基于Matlab_Simulink与Digsilent的联合仿真设计.docx

基于M at lab/ Sim ulink与Digsilent 的联合仿真设计2014 年 9 月Power System and Clean EnergySept. 2014文章编号：1674-3814（2014）09-0083-05中图分类号：TM614文献标志码：A齐会娟，李德雄，刘丽娜（石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄050061）Co-simulation Design Based on Matlab/Simulink and DigsilentQI Huijuan，LI Dexiong，LIU Lina（Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050061，Hebei，China）ABSTRACT：To make use of respective advantages of bothMatlab/Simulink software in the mathematical modeling and Dig- silent software in the power system simulation and improve theusefulness of the software，this paper studies the characteristicsof each software in its application，and gives a detailed desc - ription of the interface of the two software. Taking the control ofa wind turbine control as an actual research case，the paperanalyzes the application features of the co -simulation techno - logy.KEY WORDS：Matlab/Simulink；Digsilent；interface design；combined simulation摘 要 ：为 利 用 Matlab/Simulink 与电力系统专业仿真软件 Digsilent各自的优点，提高软件的实用性，分析了二者在各自 应用领域的特点，对二者接口技术进行了详细的介绍。并以风电机组控制实例分析了该联合仿真技术的应用特点。关键词：Matlab/Simulink；Digsilent；接口设计；联合仿真基于以上问题，在了解和熟悉风电并网模型认证及算法改进的基础上，本文阐述了Matlab/Simulink与电力系统专业仿真软件Digsilent联合仿真的特点 和实现方法，并以风力发电机组发电机并网控制为实例，详细介绍了接口的开发和设计过程，最后对 联合控制的效果和特点分析。取长补短，为风力发电机组并网模型认证、算法评价以及风场电力系统 运行模拟，提供了一个新的平台。有利于加快风电 大规模并网的步伐。1Matlab/Simulink建模方法1.1MATLAB软件介绍MATLAB 软件具有强大的数值、符号计算、离 线和在线计算、矩阵计算能力，计算结果和编程可视化，界面友好、语言自然，是功能强大的计算机辅 助解决具体工程问题的标准软件。其不足之处在于图形用户界面 （Graphical User Interface，GUI） 功能 过于简单，本身是一个命令形式的交互系统，功能模块分散，要求使用者有较高的计算机素质，熟悉MATLAB编程和ToolBox环境。但MATLAB和其他语 言的接口能够保证它和各种各样的计算机软 件相结合，发挥更大的作用。Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一 个 用 来 对 动 态 系 统 进 行 建 模 、 仿 真 和 分 析 的MATLAB软件包。它支持连续、离散以及两者混合的 线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下 提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分风力发电机 组模型的构 建和认证是 目前风力发电的技术前沿。机组参数的配置和算法的选取是 否最优，关系到机组的发电效率和对电网的影响。 因此，搭建的模型是否适应电网的需要，在现有的 条件下，模型仿真认证的方法必不可少。在构建风力发电机组仿真模型和编写算法上，MATLAB 软件 具有强大的数字运算和绘图功能，对算法的验证和仿真模拟具有很好的平台。其Simulink的模块化便 于用户实现算法的建模，但是在模拟电网暂态和稳态运行状况时，缺乏专业的运行环境（稳态、时域、频域等多种模态）。相比之下，电力系统仿真软件Digsilent拥有专业的电力系统各种工况的模拟运行 环境，是电力系统行业的专业软件。然而，电力系统仿真软件Digsilent在控制系统模型的构建上较为繁 琐，更不能运行和检验算法的有效性。Clean Energy84齐会娟，等：基于 Matlab/Simulink 与 Digsilent 的联合仿真设计Vol.30 No.9析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为: 从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构 图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出 结果，针对输出结果进行分析和比较。Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面， 利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分 方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。1.2 Simulink搭建控制模块根据风电机组中电机的控制特点，采用控制器 调节发电机定子电压，依此改变发电机反力矩来改变转速。电压-转矩控制器的控制模式如图1所示。其中，U为发电机定子电压 ；s为转差率；Usetp为 电压调节上限；Upss为电压调节下限；Ur1mx为转子电压调节上限；Ur1min为转子电压调节下限；T1sp为发电机转矩；Vsta为定子电压调节参考值；Vsex为定子电 压调节输 出值；Ufdmx为定子电压给定值调节上限；Ufdmin为定子电压给定值调节下限。图1 电压-转矩控制流程图Fig. 1 The voltage-torque control flow chart根据电压-转矩控制流程图，在Matlab/Simulink 中 建 立 对 应 的 仿 真 模 型 如 图 2 所 示 。其 中 ， 模 块 Saturation的上限设置为5.0，下限值设置为-5.0。Urss 为输出，U，Usetp和Upss为输入。搭建如图仿真模块，能 够较容易实现风力发电机调节发电机定子电压，依 此改变发电机反力矩来改变转速的核心控制器。图2 电压-转矩控制仿真模块连接图Fig. 2 The voltage- torque control simulation module connection diagram三相AC系统及各种交直流混合系统。