電力系統(tǒng)的MATLABSIMULINK仿真與應用-第6章匯編

1、第6章 電力系統(tǒng)(din l x tn)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)仿真 6.1 Powergui模塊 6.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真 6.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真 6.4 電力系統(tǒng)機電(jdin)暫態(tài)仿真 習題 共一百六十二頁6.1 Powergui模塊Powergui模塊為電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)仿真提供了有用的圖形用戶分析界面。通過Powergui模塊，可以對系統(tǒng)進行可變步長連續(xù)系統(tǒng)仿真、定步長離散系統(tǒng)仿真和相量法仿真，并實現(xiàn)(shxin)以下功能：(1) 顯示測量電壓、測量電流和所有狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值；(2) 改變仿真初始狀態(tài)；(3) 進行潮流計算并對包含三相電機的電路進行初始化設置；(4) 顯示阻抗的依頻特性圖；共

2、一百六十二頁(5) 顯示FFT分析結果；(6) 生成狀態(tài)空間模型并打開“線性時不變系統(tǒng)”(LTI)時域和頻域的視窗界面；(7) 生成報表，該報表中包含測量模塊、電源(dinyun)、非線性模塊和電路狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值，并以后綴名.rep保存；(8) 設計飽和變壓器模塊的磁滯特性。6.1.1 主窗口功能簡介MATLAB提供的Powergui模塊在SimPowerSystems庫中，圖標如圖6-1所示。共一百六十二頁圖6-1 Powergui模塊(m kui)圖標共一百六十二頁雙擊Powergui模塊圖標將彈出該模塊的主窗口，如圖6-2所示。該主窗口包含“仿真類型”(Simulation Type)

3、和“分析工具”(Analysis Tools)兩塊內(nèi)容，簡介如下。1. 仿真類型1) “相量法仿真”(Phasor simulation)單選框點擊該單選框后，在該單選框下方(xi fn)的“頻率”(Frequency)文本框中輸入指定的頻率，進行相量法分析。若未選中該單選框，“頻率”文本框顯示為灰色。共一百六十二頁圖6-2 Powergui模塊(m kui)主窗口共一百六十二頁2) “離散系統(tǒng)仿真”(Discretize electrical model)單選框點擊該單選框后，在“采樣時間”(Sample time)文本框中輸入指定的采樣時間(Ts0)，按指定的步長對離散化系統(tǒng)進行分析。若采

4、樣時間等于0，表示不對數(shù)據(jù)進行離散化處理，采用連續(xù)算法分析系統(tǒng)。若未選中該單選框，“采樣時間”文本框顯示為灰色。3) “連續(xù)系統(tǒng)仿真”(Continuous)單選框點擊該單選框后，采用連續(xù)算法分析系統(tǒng)。4) “顯示分析信息”(Show message during analysis)復選框選中該復選框后，命令窗口(chungku)中將顯示系統(tǒng)仿真過程中的相關信息。共一百六十二頁2. 分析工具1) “穩(wěn)態(tài)電壓(diny)電流分析”(Steady-State Voltages and Currents)按鍵打開穩(wěn)態(tài)電壓(diny)電流分析窗口，顯示模型文件的穩(wěn)態(tài)電壓(diny)和電流。2) “初始

5、狀態(tài)設置”(Initial States Setting)按鍵打開初始狀態(tài)設置窗口，顯示初始狀態(tài)，并允許對模型的初始電壓(diny)和電流進行更改。3) “潮流計算和電機初始化”(Load Flow and Machine Initialization)按鍵打開潮流計算和電機初始化窗口。共一百六十二頁4) “LTI視窗”(Use LTI Viewer)按鍵打開窗口，使用“控制系統(tǒng)工具箱”(Control System Toolbox)的LTI視窗。5) “阻抗依頻特性測量”(Impedance vs. Frequency Measurement)按鍵打開窗口，如果模型(mxng)文件中含阻抗測

6、量模塊，該窗口中將顯示阻抗依頻特性圖。6) “FFT分析”(FFT Analysis)按鍵打開FFT分析窗口。7) “報表生成”(Generate Report)按鍵打開窗口，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)計算的報表。共一百六十二頁8) “磁滯特性設計工具”(Hysteresis Design Tool)按鍵打開窗口，對飽和變壓器模塊(m kui)和三相變壓器模塊(m kui)的鐵芯進行磁滯特性設計。9) “計算RLC線路參數(shù)”(Compute RLC Line Parameters)按鍵打開窗口，通過導線型號和桿塔結構計算架空輸電線的RLC參數(shù)。6.1.2 穩(wěn)態(tài)電壓電流分析窗口打開“穩(wěn)態(tài)電壓電流分析”窗口如圖6-

7、3所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：共一百六十二頁圖6-3 “穩(wěn)態(tài)電壓電流(dinli)分析”窗口共一百六十二頁(1) “穩(wěn)態(tài)值”(Steady state value)列表框：顯示模型文件中指定的電壓、電流穩(wěn)態(tài)值。(2) “單位”(Units)下拉框：選擇將顯示的電壓、電流值是“峰值”(Peak)還是“有效值”(RMS)。(3) “頻率”(Frequency)下拉框：選擇將顯示的電壓、電流相量的頻率。該下拉框中列出模型文件中電源的所有頻率。(4) “狀態(tài)”(States)復選框：顯示穩(wěn)態(tài)下電容(dinrng)電壓和電感電流的相量值。默認狀態(tài)為不選。(5) “測量”(Measurements)復選框

