MATLAB与电力系统仿真.pdf

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1、第 3 4卷 第 6 期 Vl0 l _ 3 4 No 6 河北工业大学学报 J 0URNAL OF HE BEI UNI VE RS I T Y OF TE CHN0L 0GY 2 0 0 5 年 1 2月 De c e mb e r 2 0 0 5 文章编号：1 0 0 7 2 3 7 3(2 0 0 5)0 6 0 0 0 5 0 5 MA T L AB与电力系统仿真 张少如，李志军 ，吴永俭，杜志强(1，河北师范大学 物理学院，河北 石家庄 0 5 0 0 1 6；2 河北工业大学 电工厂，天津 3 0 0 1 3 0)摘要：在介绍 MA T L A B 内容的基础上，以单机无穷大系统

2、为例，重点阐述了 MA T L A B软件在电力系统中的应 用利用 S i m u l i n k环境下的电力系统工具箱(P S B)进行仿真，通过 P o w e r g u i 进行潮流计算并设置系 统稳定运 行的初始值，给出仿真算法和精度的确定方法实践表明，M A T L A B是进行电力系统建模和仿真分析的强大实 用工具 关键词：MA T L AB；电力系统；S i mu l i n k；P o we r g u i；仿真 中图分类号：T M7 文献标识码：A M ATL AB a n d P o we r S y s t e m S i mu l a t i o n Z HA NG

3、S h a o r u ，L I Z h i-j u n ，WU Y o n g-j i a n ，DU Z h i q i a n g (1 C o l l e g e o f P h y s i c s H e b e i No r ma l Un i v e r s i t y,S h i a z h u a n g 0 5 0 0 1 6，C h i n a；2 E l e c t r i c a l E q u i p me n t F a c t o r y,H e b e i Un i v e rsi ty o f T e c h n o l o g y,T i a n d i

4、n 3 0 0 1 3 0，C h i n a)Ab s t r a e t：T h e c o n t e n t s o f MAT L AB a r e i n t r o d u c e d i n t h i s P a D e r As a l l e x a mp l e f o r o n e ma c h i n e i n fin i t e b u s s y s t e m，t h e a p p l i c a t i o n s o f MATL AB i n p o we r s y s t e m are p r e s e n t e d i n d e t

5、a i l S i mu l a t i o n i s p e r f o r me d b y ma k i n g u s e o f P o we r S y s t e m B l o c k s e t(P S B)o n S i mu l i n k P o w e r f l o w i s p e rf o rm e d a n d t h e i n i t i a l v a l u e s o f s t a b l e o p e r a t i o n a r e s e t t h r o u g h P o we r g u i S i mu l a t i o

6、 n a l g o r i t h m a n d the me t h o d o f d e t e rm i n i n g a c c u r a c y a r e p r e s e n t e d T h e p r a c t i c e i n d i c a t e s t h a t M AT L AB i s a p o we r f u l t o o l a p p l i e d t o t h e mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f p o we r s y s t e m Ke y wo r d s：MA

7、TL AB；p o we r s y s t e m；s i mu l i n k；p o we r g u i；s i mu l a t i o n 0 引言 随着电力系统的飞速发展和电网的日益扩大以及 自动化程度的不断提高，电力系统中许多计算和控 制问题 日益复杂，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，因此迫切要求运用电力仿真来解 决这些问题 MA T L A B仿真软件是美国 Ma t h w o r k s 公司于 1 9 9 8 年推出的，MA T L A B V e r s i o n 5 2 增加了针 对电力系统仿真的软件模块 p o w e r s y s t e mb

8、 l o c k(P S B)它包含许多电力系统和电力驱动的专用元件，将 复杂的电力系统模块化，使用简单，功能也比较全面，有利于励磁控制系统的仿真 1 MA T L A B简介 1 1 MA T L AB的特点 MA T L A B(Ma t r i x L a b o r a t o r y)是当今国际上最流行的控制系统辅助设计(C A C S D)技术的语言和软 件工具，主要用于数值计算及可视化图形处理的高科技计算语言它将数值分析、矩阵计算、图形图象 处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行 有效数值计算的众：多学科提供了一种高效率的编程工

