電力系統(tǒng)的MATLABSIMULINK仿真與應(yīng)用_第1章

1、教材：電力系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真及應(yīng)用王晶 翁國(guó)慶 張有兵理論教學(xué)：32學(xué)時(shí)上機(jī)教學(xué)：16學(xué)時(shí),第1章 概述,1.1 電力系統(tǒng)常用仿真軟件簡(jiǎn)介 1.2 MATLAB/SIMULINK概述 1.3 簡(jiǎn)單電路演示 習(xí)題,1.1 電力系統(tǒng)常用仿真軟件簡(jiǎn)介電力系統(tǒng)是一個(gè)大規(guī)模、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有非常重要的作用。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、運(yùn)行、設(shè)計(jì)等各個(gè)方面不可或缺的工具，特別是電力系統(tǒng)新技術(shù)的開發(fā)研究、新裝置的設(shè)計(jì)、參數(shù)的確定更是需要通過(guò)仿真來(lái)確認(rèn)。目前常用的電力系統(tǒng)仿真軟件有：(1) 邦納維爾電力局(Bonneville Power Administra

2、tion, BPA)開發(fā)的BPA 程序和EMTP( Electromagnetic Transients Program)程序,2) 曼尼托巴高壓直流輸電研究中心(Manitoba HVDC Research Center)開發(fā)的PSCAD /EMTDC (Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program including Direct Current)程序；(3) 德國(guó)西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件NETOMAC (Network Torsion Machine Control)；(4) 中國(guó)電力科

3、學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)；(5) MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)與工程計(jì)算軟件MATLAB(Matrix Laboratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室,電力系統(tǒng)分析軟件除了以上幾種，還有美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的PSPICE ( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)、美國(guó)PTI公司開發(fā)的PSS/E、美國(guó)EPRI公司開發(fā)的ETMSP、ABB公司開發(fā)的SYMPOW 程序和美國(guó)EDSA公司開發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件EDSA等。以上各個(gè)電力系統(tǒng)仿真

4、軟件的結(jié)構(gòu)和功能不同，它們各自的應(yīng)用領(lǐng)域也有所側(cè)重。EMTP主要用來(lái)進(jìn)行電磁暫態(tài)過(guò)程數(shù)字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用來(lái)進(jìn)行電磁暫態(tài)和控制環(huán)節(jié)的仿真，BPA、PSASP主要用來(lái)進(jìn)行潮流和機(jī)電暫態(tài)數(shù)字仿真,近年來(lái)，MATLAB由于其完整的專業(yè)體系和先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)思路，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在國(guó)際學(xué)術(shù)界，MATLAB已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。在許多國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物上(尤其是信息科學(xué)刊物)，都可以看到MATLAB的應(yīng)用。在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為授課

5、內(nèi)容。這幾乎成了20世紀(jì)90年代教科書與舊版教科書的標(biāo)志性區(qū)別。在這些學(xué)校里，MATLAB是攻讀學(xué)位的本科生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具,在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被認(rèn)為是進(jìn)行高效研究和開發(fā)的首選軟件工具。如美國(guó)National Instruments公司的信號(hào)測(cè)量、分析軟件LabVIEW，Cadence公司的信號(hào)和通信分析設(shè)計(jì)軟件SPW等，它們直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB為主要支撐。又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各種硬卡、儀器等都接受MATLAB的支持。MATLAB在全球現(xiàn)在有超過(guò)50萬(wàn)的企業(yè)用戶和上千萬(wàn)的個(gè)人用戶，廣泛地分布在

6、航空航天、金融財(cái)務(wù)、機(jī)械化工、電信、教育等各個(gè)行業(yè),1998年MathWorks公司推出了MATLAB 5.2版本，針對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)模塊集(Power System Block，PSB)。該模塊集包含大量電力系統(tǒng)的常用元器件，如變壓器、線路、電機(jī)和電力電子等，功能也比較全面，逐漸被電力系統(tǒng)的研究者接受，并將它作為高效的仿真分析軟件,clc; const=0; x=-5:0.05:5;y=-5:0.05:5;z=-5:0.05:5; x,y,z=meshgrid(x,y,z); f=(x.2 + (9/4)*y.2 + z.2 - 1).3 - x.2.*z.3 - (9/80)*y.

