MATLAB与电力系统仿真

1、MATLAB应用技术清华大学出版社清华大学出版社王忠礼王忠礼 段慧达段慧达 高玉峰编著高玉峰编著MATLABMATLAB应用技术应用技术5 MATLAB与电力系统仿真5.1电力系统的数学模型n电力系统一般由发电机、变压器、电力线路和电力负荷构成。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。MATLAB为电力系统的建模提供了简洁的工具，通过电力系统的电路图绘制，可以自动生成数学模型。MATLABMATLAB应用技术应用技术 5.1.1电力系统元件库1启动和退出电力系统元件库启动和退出电力系统元件库 启动电力系统元件库的方法有几种，下面介绍两种最简单的方法。 (1)利用指令窗口（Co

2、mmand Window）启动：在指令窗口中键入powerlib单击回车，则MATLAB软件中弹出电力系统元件对话框（powerlib）。MATLABMATLAB应用技术应用技术 (2)利用开始（Start）导航区启动： 单击开始按钮，选择仿真（Simulink）命令，再选择电力系统仿真命令（SimPowerSystem）,在弹出的对话框中选择电力系统元件库（Block Library）命令即可。MATLABMATLAB应用技术应用技术直流电压源 2电力系统元件库简介电力系统元件库简介与电力系统建模与仿真有关的一些元件 ： 1）电源元件（）电源元件（Electrical Sources）交流电

3、压源交流电流源三相压电源受控电压源受控电流源三相可编程电压源MATLABMATLAB应用技术应用技术三相电源参数设置：三相电源参数设置：电源内部连接方式：电源内部连接方式：Y：Y形连接，中性点不引出Yn：Y形连接，中性点引出，可以接外电路（如：中性点经电阻或消弧线圈接地）Yg：Y形连接，中性点直接接地。是否根据短路容量确定阻抗MATLABMATLAB应用技术应用技术2）线路元件（）线路元件（Elements）MATLABMATLAB应用技术应用技术（a）支路元件（）支路元件（Elements）MATLABMATLAB应用技术应用技术三相串联三相串联RLC负载元件参数设置：负载元件参数设置：MA

4、TLABMATLAB应用技术应用技术（b）输配电线路元件（）输配电线路元件（Lines）在电力系统设计和分析中，输配电线路一般用各种类型的等值电路来进行简化以便于简化分析。MATLABMATLAB应用技术应用技术PI型等值电路（集中参数输电线路元件）型等值电路（集中参数输电线路元件）在电力系统中，中等长度的线路一般采用PI型等值电路，忽略它们的分布参数特性。MATLABMATLAB应用技术应用技术单相单相PI型模块模块参数设置：型模块模块参数设置：线路总长度PI型电路的段数MATLABMATLAB应用技术应用技术单位长度正序、零序电阻单位长度正序、零序电感单位长度正序、零序电容线路长度，对于长

5、度超过300km的线路，可用多个串联PI型模块三相三相PI型模块模块参数设置：型模块模块参数设置：MATLABMATLAB应用技术应用技术分布参数输电线路元件分布参数输电线路元件在电力系统中，线路长度超过300公里的架空线路和超多100公里的电缆线路，就需要考虑它们的分布参数特性；此外，当分析线路的瞬变过程、线路的波过程以及进行更精确的分析时需要使用分布参数模块。MATLABMATLAB应用技术应用技术分布参数模块参数设置：分布参数模块参数设置：线路相数基波频率单位长度电阻，对于两相或三相连续换位线路，可输入正序或零序电阻R1,R0,对于N相非对称线路，必须输入表示线路间相互关系的NN阶电阻矩

6、阵 单位长度电感单位长度电容线路长度MATLABMATLAB应用技术应用技术（c）断路器元件（）断路器元件（Circuit Breakers）在电力系统中，断路器的作用是通断高压线路，断路器元件就是用来实现各种电路中的高压断路器。MATLABMATLAB应用技术应用技术单相断路器模块参数设置：单相断路器模块参数设置：MATLABMATLAB应用技术应用技术三相故障模块参数设置：三相故障模块参数设置：0: The selected fault breakers open1: The selected fault breakers closedMATLABMATLAB应用技术应用技术（d）变压器元

7、件（）变压器元件（Transformers）在电力系统中，电力变压器是非常重要的电气设备，其作用是进行能量的传输并改变电压的等级。MATLABMATLAB应用技术应用技术3）其他元件）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（Power Electronics）、电机元件（Machines）、连接器元件（Connectors）、电路测量仪器（Measurements）、附加元件（Extras），这些元件都具有特定的功能 ，在这里就不作详细介绍。MATLABMATLAB应用技术应用技术3示例示例例例1：交流电压源的叠加。设计两个单相交流电压源，叠加后作为线路的电源，分析线路首端电压的

8、变化情况。 设计的交流电路如下图所示，在此电路图中，交流电压源的幅值、频率、相位均不相同，可以通过仿真结果直接对各自电压源的输出和他们的叠加结果进行分析，这种分析方法简单、直接。MATLABMATLAB应用技术应用技术n是将三相abc坐标系下的变量ia、ib、ic变换成dq0坐标系下的变量id、iq、i0。5.1.3 Park变换MATLABMATLAB应用技术应用技术nabc坐标系统变换为dq0坐标系统的变换公式如下：n在MATLAB中，使用abc坐标系统转换为dq0坐标系统（abc_to_dq0 Transformation）元件可以实现这种变换。nabc_to_dq0 Transform

9、ation在电力系统元件库（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的测量元件（Measurements）中。 022sinsin()sin()33222coscos()cos()333111222daqbciiiiii MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术ndq0坐标系统变换为abc坐标系统的变换公式如下：n在MATLAB中，使用dq0坐标系统转换为abc坐标系统（dq0_to_abc Transformation）软件可以实现这种变换。n该元件也在电力系统元件库（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的测量元件（Measurem

10、ents）中。0sincos1222sin()cos()133322sin()cos()133adbqciiiiii MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术5.2.1 电力系统不对称运行分析法对称分量法n电力系统正常运行时可以认为是三相对称的，即个元件三相阻抗相同，各处三相电压和电流对称，且具有正弦波形和正常相序。n当电力系统发生不对称短路或个别地方一相或两相断开时，则对称运行方式遭到破坏，三相电压和电流将不对称，而且波形发生不同程度的畸变，即除基波外，还含有一系列谐波分量。n一般，在电力系统分析种，对于不对称故障采用简单的对称分量法进行分析。 5.2

11、电力系统时域分析MATLABMATLAB应用技术应用技术已知正序、负序、零序分量时， cbajjjjaaaFFFeeeeFFF111113112024024012002102124012012024011111aaajjjjcbaFFFeeeeFFF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：MATLABMATLAB应用技术应用技术三相序分量分析（三相序分量分析（3-Phase Sequence Analyzer）元件）元件位置：电力系统元件库（PowerLib）中的附加元件（Extras）下的测量元件（Measurements）中。用来指定进行序分量分析的谐波用来设置三相输入信号的基频频率用来选择显示的序分量MATLABMATLAB应用技术应用技术例例2：设计给定的电路图模型（P173），分析A相接地后，其电压、电流的正序、负序、零序变换情况。MATLABMATLAB应用技术应用技术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）。 5.2.2 电力系统时域分析工具MATLABMATLAB应用技术应用技术稳态电压和电流初始状态设置潮流和电机初始化线性时变观察器阻抗和