8、：顯示穩(wěn)態(tài)下測量模塊測量到的電壓、電流相量值。默認狀態(tài)為選中。共一百六十二頁(6) “電源”(Sources)復選框：顯示穩(wěn)態(tài)下電源的電壓、電流相量值。默認狀態(tài)為不選。(7) “非線性元件”(Nonlinear elements)復選框：顯示穩(wěn)態(tài)下非線性元件的電壓、電流相量值。默認狀態(tài)為不選。(8) “格式”(Format)下拉框：在下拉列表框中選擇要觀測的電壓和電流的格式?！案↑c格式”(floating point)以科學計數(shù)法顯示5位有效數(shù)字；“最優(yōu)格式”(best of)顯示4位有效數(shù)字并且在數(shù)值大于9999時以科學計數(shù)法表示；最后(zuhu)一個格式直接顯示數(shù)值大小，小數(shù)點后保留2位數(shù)

9、字。默認格式為“浮點格式”。(9) “更新穩(wěn)態(tài)值”(Update Steady State Values)按鍵：重新計算并顯示穩(wěn)態(tài)電壓、電流值。共一百六十二頁6.1.3 初始狀態(tài)設置窗口仿真時，常常希望仿真開始時系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，或者仿真開始時系統(tǒng)處于某種初始狀態(tài)，這時，就可以使用“初始狀態(tài)設置”按鍵(n jin)。打開“初始狀態(tài)設置”窗口如圖6-4所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1) “初始狀態(tài)”(Initial state values for simulation)列表框：顯示模型文件中狀態(tài)變量的名稱和初始值。(2) “設置到指定狀態(tài)”(Set selected state)文本框：對“初始狀

10、態(tài)”列表框中選中的狀態(tài)變量進行初始值設置。(3) “設置所有狀態(tài)量”(Reset all States)：選擇從“穩(wěn)態(tài)”(To Steady State)或者“零初始狀態(tài)”(To Zero) 開始仿真。共一百六十二頁(4) “加載狀態(tài)”(Reload States)：選擇從“指定的文件”(From File)中加載初始狀態(tài)或直接以“當前值”(From Diagram)作為(zuwi)初始狀態(tài)開始仿真。共一百六十二頁圖6-4 “初始狀態(tài)設置(shzh)”窗口共一百六十二頁(5) “應用”(Apply)按鍵：用設置好的參數(shù)進行仿真。(6) “返回”(Revert)按鍵：返回到“初始狀態(tài)設置”窗口打

11、開時的原始狀態(tài)。(7) “保存初始狀態(tài)”(Save Initial States)按鍵：將初始狀態(tài)保存到指定的文件中。(8) “格式”(Format)下拉框：選擇觀測的電壓和電流的格式。格式類型見6.1.2節(jié)。默認格式為“浮點格式”。(9) “分類”(Sort values by)下拉框：選擇初始狀態(tài)值的顯示順序?！澳J順序”(Default order)是按模塊在電路中的順序顯示初始值；“狀態(tài)序號”(State number)是按狀態(tài)空間模型中狀態(tài)變量的序號來顯示初始值；“類型”(Type)是按電容(dinrng)和電感來分類顯示初始值。默認格式為“默認順序”。共一百六十二頁6.1.4 潮流

12、計算和電機初始化窗口打開“潮流計算和電機初始化”窗口如圖6-5所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1) “電機潮流分布”(Machines load flow)列表框：顯示“電機”(Machines)列表框中選中電機的潮流分布。(2) “電機”(Machines)列表框：顯示簡化同步電機、同步電機、非同步電機和三相動態(tài)(dngti)負荷模塊的名稱。選中該列表框中的電機或負荷后，才能進行參數(shù)設置。共一百六十二頁圖6-5 潮流計算和電機(dinj)初始化窗口共一百六十二頁(3) “節(jié)點類型”(Bus type)下拉框：選擇節(jié)點類型。對于“PV節(jié)點”(P&V Generator)，可以設置電機的端口電壓和

13、有功功率；對于“PQ節(jié)點”(P&Q Generator)，可以設置電機的有功和無功功率；對于“平衡節(jié)點”(Swing Bus)，可以設置終端電壓UAN的有效值和相角，同時需要對有功功率進行預估。如果選擇了非同步電機模塊，則僅需要輸入電機的機械功率；如果選擇了三相動態(tài)負荷模塊，則需要設置該負荷消耗(xioho)的有功和無功功率。(4) “終端電壓UAB”(Terminal voltage UAB)文本框：對選中電機的輸出線電壓進行設置(單位：V)。共一百六十二頁(5) “有功功率”(Active power)文本框：設置選中的電機或負荷的有功功率(單位：W)。(6) “預估的有功功率”(Acti

14、ve power guess)文本框：如果電機的節(jié)點類型(lixng)為平衡節(jié)點的話，設置迭代起始時刻電機的有功功率。(7) “無功功率”(Reactive power)文本框：設置選中的電機或負荷的無功功率(單位：var)。(8) “電壓UAN的相角”(Phase of UAN voltage)文本框：當電機的節(jié)點類型(lixng)為平衡節(jié)點時，該文本框被激活。指定選中電機a相相電壓的相角。共一百六十二頁(9) “負荷頻率”(Load flow frequency)下拉框：對潮流計算的頻率進行設置，通常為60 Hz或者50 Hz。(10) “負荷潮流初始狀態(tài)”(Load flow initi

15、al condition)下拉框：常常選擇默認設置“自動”(Auto)，使得迭代前系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)負荷潮流初始狀態(tài)。如果選擇“從前一個結果開始” (Start from previous solution)，則負荷潮流的初始值為上次仿真結果。如果改變電路參數(shù)、電機的功率分布和電壓后負荷潮流不收斂(shulin)，就可以選擇這個選項。共一百六十二頁(11) “更新電路和測量結果”(Update Circuit & Measurements)按鍵：更新電機列表，更新電壓相量和電流相量，更新“電機潮流分布”列表框中的功率分布。其中的電機電流是最近一次潮流計算(j sun)的結果。該電流值儲存在電機模塊的

