电力系统的MATLAB-SIMULINK仿真与应用-1

第1章概述第1章概述1.1电力系统常用仿真软件简介1.2MATLAB/SIMULINK概述1.3简单电路演示习题第1章概述1.1电力系统常用仿真软件简介电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，在国民经济中有非常重要的作用。电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具，特别是电力系统新技术的开发研究、新装置的设计、参数的确定更是需要通过仿真来确认。目前常用的电力系统仿真软件有：(1)邦纳维尔电力局(BonnevillePowerAdministration,BPA)开发的BPA程序和EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)程序；第1章概述(2)曼尼托巴高压直流输电研究中心(ManitobaHVDCResearchCenter)开发的PSCAD/EMTDC(PowerSystemComputerAidedDesign/ElectromagneticTransientsProgramincludingDirectCurrent)程序；(3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC(NetworkTorsionMachineControl)；(4)中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage)；(5) MathWorks公司开发的科学与工程计算软件MATLAB(MatrixLaboratory，矩阵实验室)。第1章概述电力系统分析软件除了以上几种，还有美国加州大学伯克利分校研制的PSPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)、美国PTI公司开发的PSS/E、美国EPRI公司开发的ETMSP、ABB公司开发的SYMPOW程序和美国EDSA公司开发的电力系统分析软件EDSA等。以上各个电力系统仿真软件的结构和功能不同，它们各自的应用领域也有所侧重。EMTP主要用来进行电磁暂态过程数字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用来进行电磁暂态和控制环节的仿真，BPA、PSASP主要用来进行潮流和机电暂态数字仿真。第1章概述近年来，MATLAB由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，在多个领域都有广泛的应用。在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上(尤其是信息科学刊物)，都可以看到MATLAB的应用。在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为授课内容。这几乎成了20世纪90年代教科书与旧版教科书的标志性区别。在这些学校里，MATLAB是攻读学位的本科生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。第1章概述在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认为是进行高效研究和开发的首选软件工具。如美国NationalInstruments公司的信号测量、分析软件LabVIEW，Cadence公司的信号和通信分析设计软件SPW等，它们直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB为主要支撑。又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。MATLAB在全球现在有超过50万的企业用户和上千万的个人用户，广泛地分布在航空航天、金融财务、机械化工、电信、教育等各个行业。第1章概述1998年MathWorks公司推出了MATLAB5.2版本，针对电力系统设计了电力系统模块集(PowerSystemBlock，PSB)。该模块集包含大量电力系统的常用元器件，如变压器、线路、电机和电力电子等，功能也比较全面，逐渐被电力系统的研究者接受，并将它作为高效的仿真分析软件。第1章概述1.2MATLAB/SIMULINK概述1.2.1MATLAB/SIMULINK发展简史1. MATLAB发展简史20世纪70年代中期，CleveMoler和他的同事们在美国国家科学基金的资助下研发了称为LINPACK和EISPACK的FORTRAN子程序库。LINPACK是解决线性方程问题的FORTRAN子程序集合，EISPACK是对特征值问题进行求解的子程序集合。它们一起代表了当时最具影响力的矩阵计算软件。第1章概述20世纪70年代后期，当时已经成为新墨西哥大学计算机科学系系主任的Cleve，希望在他的线性代数授课课程中使用LINPACK和EISPACK软件。但是他并不想增加学生的编程负担，因此，设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口，并且命名为MATLAB，其基本的数据单元是一个维数不加限制的矩阵。在MATLAB下，矩阵的运算变得非常容易。因此，一两年后，MATLAB在应用数学团体中流行起来。第1章概述1983年的春天，Cleve到斯坦福大学进行访问，MATLAB深深吸引住了身为工程师的JohnLittle。JohnLittle敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景，于是同年，他和CleveMoler、SteveBangert一起用C语言开发了第二代MATLAB专业版，由SteveBangert主持开发编译解释程序；SteveKleiman完成图形功能的设计；JohnLittle和CleveMoler主持开发各类数学分析的子模块，撰写用户指南和大部分的M文件。第1章概述1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，发行了MATLAB1.0(基于DOS的版本)，正式把MATLAB推向市场。MATLAB的第一个商业化版本是同年推出的基于DOS的MATLAB3.0，该版本已经具有数值计算和数据图示化的功能。