第 2 4 卷第 3 期
西安航空技术高等专科学校学报
Journal of Xi’ Aerotechnical College an
MA TL AB 在电力电子和运动
控制系统实验教学中的应用
方清城 ,罗中良 ,官 　 ,王方连 峰
( 广东佛山科学技术学院 自动化系 ,广东 佛山 52800)
摘 　 : 根据电力电子技术和运动控制系统课程的现状 ,提出了一种基于 Matlab 的 Simulink 和 Power System 工具箱 要 来设计电力电子电路和运动控制系统的教学实验 , 并给出了仿真实例 。实践证明 , 利用电力系统工具箱作仿真 , 学 生能较快地理解课程理论 ,学会仿真分析复杂电力电子电路和系统问题的技能 。 关键词 : 电力电子技术 ; 运动控制系统 ;Matlab 仿真 中图分类号 : TM76 　 文献标识码 :A 　 文章编号 :1008 - 9233 ( 2006) 03 - 0017 - 03
电力电子技术和运动控制系统综合了电子电路 、 电机拖 动、 自动控制理论 、 微机原理与应用等多学科知识 , 是综合 性、 实践性和应用性很强的课程 。由于电力电子器件自身的 开关非线性 ,给电路和系统的分析带来一定的困难 , 一般常 用波形分析和分段线性处理的方法来研究电力电子电路 。 现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析了 崭新的方法 ,可以使复杂的电力电子电路 、 系统的分析和设 计变得更加容易和有效 ,也是学习电力电子技术和运动控制 系统的重要手段 。Matlab 仿真软件是实现这一手段的重要 软件 ,用户只要将所需的功能模块从工具箱拖入工作窗口 , 连线及设置参数 ,就很容易构建出所需的模型并对其进行分 析。 Matlab6. 5 版 本 中 的 电 力 系 统 工 具 箱 ( Power System Blockset) 具有强大的功能 , 这给电力电子电路和系统仿真带 来了很多方便 。
件的模型 ,如电阻 、 电容 、 变压器 、 电感和开关等 。 电机模块库 ( Machines) : 交流 、 直流等各种电机模块 。 测量模块库 ( Measurements) : 包括电流 、 电压等测量模 块。 电力电子模块库 ( Power Electronics) : 包括二极管 、 晶闸 管、 GTO 、 MOSFET 、 T 等电力电子器件 。还有多功能桥 , IGB 它可设定成不同电力电子器件的单臂 、 双臂和三臂桥 。 附加模块库 ( Extra library) : 主要有 ① 控制模块子集 : 内 有 6 种驱动模块和信号模块 。 ② 离散测量模块子集 : 了 13 种离散化的测量模块 。 ③ 离散控制模块子集 : 了离散 PI 、 控制器 ,离散 PWM 发生器和二阶滤波器等 15 种离 PID 散化的控制模块 。 ④ 测量模块子集 : 了 8 种测量模块 。 ⑤ 三相模块库子集 : 了 18 种三相元气件模块 。
3　 电路仿真实例
2　 电力系统工具箱简介
电力系统工具箱以 Simulink 为运行环境 , 包括了电路 、 电力电子 、 电机等电气工程学科中常用的元件模型 , 这些元 件模型分布在以下 7 个模块库中 。 电源模块库 ( Electrical Sources) : 包括交流 、 直流及可控 的电压源和电流源 。 连接模块库 ( Connectors) : 包括地线 、 中性点 、 连接点等 。 元件模块库 ( Elements) : 包括各种常用的电器和电路元 收稿日期 :2006 - 02 - 30
以下采用 Matlab 仿真方式来说明通过 “电力电子技术” 和 “运动控制系统” 两门专业课的 2 个传统实验 。和传统的 硬件实验对比 ,此实验方法有很大优越性 。
3. 1 　 三相桥式全控整流电路
Vol 1 2 4 No 1 3
May . 2 0 0 6
三相桥式全控整流电路主电路由三相对称交流电压源 、 晶闸管整流桥 、 C 负载等部分组成 。由于同步脉冲触发器 RL 与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节 , 可看成一个组合 体 ,将同步脉冲触发器归到主电路进行建模 。三相桥式全控 整流电路的仿真模型如图 1 所示 。