7、2.*z.3-const; p=patch(isosurface(x,y,z,f,0); set(p, FaceColor, red, EdgeColor, none); daspect(1 1 1) view(3) camlight; lighting phong,1.2 MATLAB/SIMULINK概述1.2.1 MATLAB/SIMULINK發(fā)展簡(jiǎn)史1. MATLAB發(fā)展簡(jiǎn)史20世紀(jì)70年代中期，Cleve Moler和他的同事們?cè)诿绹?guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下研發(fā)了稱為L(zhǎng)INPACK和EISPACK的FORTRAN子程序庫(kù)。LINPACK 是解決線性方程問(wèn)題的FORTRAN子程序集合，EI

8、SPACK 是對(duì)特征值問(wèn)題進(jìn)行求解的子程序集合。它們一起代表了當(dāng)時(shí)最具影響力的矩陣計(jì)算軟件,20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系系主任的Cleve，希望在他的線性代數(shù)授課課程中使用LINPACK 和 EISPACK 軟件。但是他并不想增加學(xué)生的編程負(fù)擔(dān)，因此，設(shè)計(jì)了一組調(diào)用LINPACK和EISPACK庫(kù)程序的“通俗易用”的接口，并且命名為MATLAB，其基本的數(shù)據(jù)單元是一個(gè)維數(shù)不加限制的矩陣。在MATLAB下，矩陣的運(yùn)算變得非常容易。因此，一兩年后，MATLAB在應(yīng)用數(shù)學(xué)團(tuán)體中流行起來(lái),1983年的春天，Cleve到斯坦福大學(xué)進(jìn)行訪問(wèn)，MATLAB深深吸引住了身為工程師

9、的John Little。John Little敏銳地覺察到MATLAB在工程領(lǐng)域的廣闊前景，于是同年，他和Cleve Moler、Steve Bangert一起用C語(yǔ)言開發(fā)了第二代MATLAB專業(yè)版，由Steve Bangert主持開發(fā)編譯解釋程序；Steve Kleiman完成圖形功能的設(shè)計(jì)；John Little和Cleve Moler主持開發(fā)各類數(shù)學(xué)分析的子模塊，撰寫用戶指南和大部分的M文件,1984年，Cleve Moler和John Little成立了MathWorks公司，發(fā)行了MATLAB 1.0(基于DOS的版本)，正式把MATLAB推向市場(chǎng)。MATLAB的第一個(gè)商業(yè)化版本是

10、同年推出的基于DOS的MATLAB 3.0，該版本已經(jīng)具有數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。通過(guò)不斷的改進(jìn)，MATLAB逐步發(fā)展成為一個(gè)集數(shù)值處理、圖形處理、圖像處理、符號(hào)計(jì)算、文字處理、數(shù)學(xué)建模、實(shí)時(shí)控制、動(dòng)態(tài)仿真、信號(hào)處理為一體的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件。1990年推出的MATLAB 3.5版是第一個(gè)可以兼容在DOS和Windows下運(yùn)行的版本，它可以在兩個(gè)窗口上分別顯示命令行計(jì)算結(jié)果和圖形結(jié)果,1992年，MATLAB的第一個(gè)完全意義上的Windows版本MATLAB 4.0問(wèn)世，從此告別DOS版。MATLAB 4.x有了很大的改進(jìn)，首先是推出了SIMULINK；此外，1993年，MathWorks公司從

11、加拿大滑鐵盧大學(xué)購(gòu)得Maple的使用權(quán)，以Maple為“引擎”開發(fā)了Symbolic Math Toolbox 1.0。MathWorks公司此舉加快結(jié)束了國(guó)際上數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算孰優(yōu)孰劣的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，促成了兩種計(jì)算的互補(bǔ)發(fā)展新時(shí)代。同時(shí)，MathWorks公司瞄準(zhǔn)應(yīng)用范圍最廣的Word，運(yùn)用DDE和OLE構(gòu)造了Notebook，實(shí)現(xiàn)了MATLAB與Word的無(wú)縫連接，從而為專業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融科學(xué)計(jì)算、圖形可視、文字處理于一體的高水準(zhǔn)環(huán)境,1997年推出的MATLAB 5.0版本支持更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如單元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體、多維數(shù)組、對(duì)象與類等，使其成為一種更方便、更完美的編程語(yǔ)言。1999年