9、具，集科学计算、自动控制、信号处理、神经网 络、图象处理等于一体MA T L A B具有 3 大特点“：1)功能强大 包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和 收稿 日期：2 0 0 5 0 7 0 4 作者简介：张少如(1 9 7 1 一)，女(汉族)，讲师，天津大 学博士生 维普资讯 http:/ 6 河北工业大学学报 第 3 4 卷 在线皆可计算；2)界面友好，语言自然MA T L A B以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式 相近；3)开放性强MA T L A B有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用，可容易地编 写各种通用

10、或专用应用程序正是由于 MA T L A B的这些特点，使它获得了对应用学科(特别是边缘学 科和交叉学科)的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处 理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具 1 2 S i mu l i n k工具箱 在 MA T L A B中，S im u l i n k 是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：S i m u(仿真)与L i n k (链接)，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境 具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编 程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性；同时进一步

11、扩展了 MA T L A B的功能，可实 现多工作环境间文件互用和数据交换 S im u l in k 提供了友好的图形用户界面(G U I)，模型由模块组成的 框图来表示，用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成S i m u l in k 的模块库为用户提供了多 种多样的功能模块，其中有连续系统(C o n t i n u o u s)、离散 系统(D i s c r e t e)、非线性系统(N o n l i n e a r)等 几类基本系统构成的模块，以及连接、运算模块而输入源模块(S o u r c e s)和接收模块(S i nks)则为 模型仿真提供了信号源和结果输出设备

12、 1 3 P S B电力系统模块库 MA T L A B中的电力系统模块库 P S B(P o w e r S y s t e mB l o c k)以 S i m u l i n k为运算环境，涵盖了电路、电 力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型 它由以下 6 个子模块库 组成：电源模块库，基本元件模块库，O电力电子模块库，电机模块库，O连接模块库，测量模 块库 在这 6 个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合、封装出常用的更为复杂的模块，添加到所 需模块库中去，为电力研究者带来了更大的便利 乜 1 4 P o we r g u i 电力系统图形化用户接 口

13、 电力系统图形化用户接 口(P o w e r g u i)利用 S i m u l in k功能连接不同的电气元件，是分析电力系统模 型有效的图形化用户接 口工具 可以拷贝此模块到系统模型窗口中，然后双击模块打开功能菜单：1)P o w e r g u i 模块可以显示系统稳定状态的电流和 电压及电路所有的状态变量值；2)为了执行仿真，P o w e r g u i 模块允许修改初始状态；3)P o w e r g u i 可以执行负载潮流的计算，并且为了从稳态时开始仿真可以初始化包括三相电机在内 的三相网络，三相电机的类型为简化的同步电机、同步电机或异步电机模块；4)当电路中出现阻抗测量模

14、块时，P o w e r g u i 也可以显示阻抗随频率变化的波形；5)如果用户拥有控制工具箱，P o w e r g u i 模块可以产生用户 自己系统的空间模块，自动打开 L T I 相对 于时域和频域的观测器接 口；6)P o w e r g u i 可以产生扩展名为 r e p的结果报告文件，这个文件包含测量模块、电源、非线性模块等 系统的稳定状态值 b 2 在 MA T L A B下建立仿真模型 为了保证问题研究具有普遍性，我们选择了典型的 电力系统单机一无穷大系统如图 1 所示 是机端 电压、是变压器的电抗、。和 是线路电抗、是无穷大电源电压 直接利用P S B中的以下模块来组成

15、 我们要研究的传统励磁控制系统 例如由同步发电机(S y n c h r o n o u s Ma c h in e)和励磁调节系统(E x c it a t i o n s y s t e m)图 1 单机一 无穷大系统接线图 Fi g 1 S c h e ma t i c dia g r a m o f o n e ma c h i n e i n f i nit e b u s s y s t e m 维普资讯 http:/ 第 6 期 张少如，等：MA T L A B与电力系统仿真 7 模拟发电机系统，变压器(T)、输电线路(L i n e)、负载(L o a d)、标准电压源(s o

