MATLAB在电力系统仿真中的应用

文章编号:1006-9348(2004)11-0197-03

计　算　机　仿　真

2004年11月　　

MATLAB在电力系统仿真中的应用

盛义发,洪镇南

(南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001)

摘要:该文介绍了MATLAB/SIMULINK的基本特点及应用MATLAB进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤。通过对具有同步发电机光控励磁系统的电力系统故障仿真分析,结果表明该方法能较准确直观地考察暂态过程中电力系统的动态特性,说明了MATLAB在电力系统仿真中有强大的、无可比拟的卓越功能。关键词:电力系统;暂态;仿真

中图分类号:TP391.9　　文献标识码:A

ApplicationofMATLABinSimulationofPowerSystem

SHENGYi-fa,HONGZhen-nan

(SchoolofElectricalEnginering,NanhuaUniversity,HengyangHunan421001,China)

ABSTRACT:ThebasiccharacteristicsofMATLAB/SIMULINKandthebasicmethodandprocessofapplicationofMATLABinthesimulationofpowersystemareintroducedinthispaper.PowerfulanduniquefunctionsofMATLABinthesimulationofpowersystemareshownbythesimulationofpowersystemfailurewithoptically-controlledexcitationsystemforsynchro2nizationgenerator.Theresultshowsthatthedynamicbehaviorofpowersystemduringtransientprocessescanbeobservedquiteaccuratelyanddirectly.

KEYWORDS:Powersystem;Transientprocesses;Simulation1　引言

计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段,目前已开发的主要仿真方法有状态变量法、节点分析法及修正节点分析法等。而这些方法已经用于开发不同的仿真软件,如:EMTP、SPICE、NE2

TOMAC、PSASP等。但每个仿真软件都具有自己的优缺点,即

光控励磁系统的电力系统故障仿真分析,说明了MATLAB在电力系统仿真中强大的、无可比拟的卓越功能。

2　应用MATLAB进行电力系统仿真分析的基本方

法

211　SIMULINK环境下仿真工具

PSB(PowersystemBlockset)是一个图编辑器工具,在SIMULINK环境下能建立电力系统原理并进行仿真计算。PSB库提供了电力系统仿真通用的元件和装置,包括RLC支

有较其它软件更更适合解决某一特定问题的特点,如:EMTP很适合没有换流器的大型电力网络;而SPICE适用于有电力电子系统的小型网络

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。由于MATLAB具有很良好的开

发性、高效的数据仿真分析,特别是信号处理和直观的图形显示功能,且MATLAB/SIMULINK环境下的PSB模型库及

SIMULINK强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而

路和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子装置等。只需通过点击和拖放PSB库内的模型即可建立用户所需要的电力系统仿真原理图,并利用模型元件的对话框来设置相关参数。使用SIMULINK提供的示波器模型,可显示观测点处的仿真结果及其波形。

212　模型库

准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算。因此,它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想的工具。

本文介绍了MATLAB/SIMULINK的基本特点及应用

MATLAB进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤,探讨综

根据电力系统内电气设备特性,可将PSB库内的模型分成电源、元件、电力电子器件、电机、连接器和测量等部分。

π型传元件包括单相RLC支路和负载模块、变压器、互感器、输线、避雷器、断路器、n相分布参数线路模型等。利用

SIMULINK二次开发功能,可方便地编辑出更复杂的元件模

合利用其SIMULINK环境、电力系统模块库和相关工具箱进行电力系统的控制设计和仿真分析,通过对具有同步发电机

收稿日期:2003-08-25

型和集成参数对话框。电力电子包括通用的半导体元件,每

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个元件(除二极管外)都有

SIMULINK门极控制输入端和Simulink输出端,可显示开关

的电压和电流值。电机集包括简化的和详细的同步电机、异步电机、励磁机、永磁同步电机和涡轮机等。每个模块有一个SIMULINK输出来显示内部变量状态值。

213　仿真方法步骤

MATLAB实现对电力系

统的仿真和分析至少有二种独立的方法:

一种是传统的编程方法,即通过大量的代码来实现电力系统的建模、稳态计算和暂态分析等等;但由于MATLAB提供了用户可以直接调用已有的高性能数值计算。如矩阵求差、数值微、积分等等,较使用C或Fortran语言开发其源程序却要简洁得多,可节省大量的内存空间和开发时间。

另一种是在Simulink平台上进行仿真分析,按建模方法分为器件级仿真(又称为物理建模)和系统级仿真(又称为数学建模)。其中器件级仿真是利用MATLAB的PSB中固有元件模型构建新元件的物理模型,该方法一般适用于

探讨元件的内部性能;系统仿真是利用MATLAB/SIMULINK中的控制模块来构建新元件的数学模型,该方法是研究元件的外部特性。在MATLAB/SIMULINK平台上,借助于鼠标点击和拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力系统的稳态和暂态分析,并可方便地研究各中先进的控制方法对电力系统的控制效果。在实际应用中,特别是对复杂电力系统的仿真分析,两种方法通常交替融合使用。