12、初推出的MATLAB 5.3版在很多方面又進(jìn)一步改進(jìn)了MATLAB語(yǔ)言的功能，隨之推出的全新版本的最優(yōu)化工具箱和SIMULINK 3.0版達(dá)到了很高的檔次。MATLAB 5.x較MATLAB 4.x無(wú)論是界面還是內(nèi)容都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3.0和IE 4.0及以上版本、Acrobat Reader中均可以方便地瀏覽,2000年10月底推出了全新的 MATLAB 6.0正式版(Release 12)，在操作界面上有了很大改觀，同時(shí)還給出了程序發(fā)布窗口、實(shí)時(shí)信息窗口和變量管理窗口等，為用戶的使用提供了很大的方便；在計(jì)算內(nèi)核上拋棄了其一直使用的LI

13、NPACK和EISPACK，而采用了更具優(yōu)勢(shì)的LAPACK軟件包和FFTW系統(tǒng)，速度變得更快，數(shù)值性能也更好；在用戶圖形界面設(shè)計(jì)上也更趨合理；與C語(yǔ)言接口及轉(zhuǎn)換的兼容性也更強(qiáng)?，F(xiàn)在的MATLAB支持各種操作系統(tǒng)，它可以運(yùn)行在十幾個(gè)操作平臺(tái)上，其中比較常見的有基于Windows 9X/NT、OS/2、Macintosh、Sun、UNIX、Linux等平臺(tái)的系統(tǒng),現(xiàn)在的MATLAB再也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的矩陣實(shí)驗(yàn)室了，它已經(jīng)演變成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言，其功能也越來(lái)越強(qiáng)大，并不斷地根據(jù)科研需求提出了新的解決方法。2006年9月，MATLAB R2006b正式發(fā)布。從這時(shí)開始，M

14、athWorks公司每年進(jìn)行兩次產(chǎn)品發(fā)布，時(shí)間分別在每年的3月和9月，而且每一次發(fā)布都涵蓋產(chǎn)品家族中的所有模塊，包括產(chǎn)品的新特征、bug的修訂和新產(chǎn)品模塊的發(fā)布。例如，符號(hào)R2006b中，2006表示發(fā)布年度，b表示是每年的第2個(gè)版本(9月版)，每年的第1個(gè)版本(3月版)用a表示,現(xiàn)在因特網(wǎng)上有大量的MATLAB資源，比如Mathworks公司的主頁(yè)http:/www. MATLAB大觀園http:/、MATLAB國(guó)內(nèi)代理公司恒潤(rùn)科技 http:/等，讀者可以從這些網(wǎng)站上獲取更多版本更新信息,2. SIMULINK發(fā)展簡(jiǎn)史SIMULINK是MathWorks公司開發(fā)的又一個(gè)產(chǎn)生重大影響的軟件產(chǎn)

15、品。為了準(zhǔn)確地分析控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型，1990年MathWorks公司為MATLAB提供了嶄新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB，它以工具庫(kù)的形式掛接在MATLAB 3.5版上。SIMULAB包括仿真平臺(tái)和系統(tǒng)仿真模型庫(kù)兩部分，主要用于仿真以數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達(dá)的系統(tǒng)，它是20世紀(jì)70年代開發(fā)的連續(xù)系統(tǒng)仿真程序包(CCS)的繼續(xù)。該軟件發(fā)布后很快就在控制領(lǐng)域得到了廣泛的使用。但是，因?yàn)槠涿峙c著名的軟件SIMULA類似，所以1992年改名為SIMULINK (Simulation Link)，意思是仿真鏈接,該軟件有兩個(gè)特別明顯的功能：仿真與鏈接。也就是說(shuō)，可以直接利用