3. 1. 1 　 模型参数设置
三相对称交流电压源参数设置 : 三相对称交流电压源的
作者简介 : 方清城 ( 1969 - ) ,男 ,广东省揭阳市人 ,实验师 ,主要从事电力电子技术与运动控制系统的实训教学和研究工作 。
西安航空技术高等专科学校学报
图1　 三相桥式全控整流电路仿真模型 幅值 设 为 220V , 频 率 为 50 Hz , 相 位 分 别 为 0° - 120° 、 、 240° 。 三相晶闸管整流桥参数设置 : 使用默认值 。 RL C 负载参数设置 : R 的值为 5Ω ,L 的值为 0. 01 , C 的 值为 inf 。 同步脉冲触发器设置 : 频率为 50 Hz , 脉冲宽度为 1°选 , 择双脉冲触发方式 。 触发角设定 : 给定 Uct 设置为 60° 。 以上为电阻电感负载情况下的参数设定 。若为纯电阻 负载 ,只需将负载 RL C 参数中的 L 值修改为 0 ,其它参数设 置不变 。
3. 1. 2 　 仿真结果
图2　 电阻电感负载时输出电流 id 　　和输出电压 ud 的仿真波形 　 　　 三相对称交流电压源 、 晶闸管整流桥 、 同步脉冲触发器 的参数设置与三相桥式全控整流电路设置基本相同 。 平波电抗器的参数设置 : R 的值为 0 ,L 的值为 0. 1 H ,C 的值为 inf 。 直流电机的参数设置 : 将励磁电压设置为 220V ,其它为 默认值 。
3. 2. 2 　 控制电路模型的参数设置
当建模和参数设置完成后 ,即可开始进行仿真 。仿真时 间设为 0. 05s ,数值算法采用 ode15 。图 2 为电阻电感负载情 况下的输出电流 id 和输出电压 ud 的仿真波形 。
3. 2 　 转速负反馈单环直流调速系统电路
系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部 分 ,其仿真模型如图 3 所示 。
3. 2. 1 　 主电路模型的参数设置
控制电路由给定信号 、 速度调节器 、 限幅器 、 偏置信号 、 反相器和速度反馈等组成 。其参数设置如下 : 给定信号参数设置 : 设置为 120rad/ s 。 速度调节器参数设置 : 速度调节器采用比例调节器 , 系 数选择为 10 。 限幅器参数设置 : 上 、 下限幅值为 [ 130 ,0 ] 。 偏置信号参数设置 : - 180rad/ s 。
3. 2. 3 　 仿真结果
主电路由三相对称交流电压源 、 晶闸管整流桥 、 平波电 抗器 、 直流电机等组成 。其参数设置如下 :
图 4 为转速 、 电枢电流 、 励磁电流 、 电磁转矩仿真波形 。 可以看出 ,这个结果和实际电机运行的结果相似 , 系统的建 模与仿真是成功的 。
图3　 转速负反馈单环直流调速系统仿真模型
方清城 ,等 :MA TLAB 在电力电子和运动控制系统实验教学中的应用
　　 结果分析 ,采用 Matlab 仿真的方法与传统的硬件实验相 比较 ,其仿真结果的可信度高 , 不受空间 、 时间和物质条件的 限制 ,并且可调动学生的积极性和激发学生的创造灵感 。
4　 结束语
将 Matlab 仿真实验引入 “电力电子技术” “运动控制系 和 统” 教学 ,运用 Matlab/ Simulink 和 Power System 工具箱进行建模和仿真时 , 学生不需自 己编程和推导系统的动态数学模型 , 只需从工具箱的元件库 中复制所需的电气元件 , 按电气系统进行连接 。系统的建模 过程接近实际电路设计过程 ,元件库中的电气元件能较全面 反映实际元件的电气特性 。其仿真图形逼真 、 直观易懂和改 变参数容易 ,既不担心元器件损坏 , 也没有任何危险 , 学生完 全可以在无人指导的情况下 、 在计算机上自行完成电路仿真 实验 。在此基础上 ,再进行适当的真实性实验 ,则会收到理想 的实验效果 。 参　 　 　 考 文 献
[1 ] 　 周渊深 . 交直流调速系统与 MA TLAB 仿真 [ M ] .
中国电力出版社 ,2003. [2 ] 　 王兆安 ,等 . 电力电子技术 [ M ] .