应用MATLAB进行电力系统仿真的主要步骤为:①系统模型的建立;②设置仿真参数和控制算法的实现;③进行动态仿真(包括稳态分析和暂态仿真);④结果分析。

transformerd,yg)以及调速系统模型(hydraulicturbineandgover2nor,HTG);系统负荷10MW(load);故障时间由Timer模块控

制。powergui模块中的machineloadflow;Bustype为pvgener2

ator。仿真参数如下:

同步发电机容量为200MVA;UAB=15.75KV;变压器容量为210MVA;电压变比为15.75KV/230KV。

其仿真结果:

当Fault模块为单相故障时,模块内部构成如图2(a),所示,以A相故障为例。

其中负荷为10e6W,选择simulation/start按钮,开始仿真。在t=1s发生故障切除后母线电流、电压波形,用MATLAB6.0中subplot及plot命令绘出仿真结果,如图3(a)所示。

当Fault模块为两相接地故障时,见图2(b),以A、B两相短路,测得A相电压、电流波形,如图3(b)所示。

当Fault模块为三相接地故障时,见图2(c),测得A相电压、电流波形,如图3(c)所示。

3　仿真实例

使用MATLAB6.0的simulink建立单机对无穷大系统的仿真模型如图1所示。单机即光控励磁系统同步发电机[1];无穷大系统模型,用powerlib中inductivesourcewithneutral模块;发电机模型(synchronousmachine)、变压器模型(linear

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图3　故障电压波形图

　　由上述三种短路故障时的仿真波形图可实时看出光控励磁系统同步电机———无穷大系统在故障过程中的动态响应过程,恢复正常运行时的电压基准值相对稳定。

参考文献:

[1]　盛义发,等.同步发电机光控励磁系统模糊控制[J].电气时代,

2003,(1):29-30.

[2]　JMahseredjian,FAlvarado.Creatinganelectromagnetictransientspro2

graminMATLAB:MatEMTP[J].IEEETransonPowerDelivery,1997,(12):380-388.

[3]　YKang,JDLavers.Transientanalysisofelectricpowersystem:refor2

mulationandtheoreticalbasis[J].IEEETransonPowerSystems,1996,11(2):754-760.

[4]　清源计算机工作室编.Matlab6.0基础及应用[M].北京:机械工

4　结论

通过对整个系统的仿真,可以得到以下结论:

1)MATLAB6.0中的PSB是一种专门应用于电力系统动态仿真的工具箱,其中的电力系统的元件模型相当丰富,模糊逻辑控制可通过调用FuzzyLogicg工具箱中用户界面建立的模糊推理系统(FuzzyInferenceSystem,FIS)来实现,用户还可以利用MATLAB本身的一些工具来建立自定义模型。

2)当改变元器件本身的参数,如电机的功率、转子和定

业出版社,2001.

[5]　邓国扬,盛义发.基于MATLAB/SIMULINK的电力电子系统的

子的电阻、电感,负载的功率、变压器的容量等,就能实现对电力系统不同工况下运行过程的仿真分析,便于对不同参数和负载情况进行比较。

3)利用MATLAB可以方便地进行电力系统潮流计算,稳

建模与仿真[J].南华大学学报,2003,(1):1-6.

[6]　何仰赞,等.电力系统分析[M].武汉:华中理工大学出版社,

1996.

[作者简介]

定分析,新元件的设计及测定,具有界面灵活、开放直观、互动性强等优点。

4)由于PowerSystemBlockset简化了开关元件的处理,认

盛义发(1973-)男(汉族),湖南衡阳人,南华大学

电气工程学院讲师,硕士研究生,研究方向:电力电子技术、电力系统及其自动化;

为是理想模型,在提高仿真速度、简化电路图设计的同时,对系统的暂态过程描述不够精确。

洪镇南(1964-)男(汉族),湖南衡阳人,南华大学

电气工程学院讲师,硕士研究生,研究方向:自动控

制、单片机与PLC应用技术。

(上接第190页)

[作者简介]

朱丽业(1977-)女(汉族),黑龙江省齐齐哈尔市

人,上海交通大学控制理论与控制工程专业博士研究生,研究方向为过程控制,模式识别等;

主要研究方向为过程控制、智能控制等;

方　园(1962-),男(汉族),安徽省人,上海宝钢技术中心,首席研

究员,研究方向为冶金工艺、材料等;

吴惕华(1939-),男(汉族),江苏省宜兴市人,上海

交通大学博士生导师《计算机仿真》,编委会副主任,

沈文珍(1965-),女(汉族),上海人,上海宝钢技术中心,工程师,研

究方向为冶金自动化等。

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