第5章 MATLAB与电力系统仿真(12级)

第5章MATLAB与电力系统仿真5.1电力系统的数学模型电力系统一般由发电机、变压器、电力线路、电力负荷构成。电力系统的数学模型一般是由电力系统元件的数学模型组合构成。电源元件（ElectricalSources）;电器元件（Elements）;附加元件（ExtraLibrary）;电机元件（Machines）;电路测量仪器（Measurements）;电力电子元件（PowerElectronics）;电力图形用户接口（Powergui）;5.1.2．电力系统元件库简介在电力系统元件库包含了6类库元件，1)电源元件电源元件库包括7类元件，分别为：直流电压源元件（DCVoltageSource）;交流电压源元件（ACVoltageSource）;交流电流源元件（ACCurrentSource）;受控电压源元件（ControlledVoltageSource）;受控电流源元件（ControlledCurrentSource）;三相电源元件（3-PhaseSource）;三相可编程电压源元件（3-PhaseProgrammableVoltageSource）。（1）直流电压源元件（DCVoltageSource）直流电压源元件在电力系统中可以用来实现一个直流的电压源，如操作电源等。MATLAB软件提供的直流电源为理想的直流电压源。（2）交流电压源元件（ACVoltageSource）交流电压源可以用来实现理想的单相正弦交流电压。（3）交流电流源元件（ACCurrentSource）MATLAB软件提供的交流电流源为一理想电流源（4）受控电压源元件（ControlledVoltageSource）MATLAB软件提供的受控电压源是由激励信号源控制的，激励源可以是交流激励源也可以是直流激励源。（5）受控电流源元件（ControlledCurrentSource）(6）三相电源元件（3-PhaseSource）三相电源元件是电力系统设计中最常见的电路元件，也是最重要的元件，其运行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源元件提供了带有串联RL支路的三相电源。（7）三相可编程电压源元件（3-PhaseProgrammableVoltageSource）三相可编程电压源是可以对其进行编程的三相电压源，它的幅值、相位、频率、谐波均可随时间进行变化，应用非常灵活。其主要作用是提供一个幅值、相位、频率、基频分量进行实时变性编程的三相电压源；此外，还可以提供两个谐波分量，作用于基频信号。2）支路元件（Elements）支路元件用来实现各种串并联支路或者负载元件，它包括12种元件名称功能说明名称功能说明SeriesRLCBranch串联RLC分支SeriesRLCLoad串联RLC负载ParallelRLCBranch并联RLC分支ParallelRLCLoad并联RLC负载3-PhaseSeriesRLCBranch三相串联RLC分支3-PhaseSeriesRLCLoad三相串联RLC负载3-PhaseParallelRLCBranch三相并联RLC分支3-PhaseParallelRLCLoad三相并联RLC负载NeutralPoint中性点ConnectionPort系统连接端子Ground地3-PhaseFault三相电路短路故障模拟Elements库中模块功能列表1名称功能说明名称功能说明MutualInductance互感线圈PiSectionLine分布电容、电感为л型的单相电力传输线3-PhaseDynamicLoad三相动力负载SurgeArrester过载控制器3-PhaseMutualLoad三相互感线圈DistributedParametersLine有分布电容、电感的多相分布电力传输线3-PhasePISection三相电力传输线3-PhaseBreaker三相电路开关Elements库中模块功能列表2名称功能说明名称功能说明Breaker一般电路开关LinearTransformer线性变压器Multi-windingTransformer多绕组变压器3-PhaseTransformer两绕组三相变压器（2Windings）3-PhaseTransformer三绕组三相变压器ZigzagPhase-ShiftingTransformer曲折移相变压器（3Windings）3-PhaseTransformer12端子三相变压器SaturableTransformer饱和变压器12TerminalsElements库中模块功能列表33）其他元件在电力系统元件库中还有其他元件：电力电子元件（PowerElectronics）;电机元件（Machines）;电路测量仪器（Measurements）;附加元件（ExtraLibrary）。这些元件都具有特定的功能5．1．3Park变换只是一个坐标变换而已，从abc坐标变换到dq0坐标，ua,ub,uc,ia,ib,ic,磁链a,磁链b,磁链c这些量都变换到dq0坐标中例如，同步电机abc定子三相绕组中的电流分别表示如下：)120cos()120cos(cosmcmbmaIiIiIiPark变换后电流的表示方式如下：cqcdcbqbdbaqadaqdiiiiiiiiiiii（1）abc坐标系统变换为dq0坐标系统的变换公式如下：在MATLAB中，使用abc坐标系统转换为dq0坐标系统（abc_to_dq0Transformation）元件可以实现这种变换。