16、“初始狀態(tài)參數(shù)”(Initial conditions)文本框中。(12) “更新潮流分布”(Update Load Flow)按鍵：根據(jù)給定的參數(shù)進行潮流計算(j sun)。共一百六十二頁6.1.5 LTI視窗打開“LTI視窗”窗口如圖6-6所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1) “系統(tǒng)輸入”(System inputs)列表框：列出電路狀態(tài)空間模型中的輸入變量，選擇需要(xyo)用到LTI視窗的輸入變量。(2) “系統(tǒng)輸出”(System outputs)列表框：列出電路狀態(tài)空間模型中的輸出變量，選擇需要(xyo)用到LTI視窗的輸出變量。(3) “打開新的LTI視窗”(Open New LT

17、I Viewer)按鍵：產(chǎn)生狀態(tài)空間模型并打開選中的輸入和輸出變量的LTI視窗。(4) “打開當前LTI視窗”(Open in current LTI Viewer)按鍵：產(chǎn)生狀態(tài)空間模型并將選中的輸入和輸出變量疊加到當前LTI視窗。共一百六十二頁圖6-6 “LTI視窗”窗口(chungku)共一百六十二頁圖6-7 “阻抗依頻特性(txng)測量”窗口6.1.6 阻抗依頻特性(txng)測量窗口打開“阻抗依頻特性測量”窗口如圖6-7所示。共一百六十二頁該窗口中含有以下內(nèi)容： (1) 圖表：窗口左上側的坐標系表示阻抗頻率(pnl)特性，左下側的坐標系表示相角頻率(pnl)特性。(2) “測量模塊

18、”(Measurement)列表框：列出模型文件中的阻抗測量模塊，選擇需要顯示依頻特性的阻抗測量模塊。使用“Ctrl”鍵可選擇多個阻抗顯示在同一個坐標中。(3) “范圍”(Range)文本框：指定頻率(pnl)范圍(單位：Hz)。該文本框中可以輸入任意有效的MATLAB表達式。(4) “對數(shù)阻抗”(Logarithmic Impedance)單選框：坐標系縱坐標的阻抗以對數(shù)值形式表示。共一百六十二頁(5) “線性阻抗”(Linear Impedance)單選框：坐標系縱坐標的阻抗以線性形式表示。(6) “對數(shù)頻率”(Logarithmic Frequency)單選框：坐標系橫坐標的頻率以對數(shù)值

19、形式表示。(7) “線性頻率”(Linear Frequency)單選框：坐標系橫坐標的頻率以線性形式表示。(8) “網(wǎng)格(wn )”(Grid)復選框：選中該復選框，阻抗頻率特性圖和相角頻率特性圖上將出現(xiàn)網(wǎng)格(wn )。默認設置為無網(wǎng)格(wn )。共一百六十二頁(9) “更新后保存數(shù)據(jù)”(Save data when updated)復選框：選中該復選框后，該復選框下面的“工作間變量名” (Workspace variable name)文本框被激活，數(shù)據(jù)以該文本框中顯示的變量名被保存在工作間中。復數(shù)阻抗和對應的頻率保存在一起。其中頻率保存在第1列，阻抗保存在第2列。默認設置為不保存。(10

20、) “顯示/保存”(Display/Save)按鍵：開始阻抗依頻特性測量并顯示結果，如果選擇(xunz)了“更新后保存數(shù)據(jù)”(Save data when updated)復選框，數(shù)據(jù)將保存到指定位置。6.1.7 FFT分析窗口打開“FFT分析”窗口如圖6-8所示。共一百六十二頁圖6-8 “FFT分析(fnx)”窗口共一百六十二頁該窗口中含有以下內(nèi)容：(1) 圖表：窗口左上側的圖形表示被分析信號的波形，窗口左下側的圖形表示該信號的FFT分析結果。(2) “結構”(Structure)下拉框：列出工作間中帶時間的結構變量的名稱。使用下拉菜單選擇要分析的結構變量。這些結構變量名可以由“示波器”(S

21、cope)模塊產(chǎn)生。打開(d ki)示波器模塊參數(shù)對話框，選中“數(shù)據(jù)歷史”(Data history)標簽頁，如圖6-9所示，在“變量名”(Variable name)文本框中輸入該結構變量的名稱，在“存儲格式”(Format)下拉框中選擇“帶時間的結構變量”(Structure with time)。共一百六十二頁圖6-9 由“示波器”模塊(m kui)產(chǎn)生結構變量共一百六十二頁這些結構變量名也可以由“到工作間”(To Workspace)模塊產(chǎn)生(chnshng)，如圖6-10所示。打開該模塊的對話窗口，并在“變量名”(Variable name)文本框中輸入該結構變量的名稱，“存儲格式”

22、(Save format)為“結構變量”(Structure)。共一百六十二頁圖6-10 由“到工作間”模塊產(chǎn)生(chnshng)結構變量(a) “到工作間”模塊圖標；(b) “到工作間”模塊參數(shù)對話框共一百六十二頁(3) “輸入變量”(Input)下拉框：列出被選中的結構變量中包含的輸入變量名稱，選擇需要分析的輸入變量。(4) “信號路數(shù)”(Signal number)下拉框：列出被選中的輸入變量中包含的各路信號的名稱。例如，若要把a、b、 c三相電壓繪制在同一個坐標中，可以通過把這三個電壓信號同時送入示波器的一個通道來實現(xiàn)，這個通道就對應一個輸入變量，該變量含有3路信號，分別為a相、b相和