16、 u r c e)以及测量元件 等模拟无穷大电力系统，如此就构成了MA T L A B环境下的单机一无穷大系统仿真模型如图2 所示 图2 单机一 无穷大系统模型 F i g 2 Mo d e l o fo n e ma c hi n e i n fin i t e-b us s y s t e m 仿真模型参数设定，如图示 S y n c h r o n o u s Ma c h in e(同步发电机)参数：=2 0 0 MV A，=1 3 8 k V(r ms)，=5 0 H z，=5 S，”=0 3 1 2 S，乃一 3 2 S，乃”=0 0 5 3 S，”=0 0 4 3 S，=1 3

17、0 5 p u，：0 3 0 8 p u，”=0 2 7 3 p u，物=0 4 6 5 p u，物”=0 2 5 1 p u，=0 2 2 p u，H=4 S，D=2，=1 p u，凸极机 E x c i t a t i o n S y s t e m(励磁系统)参数：=5 0，=0 5 S，尼=1，=0 S，=2 0 e 3 S，=0 0 0 1，=0 1 S 3 在 MA T L A B下仿真 3 1利用 P o we r g u i 进行潮流计算并设置系统稳定运行的初始值 利用 MA T L A B进行电力系统动态仿真时，为了保证仿真从稳定状态下开始运行，必须正确设定系 统的初始参数

18、如果没有进行系统初始值设置或者设置不合理，将使系统长期处于不稳定状态，仿真结果失真，则 仿真失去意义 这是由于系统运行的稳态值与给定的参考值之间存在差异，要克服这种差异将耗费一定 的时间，表现出的仿真结果将是不断振荡的，甚至发散 由于初始值的不准确，依据所得到的仿真结果 进行分析，很可能将原本稳定的系统误认为发散、不稳定由此可见系统初始参数的设置非常重要 MA T L A B对此提供了有效的解决方法利用 P o w e r g u i 中“L o a d F l o w a n d Ma c h in e I n i t i a l i z a t io n”选项 来运行新的负荷，得出原动机、

19、励磁系统和同步发电机在此负荷下的稳态值 然后利用 U p d a t e L o a d F l o w 将稳态时的机械功率、励磁电压、机端电压及定子电流作为系统的初始值 自动添入相应选框，即完成稳 态初始值设置 “L o a d F l o w a n d Ma c h in e I n i t i a l iz a t i o n”中的 B u s T y p e有两种类型 S w i n g B u s 和 P V G e n e r a t o r，MA T L A 要求系统中至少有一个 S w i n g B u s，否则将不能进行潮流计算 P V G e n e r a t o r

20、 类型允许用户自己定义机端 电压和电机有功功率；S w i n g B u s 类型除了允许用户 自己定义机端电压和电机有功功率外，同时还可以 设定机端电压A相的角度 维普资讯 http:/ 河北工业大学学报 第 3 4 卷 3 2在 S i mu l a t i o n中进行仿真算法和精度 的确定 仿真之前必须合理的设置算法和精度 算法和精度选择的不适合，将使仿真结果偏离理论与实际，出现仿真图象不连续或者发散的情况，很可能令仿真难以进行，甚至被系统 自动中断 MA T L A B针对不同的系统提供给用户两大仿真算法定步长和变步长，可以通过 S imu l a t i o n中的 S o l

21、v e r 进行设置定步长求解器使用固定的步长对系统进行求解，有 D i s c r e t e，o d e 5，o d e 4，o d e 3，o d e 2，o d e l；变步长求解器则能够根据用户指定的积分误差 自动调整仿真步长，有 D i s c r e t e，o d e 4 5，o d e 2 3，o d e l 3，o d e l 5 S，o d e 2 3 S，o d e 2 3 t，o d e 2 3 t b 仿真算法的选择很重要，算法的合理与否将影响到仿真的 结果和仿真速度MA T L A B针对刚性系统(系统的特征值相差很大，既有快变特性又有慢变特性的系 统)提供了o