: 机械工业出版社 , 2002. 图4　 转速 、 电枢电流 、 励磁电流 、 电磁转矩仿真波形
[3 ] 　 刘文良 , 等 . MA TLAB 在电力电子技术仿真中的应用 [J ] . 电气自动化 ,2001 ( 3) :53 - 54. [ 责任编辑 、 校对 : 高启明 ]
MATLAB’ Appl ication in Electrical Electronics and s Motion Controll ing System Experimental Teaching
FA N G Qi ng2cheng , L U O Zhong2liang , GU A N Feng , W A N G Fang2lian
( Department of Automation , Guangdong Foshan College of Science and Teachnology , 52800 , Foshan , Guangdong , China)
Abstract : Wit h t he proposal of an appliance t runk based on Matlab ’ Simulink and Power System to design s teaching experiment on elect rical elect ronic circuit and motion cont rolling system in accordance wit h t he current circumstance of elect rical and elect ronic technology and motion cont rolling system , emulating practical cases are given to prove t hat wit h emulating techniques , St udent s could rapidly apprehend curricula t heory and compre2 hend skills on emulated analysis as to t he complicated circuit and systematic problems. Key Words : Elect rical - Elect ronic T Motion Cont rolling S Matlab Emulating
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书籍作者：
于群，曹娜
书籍出版：
机械工业出版社
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MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》是一本针对电气工程及其自动化专业的MATLAB/Simulink仿真入门教材。本书涵盖了电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力系统继电保护、高压直流输电、柔性输电以及风力发电等主干课程。本书各仿真例程都是相关课程的主要知识点，并为读者提供仿真源程序，以帮助读者在学习MATLAB的过程中巩固专业知识，较快地进入电力系统仿真这一领域。
　　《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》共9章，第1章为MATLAB基础知识；第2章为Simulink仿真入门；第3章为电力系统元件模型及模型库介绍；第4章为MATLAB在电力系统潮流计算中的应用实例；第5章为MATLAB在电力系统故障分析中的仿真实例；第6章为。MATLAB在电力系统稳定性分析中的应用实例；第7章为MATLAB在微机继电保护中的应用实例；第8章为MAT[AB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例；第9章为MATLAB在风力发电技术中的应用仿真。
　　《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》可作为高等院校电气工程及其自动化专业的本科、专科教材，也可作为电气工程相关专业研究生、电力系统工程技术人员的参考书。前言
第1章 MAlLAB基础知识
1.1 MATLAB简介
1.1.1 概述
1.1.2 MATLAB安装与运行
1.2 MATLAB工作环境
1.3 MATLAB 7.0的通用命令
1.4 MATLAB的计算基础
1.4.1 MATLAB的预定义变量
1.4.2 常用运算和基本数学函数
1.4.3 数值的输出格式
1.5 基本赋值和运算
1.6 MATLAB程序设计基础
1.7 MATLAB的绘图功能
第2章 Simulink仿真入门
2.1 Simulink基本操作
2.1.1 运行Simulink
2.1.2 Simulink模块库
2.1.3 Simulink模块的操作
2.2 运行仿真及参数设置简介
2.2.1 运行仿真
2.2.2 仿真参数设置简介
2.3 创建模型的基本步骤及仿真算法简介
2.3.1 创建模型的基本步骤
2.3.2 仿真算法简介
2.4 子系统及其封装
2.4.1 创建子系统
2.4.2 封装子系统
第3章 电力系统元件模型及模型库介绍
3.1 同步发电机的数学模型
3.1.1 同步电机电气部分模型
3.1.2 同步发电机机械部分的数学模型
3.1.3 基于电气原理图的同步电机数学模型
3.2 变压器数学模型及基于电气原理图的变压器数学模型
3.2.1 变压器数学模型
3.2.2 基于电气原理图的变压器数学模型
3.3 输电线路模型
3.3.1 输电线路的等效电路
3.3.2 基于电气原理图的输电线路数学模型
3.4 负荷模型
3.4.1 负荷的数学模型
3.4.2 基于电气原理图的负荷模型
3.5 电力图形用户分析界面（Powergui）模块
3.5.1 Powergui模块主窗口介绍
3.5.2 稳态电压电流分析窗口
3.5.3 初始状态设置窗口
3.5.4 潮流计算和电机初始化窗口
3.5.5 LTI视窗
3.5.6 阻抗依频特性测量视窗
3.5.7 FFT分析窗口
3.5.8 报表生成窗口
3.5.9 磁滞特性设计工具窗口
3.5.1 0计算RLC线路参数窗口
第4章 MATLAB在电力系统潮流计算中的应用实例
4.1 MAllPOwER软件在电力系统潮流计算中的应用实例
4.1.1 MATPOWER的安装
4.1.2 MATPOWER的主要技术规则
4.1.3 MATPOWER应用举例
4.2 POWergui在简单电力系统潮流计算中的应用实例.
4.2.1 电力系统元件的模型选择
4.2.2 模型参数的计算及设置
4.2.3 计算结果及比较
第5章 MATLAB在电力系统故障分析中的仿真实例
5.1 无穷大功率电源供电系统三相短路仿真
5.1.1 无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程
5.1.2 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建
5.1.3 仿真结果及分析
5.2 同步发电机突然短路的暂态过程仿真.