23、c相電壓。(5) “開始(kish)時間”(Start time)文本框：指定FFT分析的起始時間。(6) “周期個數(shù)”(Number of cycles)文本框：指定需要進行FFT分析的波形的周期數(shù)。共一百六十二頁(7) “顯示FFT窗/顯示完整信號”(Display FFT window/Display entire signal)下拉框：選擇“顯示完整信號”(Display entire signal)，將在左上側插圖(cht)中顯示完整的波形；選擇“顯示FFT窗”(Display FFT window)將在左上側插圖(cht)中顯示指定時間段內(nèi)的波形。(8) “基頻”(Fundamen

24、tal frequency)文本框：指定FFT分析的基頻(單位：Hz)。(9) “最大頻率”(Max Frequency)文本框：指定FFT分析的最大頻率(單位：Hz)。(10) “頻率軸”(Frequency axis)下拉框：在下拉框中選擇“赫茲”(Hertz)使頻譜的頻率軸單位為Hz，選擇“諧波次數(shù)” (Harmonic order)使頻譜的頻率軸單位為基頻的整數(shù)次倍數(shù)。共一百六十二頁(11) “顯示類型”(Display style)下拉框：頻譜的顯示類型可以是“以基頻或直流分量為基準的柱狀圖”(Bar(relative to Fund. or DC)、“以基頻或直流分量為基準的列表”

25、(list (relative to Fund. or DC)、“指定基準值下的柱狀圖”(Bar (relative to specified base)、“指定基準值下的列表”(List (relative to specified base)四種類型。(12) “基準值”(Base value)文本框：當“顯示類型”下拉框中選擇(xunz)“指定基準值下的柱狀圖”或“指定基準值下的列表”時，該文本框被激活，輸入諧波分析的基準值。(13) “顯示”(Display)按鍵：顯示FFT分析結果。共一百六十二頁6.1.8 報表生成窗口打開“報表生成”窗口如圖6-11所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1

26、) “報表中包含的內(nèi)容”(Items to include in the report)：包括“穩(wěn)態(tài)”(Steady state)復選框、“初始狀態(tài)”(Initial states)復選框和“電機負荷潮流”(Machine load flow)復選框，這三個復選框可以任意(rny)組合。(2) “報表中的頻率”(Frequency to include in the report)下拉框：選擇報表中包含的頻率?？梢允?0 Hz或者全部，默認為60 Hz。共一百六十二頁(3) “單位”(Units)下拉框：選擇以“峰值”(Peak)還是“有效值”(Units)顯示數(shù)據(jù)。(4) “格式”(Form

27、at)下拉框：與6.1.2節(jié)相關內(nèi)容相同。(5) “報表生成(shn chn)”(Create Report)按鍵：生成(shn chn)報表并保存。共一百六十二頁圖6-11 “報表(bobio)生成”窗口共一百六十二頁6.1.9 磁滯特性設計工具窗口打開“磁滯特性設計工具”窗口如圖6-12所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1) “磁滯曲線”(Hysteresis curve for file)圖表：顯示設計的磁滯曲線。(2) “分段”(Segments)下拉框：將磁滯曲線做分段線性化處理(chl)，并設置磁滯回路第1象限和第4象限內(nèi)曲線的分段數(shù)目。左側曲線和右側曲線關于原點對稱。(3) “剩余磁

28、通”(Remanent flux Fr)文本框：設置零電流對應的剩磁。(4) “飽和磁通”(Saturation flux Fs)文本框：設置飽和磁通。共一百六十二頁圖6-12 “磁滯(c zh)特性設計工具”窗口共一百六十二頁(5) “飽和電流”(Saturation current Is)文本框：設置(shzh)飽和磁通對應的電流。(6) “矯頑電流”(Coercive current Ic)文本框：設置(shzh)零磁通對應的電流。(7) “矯頑電流處的斜率”(dF/dI at coercive current)文本框：指定矯頑電流點的斜率。(8) “飽和區(qū)域電流”(Saturation

29、 region currents)文本框：設置(shzh)磁飽和后磁化曲線上各點所對應的電流值，僅需設置(shzh)第1象限值。注意該電流向量的長度必須和“飽和區(qū)域磁通”的向量長度相同。共一百六十二頁(9) “飽和區(qū)域磁通”(Saturation region fluxes)文本框：設置磁飽和后磁化曲線上各點所對應的磁通值，僅需要設置第1象限值。注意該向量的長度必須(bx)和“飽和區(qū)域電流”的向量長度相同。(10) “變壓器額定參數(shù)”(Transfo Nominal Parameters)文本框：指定額定功率(單位：VA)、一次繞組的額定電壓值(單位：V)和額定頻率(單位：Hz)。(11) “

30、參數(shù)單位”(Parameter units)下拉框：將磁滯特性曲線中電流和磁通的單位由國際單位制(SI)轉換到標幺制(p.u.)或者由標幺制轉換到國際單位制。共一百六十二頁(12) “放大磁滯區(qū)域”(Zoom around hysteresis)復選框：選中該復選框，可以對磁滯曲線進行放大顯示。默認設置為“可放大顯示”。6.1.10 計算RLC線路參數(shù)窗口(chungku)打開“計算RLC線路參數(shù)”窗口如圖6-13所示。該窗口可分為三個子窗口，左上窗口輸入常用參數(shù)(單位、頻率、大地電阻和文件注釋)，右上窗口輸入線路的幾何結構，下方窗口輸入導線的特性。共一百六十二頁圖6-13 “計算RLC線路參

31、數(shù)(cnsh)”窗口共一百六十二頁1. 常用(chn yn)參數(shù)子窗口(1) “單位”(Units)下拉框：在下拉菜單中，選擇以“米制”(metric)為單位時，以厘米作為導線直徑、幾何平均半徑GMR和分裂導線直徑的單位，以米作為導線間距離的單位；選擇以“英制”(english)為單位時，以英寸作為導線直徑、幾何平均半徑GMR和分裂導線直徑的單位，以英尺作為導線間距離的單位。(2) “頻率”(Frequency)文本框：指定RLC參數(shù)所用的頻率(單位：Hz)。(3) “大地電阻”(Ground resistivity)文本框：指定大地電阻(單位：m)。輸入0表示大地為理想導體。共一百六十二頁(