潮流求解过程DIGSILENT软件2提供了3 种方法以供选择：经典的牛顿-拉夫逊算法、牛顿-拉夫逊电流迭代法和线性方程法。在进行潮 流计算的同时，Digsilent/ PowerFactory还有变电站控制、网络控制和变压器分接头调整控制可供选择。2.2 故障分析Digsilent/PowerFactory 故 障 分 析 功 能 既 可 以 分 别 根 据 IEC909、IEEEstd141/ANSIe37.5 以 及 德 国 的VDE102/103 标 准 进 行 ， 也 可 以 根 据 Digsilent/ PowerFactory 自 身 所 提 供 的 综 合 故 障 分 析（General Fault Analysis-GFA） 方法进行。Power Factory故障分析功能支持几乎所有的故障类型。2.3 动态仿真Digsilent/PowerFactory 软 件 提 供 的 仿 真 语 言电力系统仿真软件Digsilent的名称来源于数字仿 真 和 电 网 计 算 程 序 （Digsilent SimuLation andElectrical Network），最早的开发始于1976年。允许用 户在单一的数据库中创建详尽的电力系统元件 模型（包括稳态、时域、频域等计算用的一系列参数）， 无需再像一些电力系统分析软件那样采用 不同的 软件包进行相应类型的电力输电、配电、发电或工业应用系统仿真计算。Digsilent/PowerFactory软件能 够实现以下功能。2.1AC/DC潮流计算分析Digsilent/PowerFactory 可 以 描 述 复 杂 的 单 相 和Clean Energy第 30 卷 第 9 期电网与清洁能源85（DIgSILENT Simulation Language，DSL）， 使 用 户 可以自定义模型：任何类型的静态/动态的多输入/多 输出模型，例如电压控制器、PSS 等。该软件既可以进行短期电磁暂态仿真，也可以进行中期机电暂态仿真和长期暂态仿真。PowerFactory几乎可以仿真各 种类型的故障。%返回值形式。针 对 Matlab 中 编 制 *.m 文 件 变 量 定 义 顺 序 ，在Digsilent/PowerFactory 软 件 对 话 框 中 对 应 定 义 变 量 初始值如图4所示。图5所示PowerFactory定义变量初始值对话框。接口设计和分析33.1Digsilent模型与Matlab/Simulink接口设计在Matlab/Simulink中搭建风力发电机核心控制 模 型 ， 通 过 如 图 3 的 模 式 将 控 制 器 接 入 Digsilent/PowerFactory软件中，利用它的动态仿真功能，计算 电网潮流，模拟单相短路和三相短路故障，电压不平衡的分析，讨论风力发电机输出电流对电网的影响。图4 MATLAB中的初始值调用程序The calling program of the initial value in MATLAB图3 软件接口模式图Fig. 3 Digsilent/PowerFactory and Matlab/Simulink software interface model chart3.2Power Factory模型搭建Digsilent/Power Factory提供了一个基本的动态 仿真内核，根据发电模型参数和电网参数搭建仿真模 型 ，发 电 机 转 动 惯 量 Jg = 52 kg / m3 ，额 定 功 率 Pg =1 300 kW，额定转速Vg=1 522 r/min，定子相数M1=3， 修正系数C1=0.811，定子额定相电压U1=690 V，定子绕组电阻及漏抗为r1=0.010 9 、x1=0.23 。折算到定子侧的转子 绕组及漏抗 为r2=0.23 、x2=0.18 。电网电压400 V，频率50 Hz，TS-N系统。Fig. 4接口连接文件设计在 Matlab 中 编 制 *.m 文 件 ， 作 为 Simulink 与Digsilent/ PowerFactory软件的连接，*.m文件中的程 序编制如下：function t，x，y = VCOtype16%命名global u Tvm usetp upss Vska Tisp Ur1mxUr1mn Vsex Efdmx Efdmn x1 x2 %变量定义options = simget （VCOtype16_model）；%模型 调用options = simset（ InitialState ，x1，x2）；% 初 始化t，x，y =sim（ VCOtype16_model ，options）；3.3图5 PowerFactory定义变量初始值对话框Fig. 5 The dialog box of defining the initial value of a variable in PowerFactoryClean Energy86齐会娟，等：基于 Matlab/Simulink 与 Digsilent 的联合仿真设计Vol.30 No.9其中，初始值定义如下：Tvm=0.02；Vska=20；Tisp=1；Vsex=1.所 示，依此改变发电机反力矩来改变转速的核心控制器。对应如图1的电压-转矩控制流程图，在Digsilent/ PowerFactory软件中通过编写控制逻辑图，实现对发 电机的控制，输出电压标幺值波形如图7所示；而采 用Matlab接口文件实现Simulink模型调用实现对发 电机的控制，输出电压标幺值波形如图8所示。实验结果与总结4在 Matlab/Simulink 中 建 立 对 应 的 仿 真 模 型 图 2中写入参数初始值如下：Tvm=0.02；Vska=20；Tisp=1；Vsex=1。可以看出电压-转矩控制的控制模式 。如图6图7 Digsilent软件控制器仿真波形Fig. 7 The simulation waveform of Digsilent software controller通过图8可以看出，调用Matlab/Simulink控制模图6 电压-转矩控制仿真波形The voltage-torque control simulation waveformFig. 6图8 调用Matlab/Simulink控制模型后的仿真波形Fig. 8 The simulation waveform after the Matlab/Simulink control model is calledClean Energy第 30 卷 第 9 期电网与清洁能源87型后的仿真波形与之前Digsilent/ PowerFactory软件自身控制逻辑图实现的控制模式的控制 效果是相 同的，可见采用接口设计实现控制是可行的。基 于 Matlab/Simulink 与 Digsilent 的 联 合 仿 真 设 计，可以看出，对于电力系统中复杂的控制器，可以采用编程逻辑强的Matlab/Simulink实现，通过接口 文件实现调用连接，可以大大优化控制器的设计，提高软件的实用性。2012（12）: 66-70（in Chinese）.陈国宝，曹冲，卢永杰，等. 单周控制变速恒频风力发 电机并网仿真研究J. 陕西电力，2012，40（1）: 12-16.CHEN Guobao， CAO Chong， LU Yongjie， et al. 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