16、鼠標(biāo)在模型窗口中畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)直接進(jìn)行模擬。很明顯，這種做法使得一個(gè)原本很復(fù)雜的系統(tǒng)變得相當(dāng)容易輸入。SIMULINK的出現(xiàn)，使得MATLAB在控制系統(tǒng)仿真以及電腦輔助設(shè)計(jì)(CAD)中的應(yīng)用開創(chuàng)了嶄新的一頁(yè),現(xiàn)在的SIMULINK都直接捆綁在MATLAB之上，版本也從1993年的MATLAB4.0/ Simulink 1.0版升級(jí)到了2007年的MATLAB 7.3/Simulink 6.6版，并且可以針對(duì)任何能夠用數(shù)學(xué)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船舶及汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等，其中包括連續(xù)、離散、條件執(zhí)行、

17、事件驅(qū)動(dòng)、單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。由于SIMULINK的仿真平臺(tái)使用方便、功能強(qiáng)大，因此后來(lái)拓展的其它模型庫(kù)也都共同使用這個(gè)仿真環(huán)境，成為了MATLAB仿真的公共平臺(tái),3. SimPowerSystems庫(kù)發(fā)展簡(jiǎn)史SimPowerSystems庫(kù)是SIMULINK下面的一個(gè)專用模塊庫(kù)，是在SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。它建立在加拿大的Hydro-Quebec電力系統(tǒng)測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，并由Hydro-Quebec和TECSIM International 公司共同開發(fā)而成，功能非常強(qiáng)大。SimPowerSystems庫(kù)提供了一種類似電路建模的

18、方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前自動(dòng)將仿真系統(tǒng)圖變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在SIMULINK下進(jìn)行仿真分析。它為電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計(jì)算提供了強(qiáng)有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為突出,1998年，當(dāng)時(shí)以Power System Blockset(PSB)命名的電力系統(tǒng)模塊集跟隨MATLAB 5.2一同推出。該模塊集中包含電力系統(tǒng)常見的元器件和設(shè)備，以直觀易用的圖形方式對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行模型描述，并可與其它SIMULINK模塊相連接，進(jìn)行一體化的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)分析。2002年，MATLAB推出了R13版本，將Power System Blo

19、ckset更名為SimPowerSystems，當(dāng)年的版本號(hào)為2.3,2003年9月推出的SimPowerSystems 3.0有了較大的改進(jìn)。它明確定義了SIMULINK端口與電力線路端子端口之間的區(qū)別，并專門為電力系統(tǒng)物理建模提供了相關(guān)端子端口，強(qiáng)調(diào)不得將電力端口連接到SIMULINK的輸入和輸出端口；規(guī)定SimPowerSystems 3.0中的模塊可以只有端子端口，也可以只有SIMULINK端口，還可同時(shí)兼有二者；對(duì)早期 SimPower Systems和Power System Blockset版本中的分析命令進(jìn)行重新命名,2004年9月推出的SimPowerSystems 4.0對(duì)

20、SIMULINK進(jìn)行了擴(kuò)展，提供了可適合基本電子電路和具體電力系統(tǒng)的建模與仿真工具。這些工具可以對(duì)發(fā)電、輸電和配電以及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程進(jìn)行高效建模。SimPowerSystems 4.0提供了新的應(yīng)用程序庫(kù)，其中包括 電氣驅(qū)動(dòng)模型、柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)模型和適合普通風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的分布式能源模型。表1-1為MATLAB、SIMULINK和SimPowerSystems的版本號(hào)以及對(duì)應(yīng)的發(fā)布時(shí)間,表1-1 MATLAB、SIMULINK和SimPowerSystems 的版本號(hào)以及對(duì)應(yīng)的發(fā)布時(shí)間,1.2.2 MATLAB/SIMULINK產(chǎn)品分類1. MATLAB/SIMULINK產(chǎn)品

21、MATLAB產(chǎn)品家族可以用圖1-1表示,圖1-1 MATLAB產(chǎn)品家族,圖中，Compiler是一種編譯工具，它能夠?qū)⒛切├肕ATLAB提供的編程語(yǔ)言(M語(yǔ)言)編寫的函數(shù)文件編譯生成為函數(shù)庫(kù)、可執(zhí)行文件COM組件等。這樣就可以擴(kuò)展MATLAB功能，使MATLAB能夠同其它高級(jí)編程語(yǔ)言，例如C/C+語(yǔ)言進(jìn)行混合應(yīng)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高程序的運(yùn)行效率，豐富程序開發(fā)的手段。Stateflow是一個(gè)交互式的設(shè)計(jì)工具，它基于有限狀態(tài)機(jī)的理論，可以用來(lái)對(duì)復(fù)雜的事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真,Real-Time Workshop(RTW)和Coder是兩種主要的自動(dòng)化代碼生成工具，這兩種代碼生成工具可以直接將S