32、4) “注釋”(Comments)多行文本框：輸入關于電壓等級、導線類型和特性等的注釋。該注釋將與線路(xinl)參數(shù)一同被保存。2. 線路幾何結構子窗口(1) “導線相數(shù)”(Number of phase conductors(bundle)文本框：設置線路的相數(shù)。(2) “地線數(shù)目”(Number of ground wires(bundle)文本框：設置大地導線的數(shù)目。(3) 導線結構參數(shù)表：輸入導線的“相序”(Phase number)、“水平擋距”(X)、“垂直擋距”(Y tower)、“擋距中央的高度”(Y min)、“導線的類型”(Conductor(bundle)type)共五

33、個參數(shù)。共一百六十二頁3. 導線(doxin)特性子窗口(1) “導線類型的個數(shù)”(Number of conductor types or bundle types)文本框：設置需要用到導線類型(單導線或分裂導線)的數(shù)量。假如需要用到架空導線和接地導線，該文本框中就要填“2”。(2) “導線內(nèi)電感計算方法”(Conductor internal inductance evaluated from)下拉框：選擇用“直徑/厚度”(T/D ratio)、“幾何平均半徑”(Geometric Mean Radius(GMR)或者“1英尺(米)間距的電抗”(Reactance Xa at 1-foot

34、 spacing)進行內(nèi)電感計算。(3) “考慮導線集膚效應”(Include conductor skin effect)復選框：選中該復選框后，在計算導線交流電阻和電感時將考慮集膚效應的影響。若未選中，電阻和電感均為常數(shù)。共一百六十二頁(4) 導線特性(txng)參數(shù)表：輸入導線“外徑”(Conductor Outside diameter)、“T/D”(Conductor T/D ratio)、“GMR” (Conductor GMR)、“直流電阻”(Conductor DC resistance)、“相對磁導率”(Conductor relative permeability)、“分裂

35、導線中的子導線數(shù)目”(Number of conductors per bundle)、“分裂導線的直徑”(Bundle diameter)、“分裂導線中1號子導線與水平面的夾角”(Angle of conductor 1)共八個參數(shù)。(5) “計算RLC參數(shù)”(compute RLC parameters)按鍵：點擊該按鍵后，將彈出RLC參數(shù)的計算結果窗口。共一百六十二頁(6) “保存”(Save)按鍵：點擊該按鍵后，線路參數(shù)以及相關的GUI信息將以后綴名.mat被保存。(7) “加載”(Load)按鍵：點擊該按鍵后，將彈出窗口，選擇(xunz)“典型線路參數(shù)”(Typical line d

36、ata)或“用戶定義的線路參數(shù)” (User defined line data)將線路參數(shù)信息加載到當前窗口。共一百六十二頁6.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真6.2.1 連續(xù)系統(tǒng)仿真以例4.4為例，說明Powergui模塊在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真分析中的應用?！纠?.1】計算例4.4的潮流分布，并利用Powergui模塊實現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。解：例4.4看似一個極簡單的電路，可是它的潮流分析卻不簡單。已知電源側的電壓幅值、相角和額定電壓下的負荷(fh)大小，這意味著在求出負荷(fh)側電壓前，負荷(fh)未知，因此按潮流計算的理論進行分析，這種電路必須經(jīng)過一些假設，并反復迭代計算，直到逼近真實解。但是，利

37、用Powergui模塊卻很簡單。共一百六十二頁圖6-14 例6.1的系統(tǒng)(xtng)仿真圖(1) 重新布置(bzh)系統(tǒng)仿真圖，如圖6-14所示。相對例4.4，本例添加了新的模塊，新增模塊的名稱及提取路徑如表6-2所示。共一百六十二頁表6-2 例6.1新增模塊的名稱及提取(tq)路徑(2) Powergui仿真。打開Powergui模塊窗口，選中“連續(xù)系統(tǒng)仿真”(Continuous)單選框后，點擊“穩(wěn)態(tài)電壓電流(dinli)分析”按鍵，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電壓電流(dinli)分析窗口，如圖6-15所示。共一百六十二頁圖6-15 例6.1的穩(wěn)態(tài)電壓電流分析(fnx)窗口共一百六十二頁圖中，狀態(tài)變量用電流

38、和電壓的符號加上電感或電容的模塊名表示，例如“I1_110Mvar”表示110Mvar負荷上的電流大小，“Uc_input：Pi Line”表示PI形線路左側并聯(lián)電容器上的電壓大小，“Uc_output：Pi Line”表示PI形線路右側并聯(lián)電容器上的電壓大小，“I1_section _1：Pi Line”表示第一段PI形線路串聯(lián)電感上的電流大小。電壓源上電壓的名稱與系統(tǒng)電壓源名稱一致，如“Vs”表示電壓源Vs上的電壓大小。測量(cling)模塊測得的電壓值用測量(cling)模塊的名稱表示，如“V1”表示電壓表模塊V1測得的電壓大小(電源側電壓)，“V2”表示電壓表模塊V2測得的電壓大小，“

39、I2”表示電流表模塊I2測得的電流大小。共一百六十二頁由圖6-15可見，PI形電路(dinl)左側的電壓相量為244.88 0.19 kV，PI形電路(dinl)右側的電壓相量為166.413.66kV，PI形電路(dinl)上的電流為529.21.0886.12 A，負荷側電流為610.1786.15 A。因此，負荷大小為(6-1) 共一百六十二頁圖6-16所示為直接通過測量模塊得到的PI形電路兩側電壓和實際負荷大小。圖中波形從上到下依次為PI形電路左側電壓、PI形電路右側電壓、負荷側有功功率、負荷側無功功率。該結果與Powergui所得結論一致。利用測量模塊還可以得到電源側電流的大小，這樣