abc_to_dq0Transformation在Simpowersystems→Extraslibrary→DiscreteMeasurementscbaqdiiiiii212121)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos320图5-1abc_to_dq0模块及模块说明(2)dq0坐标系统变换为abc坐标系统的变换公式如下：01)32sin()32cos(1)32sin()32cos(1sincos32iiiiiiqdcba在MATLAB中，使用dq0坐标系统转换为abc坐标系统（dq0_to_abcTransformation）元件可以实现这种变换。dq0_to_abcTransformation元件在Simpowersystems→Extraslibrary→DiscreteMeasurements图5-2dq0_to_abc模块及模块说明例：利用park变换模块将三相电压从abc坐标系转换为dq0坐标系。P169.mdl5.2电力系统时域分析5．2．1电力系统不对称运行分析法－对称分量法对称分量法是指任意不对称的三相相量均可以分解为三组相序不同的对称分量：正序、负序、零序分量。它们之间的数学关系如下cbajjjjaaaFFFeeeeFFF1111131120240240120021已知正序、负序、零序分量时，02124012012024011111aaajjjjcbaFFFeeeeFFFMATLAB软件中的电力系统元件库中提供了三相序分量分析（3-PhaseSequenceAnalyzer）元件，位于（SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements）其参数对话框包括3个选项:基频频率（Fundamentalfrequencyf1）:用来设置三相输入信号的基频频率；谐波次数（Harmonicn）:用来指定进行相序分量分析的谐波；序量选择（Sequence）:用来选择显示的序分量，包括4个选项：正序分量（Positive）、负序分量（Negative）零序分量（Zero）、和所有序分量（PositiveNegativeZero）。例：三相序分量分析模型如图，分析A相接地后，其正序、负序、零序分量的变化情况模块名提取路径三相电源模块SimPowerSystems/ElectricalSource三相电压电流测量模块V-IMSimPowerSystems/Measurements三相分布等值线路模块SimPowerSystems/Elements三相故障模块FaultSimPowerSystems/Elements万用表模块MultimeterSimPowerSystems/Measurements三相序分量分析模块SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements三相交流电压源参数设置三相分布等值线路元件参数设置三相故障模块三相故障模块是由三个独立的断路器组成的、能对相—相故障和相—地故障进行模拟的模块。该模块的等效电路如图所示。ABCRonRonRonRg外部控制方式和内部控制方式下的三相故障模块图标如图所示。三相故障模块图标(a)外部控制方式(b)内部控制方式三相故障模块Fault参数设置在该对话框中含有以下参数：(1)PhaseAFault：选中该复选框后表示允许A相断路器动作，否则A相断路器将保持初始状态(2)PhaseBFault：选中该复选框后表示允许B相断路器动作，否则B相断路器将保持初始状态。(3)PhaseCFault：选中该复选框后表示允许C相断路器动作，否则C相断路器将保持初始状态。(4)FaultresistancesRon：断路器投合时的内部电阻。故障电阻不能为0。(5)GroundFault：选中该复选框后表示允许接地故障。(6)GroundresistanceRg：接地故障时的大地电阻。(7)Externalcontroloffaulttiming：选中该复选框，三相故障模块上将增加一个外部控制信号输入端。开关时间由外部逻辑信号(0或1)控制。(8)Transitionstatus：设置断路器的开关状态，1表示闭合，0表示断开(9)Transitiontimes：设置断路器的动作时间，断路器按照该文本框设置的时间进行切换。(10)Initialstatusoffault：设置断路器的初始状态。采用外部控制方式时，该文本框可见。三相序分量分析元件参数设置仿真参数设置：仿真时间0.1S，仿真算法：ode23tb5.2.2电力系统时域分析工具Powergui模块MATLAB软件提供了一个对电力系统和电路进行分析的用户界面工具（powergui）。powergui是一个环境模块。任何一个含有SimPowerSystems模块的模型中必须含有一个。它储存了电路模型的等效数学模型（状态空间方程）。没有它，仿真不能启动，会给出一个错误提示。Powergui模块图标通过Powergui模块，可以对系统进行可变步长连续系统仿真、定步长离散系统仿真和相量法仿真，并实现以下功能：(1)显示测量电压、测量电流和所有状态变量的稳态值；(2)改变仿真初始状态；(3)进行潮流计算并对包含三相电机的电路进行初始化设置；(4)显示阻抗的依频特性图；(5)显示FFT分析结果；(6)生成状态-空间模型并打开“线性时不变系统”(LTI)时域和频域的视窗界面；(7)生成报表，该报表中包含测量模块、电源、非线性模块和电路状态变量的稳态值，并以后缀名.rep保存；(8)设计饱和变压器模块的磁滞特性。powergui模块直接隶属于powerlib，是一个相对独立的模块，可通过三种途径找到：如何找到powergui模块（1）、在simulink库浏览器上部的搜索框中输入模块名称powergui，右侧显示出来的图表中最后一个就是powergui模块（2）、在Commandwindow下键入Powerlib,调出Power