22、d e l 5 S，o d e 2 3 S，o d e 2 3 t 与 o d e 2 3 t b等算法电力系统模型由于含有发 电机这类刚性系统应 采用o d e l 5 S，o d e l 5 S 是刚性系统的变阶次多步解法，因此仿真结果较准确 MA T L A B 使用户方便地控制仿真精度，用户可以对积分绝对误差和相对误差进行合理的设置 减 小积分误差限可提高系统仿真结果的精度，但系统仿真速度将变慢；使用较大的积分误差限或者定步长 求解器可以加快系统的仿真速度，但会使仿真结果的精度降低 具体应用时应综合考虑系统仿真精度与 仿真效率，来决定仿真模型的R e l a t i v e t o l

23、 e r a n c e 和 A b s o l u t e t o l e r a n c e：的选项 综上，将求解器设置(S o lv e r o p t i o n s)如下：T y p e：V a r i b l e s t e p Od e l 5(s)(s t i ff ND F)Ma x s t e p s i z e：a u t o Re l a t i v e t o l e r a n c e：l e-2 M i n s t e p s i z e：a u t o Ab s o l u t e t o l e r a n c e：l e-1 6 I n i t i a l

24、s t e p s i z e：a u t o Ma x i mu m o r d e r 5 3 3仿真 完成上述设置之后可以进行相应的仿真试验，一般 电力系统的试验有阶跃扰动试验和短路试验 1)小扰动试验 5 S 时在系统的励磁调节器机端电压参考输入端(v r e f)加上阶跃扰动(5)，进 行小扰动试验，记录下该扰动下电功率 P e 的时域响应如图3 所示 -槲 图 3 励磁系统电功率的阶跃响应 F i g 3 S t e p r e s p o n s e o f AER Pe 2)短路试验在 f=5 1 S 时系统出现三相短路故障，在 5 2 S 排除故障将线路重新闭合，得到系统 电

25、功率短路故障的时域响应如图4所示 4 结论 本文以单机无穷大系统为例，介绍了MA T L A B在电力仿真中的应用利用 MA T L A B的电力系统模 块库可方便地对所研究的对象进行各种暂态和稳态数字仿真，了解电气参数变化对电力系统分析、运行 的影响，验证理论分析结果从实验角度讲，由于现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大 联合动力系统，许多大型电力实验一则实际条件难以满足，二则系统的安全运行也不允许进行实验使 维普资讯 http:/ 第 6 期 张少如，等：M A T L A B与电力系统仿真 9 用基于图形界面的仿真建模方式仿真软件(如 MA T L A B)是大势所趋 MA T

26、 L A B适用范围极广，几乎 所有工程领域仿真都可适用 斛 姬 参考文献：图4 励磁系统电功率的短路响应 F i g 4 S h o r t c i r c u i t r e s p o n s e o fAER Pe 1 薛定宇，陈阳泉基于 Ma t l a b S i m u l i n k 的系统仿真技术与应用 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 2 2 2 吴天明MA T L A B电力系统设计与分析 M 北京：国防工业出版社，2 0 0 4 3 Ma t h W o r k s 公司h t t p：w w w ma t h w o r k s c o m 日本茨城大学 Ko h z u ma教授、Mo r i 教授和 日本产业技术综合研究所 N a g a s h i ma教授来校作学术报告 河北工业大学生物物理研究所邀请 日本茨城大学 K o h z u ma 教授、Mo r i 教授和 日本产业技术综合研 究所 N a g a s h ima教授于 l 1 月 2 7日来校做学术访问研究他们分别做了生物物理领域中有关生物化学、量子化学计算和分子动力学模拟等方面的精彩报告(学摘)维普资讯 http:/