40、就可以很容易求到線路各處的功率分布、功率損耗(snho)和電壓損耗(snho)了。讀者可以動手試一試，并和電力系統(tǒng)分析課程中潮流計算的相關內(nèi)容進行比較。仿真時，特別是在對含電機的電路或者節(jié)點較多的電力系統(tǒng)，往往希望仿真開始時系統(tǒng)處于某種指定的初始狀態(tài)。下例將說明對系統(tǒng)初始狀態(tài)的設置方法。共一百六十二頁圖6-16 例6.1的仿真(fn zhn)波形圖共一百六十二頁【例6.2】改變例6.1的初始狀態(tài)，使仿真開始時，電路處于零初始狀態(tài)。解：打開Powergui模塊窗口，點擊(din j)“初始狀態(tài)設置”按鍵，出現(xiàn)初始狀態(tài)設置窗口，如圖6-17所示。點擊(din j)按鍵“to zero”將全部狀態(tài)變

41、量的初始值設為0，回到模型文件主窗口，重新開始仿真，得到仿真波形如圖6-18所示。共一百六十二頁圖6-17 例6.2的初始狀態(tài)設置(shzh)窗口共一百六十二頁圖6-18 例6.2的仿真(fn zhn)波形圖共一百六十二頁由仿真波形圖可見，當仿真從零初始狀態(tài)開始時，線路兩側的電壓在仿真初期不是理想正弦波。簡單地說，就是合閘引起了一個暫態(tài)過程。從“波”的角度來講，就是合閘后在線路上引起了“波”過程，“波”在阻抗不連續(xù)點(線路兩端)不斷進行折射(zhsh)和反射，形成了圖6-18所示的波形。如果系統(tǒng)中存在電機模塊，電機模塊的初始狀態(tài)需要通過“潮流計算和電機初始化”按鍵進行設置。共一百六十二頁【例6

42、.3】利用Powergui模塊設置例4.2同步發(fā)電機的初始狀態(tài)。解：例4.2中直接在同步發(fā)電機參數(shù)對話框中輸入了初始狀態(tài)，這些初始狀態(tài)實際上是由Powergui模塊自動產(chǎn)生的。首先(shuxin)在同步發(fā)電機參數(shù)對話窗口(見圖6-19)的初始狀態(tài)文本框中輸入初始狀態(tài)0 0 0 0 0 0 0 0 1，確認后關閉該對話框。共一百六十二頁圖6-19 例6.3的同步(tngb)發(fā)電機參數(shù)對話窗口共一百六十二頁點擊“潮流(choli)計算和電機初始化”按鍵，進入潮流(choli)計算和電機初始化設置窗口，如圖6-20所示。該窗口中只顯示了一個電機模塊，名為SM_p.u.，選中該模塊，并點擊“更新潮流(

43、choli)分布”按鍵，更新負荷潮流(choli)，窗口左側將顯示更新后的負荷潮流(choli)分布情況?，F(xiàn)在重新打開同步發(fā)電機參數(shù)對話窗口(見圖6-21)，可以看到，初始狀態(tài)已經(jīng)自動更新了。同步發(fā)電機的初始狀態(tài)設置好后，剩下的仿真工作就可交給讀者了。共一百六十二頁圖6-20 例6.3的潮流(choli)計算和電機初始化設置窗口共一百六十二頁圖6-21 更新后的同步發(fā)電機參數(shù)(cnsh)對話窗口共一百六十二頁6.2.2 離散系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真通常采用變步長積分算法。對小系統(tǒng)而言，變步長算法通常比定步長算法快，但是對含大量狀態(tài)變量或非線性模塊(如電力(dinl)電子開關)的系統(tǒng)而言，采用定步長

44、離散算法的優(yōu)越性更為明顯。對系統(tǒng)進行離散化時，仿真的步長決定了仿真的精確度。步長太大可能導致仿真精度不足，步長太小又可能大大增加仿真運行時間。判斷步長是否合適的唯一方法就是用不同的步長試探并找到最大時間步長。對于50 Hz或60 Hz的系統(tǒng)，或者帶有整流電力(dinl)電子設備的系統(tǒng)，通常2050 s的時間步長都能得到較好的仿真結果。共一百六十二頁對于含強迫換流電力電子開關器件的系統(tǒng)，由于這些器件通常都運行在高頻下，因此需要適當?shù)販p小時間步長。例如，對運行在8 kHz左右的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器的仿真，需要的時間步長為1 s?！纠?.4】將例4.4中的PI形電路的段數(shù)改為10，對系統(tǒng)進行離散

45、化仿真并比較離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)的仿真結果。解： (1) 重新(chngxn)布置系統(tǒng)仿真圖，如圖6-22所示。共一百六十二頁圖6-22 例6-4的系統(tǒng)(xtng)仿真圖共一百六十二頁(2) 參數(shù)設置。雙擊例4-4模型文件中PI形電路模塊，打開參數(shù)對話框，將分段數(shù)改為10，如圖6-23所示。打開Powergui模塊，選擇“離散系統(tǒng)仿真”單選框，設置采樣(ci yn)時間為25e-6 s，如圖6-24所示。仿真時該系統(tǒng)將以25 s的采樣(ci yn)率進行離散化。共一百六十二頁圖6-23 例6-4的PI形電路(dinl)參數(shù)對話窗 共一百六十二頁圖6-24 例6-4的Powergui模塊參數(shù)(cn