22、IMULINK的模型框圖和Stateflow的狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換成高效優(yōu)化的程序代碼。利用RTW生成的代碼簡(jiǎn)潔、可靠、易讀。目前RTW支持生成標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言代碼，并且具備了生成其它語(yǔ)言代碼的能力。整個(gè)代碼的生成、編譯以及相應(yīng)的目標(biāo)下載過(guò)程都可以自動(dòng)完成，用戶需要做的僅僅是使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊幾個(gè)按鈕即可。MathWorks公司針對(duì)不同的實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，開發(fā)了相應(yīng)的目標(biāo)選項(xiàng)，配合不同的軟硬件系統(tǒng)，可以完成快速控制原型(Rapid Control Prototype)開發(fā)、硬件在回路的實(shí)時(shí)仿真(Hardware-in-Loop)、產(chǎn)品代碼生成等工作,在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具箱是整個(gè)體系的

23、基座，它是一個(gè)語(yǔ)言編程型(M語(yǔ)言)開發(fā)平臺(tái)，提供了體系中其它工具所需要的集成環(huán)境(比如M語(yǔ)言的解釋器)。同時(shí)由于MATLAB對(duì)矩陣和線性代數(shù)的支持，使得工具箱本身也具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。目前MATLAB 產(chǎn)品的工具箱有四十多個(gè)，分別涵蓋了數(shù)據(jù)采集、科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、金融財(cái)務(wù)分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領(lǐng)域。圖1-2所示為MATLAB/SIMULNK的主要產(chǎn)品及其相互關(guān)系,圖1-2 MATLAB/SIMULINK的主要產(chǎn)品及其相互關(guān)系,2. SimPowerSystems庫(kù)產(chǎn)品SimPowerSystems 4.0中含有130 多個(gè)模塊，分布在7個(gè)可用子庫(kù)

24、中。這7個(gè)子庫(kù)分別為“應(yīng)用子庫(kù)(Application Libraries)”、“電源子庫(kù)(Electrical Sources)”、“元件子庫(kù)(Elements)”、“附加子庫(kù)(Extra Library)”、“電機(jī)子庫(kù)(Machines)”、“測(cè)量子庫(kù)(Measure-ments)”和“電力電子子庫(kù)(Power Electronics)”。此外，SimPowerSystems 4.0中還含有一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形用戶分析工具Powergui和一個(gè)廢棄的“相量子庫(kù)”(Phasor Elements)。這些模塊可以與標(biāo)準(zhǔn)的SIMULINK模塊一起，建立包含電氣系統(tǒng)和控制回路的模型，并且可以用附加的

25、測(cè)量模塊對(duì)電路進(jìn)行信號(hào)提取、傅里葉分析和三相序分析,應(yīng)用子庫(kù)中含有適合于普通風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的分布式能源模型、特種電機(jī)模型和FACTS模型。電源子庫(kù)中含有交流電壓源、直流電壓源、受控電壓源和受控電流源模型。元件子庫(kù)中含有RLC支路和負(fù)載、線性和飽和變壓器、斷路器、傳輸線模型、物理端口模型。電機(jī)子庫(kù)中包含詳細(xì)或簡(jiǎn)化形式的異步電機(jī)、同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、水力與蒸汽渦輪調(diào)速系統(tǒng)模型。電力電子子庫(kù)中含有二極管、簡(jiǎn)化/復(fù)雜晶閘管、GTO、開關(guān)、MOSFET、IGBT和通用橋式電路模型。測(cè)量子庫(kù)中含有電壓、電流、電抗測(cè)量模塊，以及萬(wàn)用表測(cè)量模塊,附加子庫(kù)中包含內(nèi)容較多，主要和系統(tǒng)離散化、