通过不断的改进，MATLAB逐步发展成为一个集数值处理、图形处理、图像处理、符号计算、文字处理、数学建模、实时控制、动态仿真、信号处理为一体的数学应用软件。1990年推出的MATLAB3.5版是第一个可以兼容在DOS和Windows下运行的版本，它可以在两个窗口上分别显示命令行计算结果和图形结果。第1章概述1992年，MATLAB的第一个完全意义上的Windows版本MATLAB4.0问世，从此告别DOS版。MATLAB4.x有了很大的改进，首先是推出了SIMULINK；此外，1993年，MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为“引擎”开发了SymbolicMathToolbox1.0。MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。同时，MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word，运用DDE和OLE构造了Notebook，实现了MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。第1章概述1997年推出的MATLAB5.0版本支持更多的数据结构，如单元数据、数据结构体、多维数组、对象与类等，使其成为一种更方便、更完美的编程语言。1999年初推出的MATLAB5.3版在很多方面又进一步改进了MATLAB语言的功能，随之推出的全新版本的最优化工具箱和SIMULINK3.0版达到了很高的档次。MATLAB5.x较MATLAB4.x无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0和IE4.0及以上版本、AcrobatReader中均可以方便地浏览。第1章概述2000年10月底推出了全新的MATLAB6.0正式版(Release12)，在操作界面上有了很大改观，同时还给出了程序发布窗口、实时信息窗口和变量管理窗口等，为用户的使用提供了很大的方便；在计算内核上抛弃了其一直使用的LINPACK和EISPACK，而采用了更具优势的LAPACK软件包和FFTW系统，速度变得更快，数值性能也更好；在用户图形界面设计上也更趋合理；与C语言接口及转换的兼容性也更强。现在的MATLAB支持各种操作系统，它可以运行在十几个操作平台上，其中比较常见的有基于Windows9X/NT、OS/2、Macintosh、Sun、UNIX、Linux等平台的系统。第1章概述现在的MATLAB再也不是一个简单的矩阵实验室了，它已经演变成为一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言，其功能也越来越强大，并不断地根据科研需求提出了新的解决方法。2006年9月，MATLABR2006b正式发布。从这时开始，MathWorks公司每年进行两次产品发布，时间分别在每年的3月和9月，而且每一次发布都涵盖产品家族中的所有模块，包括产品的新特征、bug的修订和新产品模块的发布。例如，符号R2006b中，2006表示发布年度，b表示是每年的第2个版本(9月版)，每年的第1个版本(3月版)用a表示。第1章概述现在因特网上有大量的MATLAB资源，比如Mathworks公司的主页、MATLAB国内代理公司恒润科技等，读者可以从这些网站上获取更多版本更新信息。第1章概述2. SIMULINK发展简史SIMULINK是MathWorks公司开发的又一个产生重大影响的软件产品。为了准确地分析控制系统的复杂模型，1990年MathWorks公司为MATLAB提供了崭新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，它以工具库的形式挂接在MATLAB3.5版上。SIMULAB包括仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，它是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包(CCS)的继续。该软件发布后很快就在控制领域得到了广泛的使用。但是，因为其名字与著名的软件SIMULA类似，所以1992年改名为SIMULINK(SimulationLink)，意思是仿真链接。第1章概述该软件有两个特别明显的功能：仿真与链接。也就是说，可以直接利用鼠标在模型窗口中画出所需要的控制系统模型，然后再利用该软件提供的功能来对控制系统直接进行模拟。很明显，这种做法使得一个原本很复杂的系统变得相当容易输入。SIMULINK的出现，使得MATLAB在控制系统仿真以及电脑辅助设计(CAD)中的应用开创了崭新的一页。第1章概述现在的SIMULINK都直接捆绑在MATLAB之上，版本也从1993年的MATLAB4.0/Simulink1.0版升级到了2007年的MATLAB7.3/Simulink6.6版，并且可以针对任何能够用数学描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等，其中包括连续、离散、条件执行、事件驱动、单速率、多速率和混杂系统等。由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大，因此后来拓展的其它模型库也都共同使用这个仿真环境，成为了MATLAB仿真的公共平台。第1章概述3. SimPowerSystems库发展简史SimPowerSystems库是SIMULINK下面的一个专用模块库，是在SIMULINK环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。它建立在加拿大的Hydro-Quebec电力系统测试和仿真实验室的实践经验基础之上，并由Hydro-Quebec和TECSIMInternational公司共同开发而成，功能非常强大。SimPowerSystems库提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析。它为电路、电力电子系统、电机系统、发电、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法，尤其是当设计开发内容涉及控制系统设计时，优势更为突出。第1章概述1998年，当时以PowerSystemBlockset(PSB)命名的电力系统模块集跟随MATLAB