46、sh)對話窗 共一百六十二頁圖6-25 例6-4的仿真(fn zhn)參數(shù)設置對話窗由于系統(tǒng)離散化了，因此(ync)在該系統(tǒng)中無連續(xù)的狀態(tài)變量，所以不需要采用變步長的積分算法進行仿真。打開菜單SimulationConfiguration parameters對話框，按圖6-25設置仿真參數(shù)，選擇“定步長”(Fixed-step)和“離散”(discrete(no continuous states)選項并設置步長為25 s。共一百六十二頁圖6-26 例6-4的仿真(fn zhn)運行時間(3) 仿真運行時間比較。為了得到仿真運行時間，在MATLAB命令窗口(chungku)輸入如下命令：ti

47、c; sim(gcs); toc仿真結束后，仿真所用的時間將以秒為單位顯示在MATLAB命令窗口(chungku)中，如圖6-26所示。共一百六十二頁可見，離散化系統(tǒng)后，仿真運行時間為0.188 s。將離散系統(tǒng)的采樣(ci yn)時間設為0并回到連續(xù)系統(tǒng)的仿真狀態(tài)，仿真算法改為連續(xù)積分算法ode23tb，可以得到連續(xù)系統(tǒng)仿真需要的運行時間為0.219 s。因此，離散積分算法比連續(xù)積分算法更快。(4) 仿真精度比較。為了比較兩種方法的精確度，執(zhí)行以下三種仿真： 連續(xù)系統(tǒng)仿真，Ts=0 s； 離散系統(tǒng)仿真，Ts=25 s； 離散系統(tǒng)仿真，Ts=50 s。共一百六十二頁如圖6-27所示，雙擊并打開V

48、2示波器模塊，選擇“參數(shù)”(Parameters)項，在打開的窗口中選擇“數(shù)據(jù)歷史(lsh)”(Data history)，去掉“僅保留最新的數(shù)據(jù)點”(Limit data points to last)復選框，這樣可以觀察到整個仿真過程中的波形變化。選中“將數(shù)據(jù)保存到工作空間”(Save data points to workspace)復選框，將變量名指定為V2，格式為“列”(Array)。共一百六十二頁圖6-27 例6-4示波器V2的參數(shù)設置(a) 波形；(b) 參數(shù)(cnsh)標簽頁 共一百六十二頁開始連續(xù)系統(tǒng)仿真，仿真結束時間選為0.02 s。仿真結束后，在MATLAB命令窗口中輸入

49、命令：V2C=V2;這樣，電壓V2被保存在變量V2C中。重新(chngxn)開始仿真，將系統(tǒng)離散化，設置仿真步長Ts=25 s，注意仿真參數(shù)中的步長設置也要改為25 s，仿真結束時間為0.02 s。仿真結束后，將電壓V2保存在變量V2d25中。再次仿真，設置仿真步長為Ts=50 s。仿真結束后，將電壓V2保存在變量V2d50中。共一百六十二頁在MATLAB命令窗口中輸入(shr)如下語句，可畫出三種情況下的電壓波形，如圖6-28所示。plot(V2C(:,1),V2C(:,2),V2d25(:,1),V2d25(:,2), V2d50(:,1),V2d50(:,2)共一百六十二頁圖6-28 三

50、種(sn zhn)仿真方法波形比較共一百六十二頁使用圖形窗口中的放大功能，將目標集中到0.0045 s附近觀察三種仿真的差別。如圖6-29所示，25 s下的仿真結果與50 s的仿真結果一致，連續(xù)系統(tǒng)的仿真結果除了步長不同，結果也相同。可見，本例中，選擇50 s的步長不但可以提高計算速度而且(r qi)不影響仿真的精確度。共一百六十二頁圖6-29 放大后三種(sn zhn)仿真波形比較共一百六十二頁6.2.3 相量法仿真相量是代表特定頻率下的正弦電壓和電流的復數(shù)，可以用直角坐標或者極坐標表示。相量法是電力系統(tǒng)正弦穩(wěn)態(tài)分析的主要手段。它只關心系統(tǒng)中電壓電流的相角和幅值，不需要求解(qi ji)電力

51、系統(tǒng)狀態(tài)方程，不需要特殊的算法，因此計算速度快得多。必須清楚的是，相量法給出的解是在特定頻率下的解?！纠?.5】用相量法分析例6.4。解：(1) 參數(shù)設置。打開Powergui模塊，選擇“相量法分析”單選框，并在“頻率”對話框中將頻率改為50 Hz。關閉Powergui模塊，模型文件主窗口中的Powergui模塊圖標顯示為“相量法”(Phasors)分析，如圖6-30所示。共一百六十二頁圖6-30 例6.5的Powergui模塊(m kui)相量法分析圖標共一百六十二頁圖6-31 例6.5的電壓(diny)測量模塊V1打開電壓測量模塊V1，選擇(xunz)“幅值相角”(Magnitude-An

52、gle)模式，如圖6-31所示。電壓測量模塊V2也選擇(xunz)幅值相角模式。共一百六十二頁(2) 仿真。開始仿真，得到輸電線路(xinl)送端V1和受端V2的電壓幅值和相角，如圖6-32所示。可見，V1側電壓幅值為1 p.u.，相角為0.19；V2側電壓幅值為0.67 p.u.，相角為3.66。這和圖6-16穩(wěn)態(tài)分析的結論一致。共一百六十二頁圖6-32 例6.5的仿真(fn zhn)結果(a) V1；(b) V2共一百六十二頁 6.3 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真SIMULINK的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真過程通過機械開關設備，如“斷路器”(circuit breakers)模塊或者電力電子設備的開斷實現(xiàn)。