26、控制、計(jì)算和測(cè)量有關(guān)，包括RMS測(cè)量、有效和無(wú)功功率計(jì)算、傅里葉分析、HVDC 控制、軸系變換、三相V-I測(cè)量、三相脈沖和信號(hào)發(fā)生、三相序列分析、三相 PLL 和連續(xù)/離散同步6/12脈沖發(fā)生器等。這些模塊，有些將在后面幾章中進(jìn)行介紹，但是大多數(shù)模塊還需要讀者對(duì)照MATLAB提供的幫助文件進(jìn)行學(xué)習(xí),1.2.3 MATLAB/SIMULINK的特點(diǎn)1. MATLAB的特點(diǎn)自從MathWorks公司推出MATLAB后，MATLAB以其優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。隨著版本的不斷升級(jí)，它在數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能上得到了進(jìn)一步完善。MATLAB的特點(diǎn)可概括為以下七點(diǎn)

27、：(1) 提供了便利的開發(fā)環(huán)境。MATLAB提供了一組可供用戶操作函數(shù)和文件的具有圖形用戶界面的工具，包括MATLAB主界面、命令窗口、歷史命令、編輯和調(diào)試、在線瀏覽幫助、工作空間、搜索路徑設(shè)置等可視化工具窗口,2) 提供了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能。MATLAB可進(jìn)行包括基本函數(shù)、復(fù)雜算法、更高級(jí)的矩陣運(yùn)算等非常豐富的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能，特別適合矩陣代數(shù)領(lǐng)域。它還具有許多高性能數(shù)值計(jì)算的高級(jí)算法，庫(kù)函數(shù)極其豐富，使用方便靈活。(3) 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)易高效。MATLAB提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句(如for循環(huán)、while

28、循環(huán)、break語(yǔ)句和if語(yǔ)句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴ATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫(kù)函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大，并且有很強(qiáng)的用戶自定義函數(shù)的能力,4) 圖形功能強(qiáng)大。在如FORTRAN和C等一般編程語(yǔ)言里，繪圖都很不容易。但MATLAB提供了豐富的繪圖函數(shù)命令，使得用戶數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力，用戶可方便地在可視化環(huán)境下進(jìn)行個(gè)性化圖形編輯和設(shè)置,5) 提供了功能強(qiáng)大的工具箱。MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。工具箱又分為兩類

29、：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。學(xué)科性工具箱專業(yè)性比較強(qiáng)，如control、signal processing、commumnication、powersys toolbox等。這些工具箱都是由相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的專家編寫的，所以用戶無(wú)需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，直接可以進(jìn)行高、精、尖的研究,6) 應(yīng)用程序接口功能強(qiáng)大。MATLAB提供了方便的應(yīng)用程序接口，用戶可以使用C或FORTRAN等語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)與MATLAB程序的混合編程調(diào)用。(7) MATLAB的缺點(diǎn)。和其它高級(jí)程序相比

30、，MATLAB程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，因此速度較慢,2. SIMULINK的特點(diǎn)SIMULINK是一種強(qiáng)有力的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下以最小的代價(jià)來(lái)模擬真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行。SIMULINK準(zhǔn)備有數(shù)百種預(yù)定義系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)有效的積分算法和直觀的圖示化工具。依托SIMULINK強(qiáng)健的仿真能力，用戶在原型機(jī)制造之前就可建立系統(tǒng)的模型，從而評(píng)估設(shè)計(jì)并修補(bǔ)瑕疵。SIMULINK具有如下特點(diǎn)：(1) 建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真。SIMULINK是一種圖形化的仿真工具，用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究制定。由于支持線

31、性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，SIMULINK幾乎可分析任何一種類型的真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng),2) 以直觀的方式建模。利用SIMULINK可視化的建模方式，可迅速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的框圖模型。只需在SIMULINK元件庫(kù)中選出合適的模塊并拖放到SIMULINK建模窗口，鼠標(biāo)點(diǎn)擊連接就可以了。SIMULINK標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)擁有的模塊超過(guò)150種，可用于構(gòu)成各種不同種類的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。模塊包括輸入信號(hào)源、動(dòng)力學(xué)元件、代數(shù)函數(shù)和非線性函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示模塊等。SIMULINK模塊可以被設(shè)定為觸發(fā)和使能的，能用于模擬大模型系統(tǒng)中存在條件作用的子模型的行為,3) 增添定制模塊元件和用戶代碼。SIMULINK模塊庫(kù)是

