、負序、零序分量時， cbajjjjaaaFFFeeeeFFF111113112024024012002102124012012024011111aaajjjjcbaFFFeeeeFFF對稱分量法是指任意不對稱的三相相量均可以分解為三組相序不同的對稱分量：正序、負序、零序分量。它們之間的數(shù)學關(guān)系如下：MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)三相序分量分析（三相序分量分析（3-Phase Sequence Analyzer）元件）元件位置：電力系統(tǒng)元件庫（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的測量元件（Measurements）中。用來指定進行序分量分析的諧波用來設(shè)置三相輸入信號的基頻頻率用來選擇顯示的序分量MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)例例2：設(shè)計給定的電路圖模型（P173），分析A相接地后，其電壓、電流的正序、負序、零序變換情況。MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)MATLAB軟件提供了一個對電力系統(tǒng)和電路進行分析的用戶界面工具（powergui）。 5.2.2 電力系統(tǒng)時域分析工具MATLABMATLAB應用技術(shù)應用技術(shù)穩(wěn)態(tài)電壓和電流初始狀態(tài)設(shè)置潮流和電機初始化線性時變觀察器阻抗和