53、6.3.1 斷路器模塊SimPowerSystems庫提供的斷路器模塊可以對開關的投切進行仿真。斷路器合閘后等效于電阻值為Ron的電阻元件。Ron是很小的值，相對外電路可以忽略。斷路器斷開時等效于無窮大電阻，熄弧過程通過電流過零時斷開斷路器完成。開關的投切操作可以受外部或內(nèi)部信號(xnho)的控制。共一百六十二頁外部控制方式時，斷路器模塊上出現(xiàn)一個輸入端口，輸入的控制信號必須為0或者1，其中0表示切斷，1表示投合；內(nèi)部控制方式時，切斷時間由模塊對話框中的參數(shù)指定。如果斷路器初始設置為1(投合)，SimPowerSystems庫自動將線性電路中的所有狀態(tài)變量和斷路器模塊的電流進行初始化設置，這樣

54、仿真開始時電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。斷路器模塊包含Rs-Cs緩沖電路。如果斷路器模塊和純電感電路、電流源和空載電路串聯(lián)(chunlin)，則必須使用緩沖電路。共一百六十二頁圖6-33 單相(dn xin)斷路器模塊圖標帶有斷路器模塊的系統(tǒng)進行仿真時需要采用剛性積分算法，如ode23tb、odel5s，這樣可以加快仿真速度(sd)。1. 單相斷路器模塊外部控制方式、帶緩沖電路和不帶緩沖電路的單相斷路器模塊圖標如圖6-33所示。共一百六十二頁雙擊斷路器模塊，彈出該模塊的參數(shù)對話框如圖6-34。該對話框中含有如下參數(shù)：(1) “斷路器電阻”(Breaker resistance Ron)文本框：斷路器投合時

55、的內(nèi)部電阻(單位：)。斷路器電阻不能為0。(2) “初始狀態(tài)”(Initial state)文本框：斷路器初始狀態(tài)。斷路器為合閘狀態(tài)，輸入1，對應的圖標顯示投合狀態(tài)；輸入0，表示斷路器為斷開狀態(tài)。(3) “緩沖(hunchng)電阻”(Snubber resistance Rs)文本框：并聯(lián)緩沖(hunchng)電路中的電阻值(單位：)。緩沖(hunchng)電阻值設為inf時，將取消緩沖(hunchng)電阻。 共一百六十二頁圖6-34 單相斷路器模塊(m kui)參數(shù)對話框共一百六十二頁(4) “緩沖電容”(Snubber capacitance Cs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電容值(單位

56、：F)。緩沖電容值設為0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值設為inf時，緩沖電路為純電阻性電路。(5) “開關動作時間”(Switching times)文本框：采用內(nèi)部控制方式時，輸入一個(y )時間向量以控制開關動作時間。從開關初始狀態(tài)開始，斷路器在每個時間點動作一次。例如，初始狀態(tài)為0，在時間向量的第一個(y )時間點，開關投合，第二個時間點，開關打開。如果選中外部控制方式，該文本框不可見。共一百六十二頁(6) “外部控制”(External control of switching times)復選框：選中該復選框，斷路器模塊上將出現(xiàn)一個外部控制信號輸入端。開關時間由外部邏輯信號(0或1)

57、控制。(7) “測量參數(shù)”(Measurements)下拉框：對以下變量進行測量。 “無”(None)：不測量任何參數(shù)。 “斷路器電壓”(Branch voltages)：測量斷路器電壓。 “斷路器電流”(Branch currents)：測量斷路器電流，如果斷路器帶有緩沖電路(dinl)，測量的電流僅為流過斷路器器件的電流。共一百六十二頁圖6-35 三相(sn xin)斷路器模塊圖標 “所有變量”(Branch voltages and currents)：測量斷路器電壓和電流。選中的測量變量需要通過萬用表模塊(m kui)進行觀測。 2. 三相斷路器模塊外部控制方式、帶緩沖電路和不帶緩沖電

58、路的三相斷路器模塊圖標如圖6-35所示。共一百六十二頁雙擊三相斷路器模塊，彈出該模塊的參數(shù)對話框如圖6-36所示。該對話框中含有以下參數(shù)：(1) “斷路器初始狀態(tài)”(Initial status of breakers)下拉框：斷路器三相的初始狀態(tài)相同，選擇初始狀態(tài)后，圖標會顯示相應的切斷或者投合狀態(tài)。(2) “A相開關”(Switching of phase A)復選框：選中該復選框后表示(biosh)允許A相斷路器動作，否則A相斷路器將保持初始狀態(tài)。(3) “B相開關”(Switching of phase B)復選框：選中該復選框后表示(biosh)允許B相斷路器動作，否則B相斷路器將保

59、持初始狀態(tài)。共一百六十二頁圖6-36 三相斷路器模塊(m kui)參數(shù)對話框 共一百六十二頁(4) “C相開關”(Switching of phase C)復選框：選中該復選框后表示允許C相斷路器動作，否則C相斷路器將保持初始狀態(tài)。(5) “切換時間 (Transition times)文本框：采用內(nèi)部控制方式時，輸入一個時間向量以控制開關動作時間。如果選中外部控制方式，該文本框不可見。(6) “外部控制”(External control of switching times)復選框：選中該復選框，斷路器模塊上將(shngjing)出現(xiàn)一個外部控制信號輸入口。開關時間由外部邏輯信號(0或1)

60、控制。(7) “斷路器電阻”(Breaker resistance Ron)文本框：斷路器投合時內(nèi)部電阻(單位：W)。斷路器電阻不能為0。共一百六十二頁(8) “緩沖電阻”(Snubber resistance Rp)文本框：并聯(lián)的緩沖電路(dinl)中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設為inf時，將取消緩沖電阻。 (9) “緩沖電容”(Snubber capacitance Cp)文本框：并聯(lián)的緩沖電路(dinl)中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設為0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值設為inf時，緩沖電路(dinl)為純電阻性電路(dinl)。(10)“測量參數(shù)”(Measurements)下