32、可定制的，能夠擴(kuò)展以包容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。用戶也可以修改已有模塊的圖標(biāo)，重新設(shè)定對(duì)話框，甚至換用其它形式的彈出菜單和復(fù)選框。SIMULINK允許用戶把自己編寫的C、FORTRAN、Ada代碼直接植入SIMULINK模型中,4) 快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。SIMULINK優(yōu)秀的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來(lái)了極高的精度。先進(jìn)的常微分方程求解器可用于求解剛性的和非剛性的系統(tǒng)、具有事件觸發(fā)或不連續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)和具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)。SIMULINK的求解器能確保連續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真高速、準(zhǔn)確的進(jìn)行。同時(shí)，SIMULINK還為用戶準(zhǔn)備了一個(gè)圖形化的調(diào)試工具，以輔助用戶進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā),5) 分層次地表

33、達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)。SIMULINK的分級(jí)建模能力使得體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型構(gòu)建也簡(jiǎn)便易行。根據(jù)需要，各種模塊可以組織成若干子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，整個(gè)系統(tǒng)可以按照自頂向下或自底向上的方式搭建。子模型的層次數(shù)量完全取決于所構(gòu)建的系統(tǒng)，不受軟件本身的限制。為方便大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的操作，SIMULINK還提供了模型結(jié)構(gòu)瀏覽的功能,6) 交互式的仿真分析。SIMULINK的示波器可以動(dòng)畫和圖形顯示數(shù)據(jù)，運(yùn)行中可調(diào)整模型參數(shù)進(jìn)行What-if分析，能夠在仿真運(yùn)算進(jìn)行時(shí)監(jiān)視仿真結(jié)果。這種交互式的特征可幫助用戶快速評(píng)估不同的算法，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。由于SIMULINK完全集成于MATLAB，在SIMULINK下計(jì)算的結(jié)

34、果可保存到MATLAB的工作空間中，因而就能使用MATLAB所具有的眾多分析、可視化及工具箱工具操作數(shù)據(jù),3. SimPowerSystems庫(kù)的特點(diǎn)SimPowerSystem庫(kù)具有如下特點(diǎn)：(1) 使用標(biāo)準(zhǔn)電氣符號(hào)進(jìn)行電力系統(tǒng)的拓?fù)鋱D形建模和仿真。(2) 標(biāo)準(zhǔn)的AC和DC電機(jī)模型模塊、變壓器、輸電線路、信號(hào)和脈沖發(fā)生器、 HVDC 控制、IGBT 模塊和大量設(shè)備模型。(3) 使用SIMULINK強(qiáng)有力的變步長(zhǎng)積分器和零點(diǎn)穿越檢測(cè)功能，給出高度精確的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果,4) 利用定步長(zhǎng)梯形積分算法進(jìn)行離散仿真計(jì)算，為快速仿真和實(shí)時(shí)仿真提供模型離散化方法。這一特性能夠顯著提高仿真計(jì)算的速度尤

35、其是那些帶有電力電子設(shè)備的模型。另外，由于模型被離散化，因此可用Real-Time Workshop生成模型的代碼，進(jìn)一步提高仿真的速度。(5) 利用Powergui交互式工具模塊可以修改模型的初始狀態(tài)，從任何起始條件開始進(jìn)行仿真分析，例如計(jì)算電路的狀態(tài)空間表達(dá)、計(jì)算電流和電壓的穩(wěn)態(tài)解、設(shè)定或恢復(fù)初始電流/電壓狀態(tài)、電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算等,6) 提供了擴(kuò)展的電力系統(tǒng)設(shè)備模塊，如電力機(jī)械、功率電子元件、控制測(cè)量模塊和三相元器件。(7) 提供大量功能演示模型，可直接運(yùn)行仿真或進(jìn)行案例學(xué)習(xí),1.3 簡(jiǎn)單電路演示下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，說(shuō)明利用SIMULINK進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的最基本方法。對(duì)于初入門的讀者而言，可以按本節(jié)步驟搭建系統(tǒng)，也可以不進(jìn)行搭建，僅