5.2.1 同步发电机突然三相短路暂态过程简介
5.2.2 同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算与仿真方法
5.3 小电流接地系统单相故障
5.3.1 小电流接地系统单相故障特点简介
5.3.2 小电流接地系统仿真模型构建
5.3.3 仿真结果及分析
第6章 MATLAB在电力系统稳定性分析中的应用实例
6.1 简单电力系统的暂态稳定性仿真分析
6.1.1 电力系统的暂态稳定性简介
6.1.2 简单电力系统的暂态稳定性计算与仿真
6.2 简单电力系统的静态稳定性仿真分析
6.2.1 电力系统静态稳定性简介
6.2.2 简单电力系统的静态稳定性计算
6.2.3 简单电力系统的静态稳定性仿真
第7章 MATLAB在微机继电保护中的应用实例
7.1 简单数字滤波器的MATLAB辅助设计和分析方法
7.1.1 减法滤波器（差分滤波器）简介
7.1.2 减法滤波器设计分析举例
7.2 微机继电保护算法的MATLAB辅助设计和分析方法.
7.2.1 基于正弦函数模型的微机继电保护算法
7.2.2 全波傅里叶算法
7.3 输电线路距离保护的建模与仿真
7.3.1 方向阻抗继电器的数学模型
7.3.2 方向阻抗继电器的仿真模型
7.3.3 仿真结果
7.4 simulink在变压器微机继电保护中的应用举例
7.4.1 变压器仿真模型构建
7.4.2 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真
7.4.3 变压器保护区内、外故障时比率制动的仿真
7.4.4 变压器绕组内部故障的简单仿真
7.5 输电线路故障行波仿真举例.
7.5.1 行波的基本概念
7.5.2 输电线路故障行波仿真模型的构建
7.5.3 输电线路故障行波的提取
7.5.4 仿真结果
第8章 MATLAB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例
8.1 高压直流输电系统的仿真实例
8.1.1 HVDC系统的基本结构与工作原理
8.1.2 HVDc系统的仿真模型描述
8.1.3 HVDC系统的调节特性
8.1.4 HVDC系统的起停和阶跃响应仿真
8.1.5 HVDc系统直流线路故障仿真
8.1.6 HVDC系统交流侧线路故障仿真
8.2 静止无功补偿器（SVC）的仿真实例
8.2.1 SVC的基本结构与工作原理
8.2.2 Simulink中的SVC模块介绍
8.2.3 SVC系统的仿真模拟
8.3 晶闸管控制串联电容器（TCSC）的仿真实例
8.3.1 TCSC基本原理与数学模型简介
8.3.2 Simulink中的TCSC模块介绍
8.3.3 利用TCSC提高系统输电容量的仿真模拟
8.3.4 TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟
第9章 MATLAB在风力发电技术中的应用仿真
9.1 定速风电机组的仿真实例
9.1.1 定速风电机组的工作原理
9.1.2 定速风电机组的模型仿真
9.2 双馈变速风电机组的仿真实例
9.2.1 基于双馈感应发电机的变速风电机组的工作原理
9.2.2 双馈变速风电机组的模型仿真文档分类：暂未分类 -
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文档介绍：
西南科技大学电气工程及其自动化专业方向设计报告设计名称:基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真姓名: *** 学号:
*** 班级: *** 指导教师: *** 起止日期: - ****大学****学院制 2 方向设计任务书学生班级: **** 学生姓名: *** 学号:******** 设计名称:基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真起止日期:-
指导教师: *** 设计要求:(1)了解电力系统常见故障及诊断技术(2)能对常见的短路故障进行理性分析(3)掌握Matlab电力系统相关元件参数的设置,并完成仿真 3 方向设计学生日志时间设计内容
电力系统故障仿真算例结构图
Matlab仿真图及各部分模块参数设置图
仿真运行结果及分析
根据设计报告模块要求撰写设计报告 4 基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真摘要本次设计介绍了电力系统短路故障分析方法及Matlab/Simulink 的基本特点。通过三相短路的情况对电力系统故障进行分析计算。然后对该种情况,运用Matlab/Simulink 进行电力系统三相短路故障仿真,得出仿真结果。并对Matlab/Simulink 搭建的三相短路电路图所得仿真的结果进行分析,从而得出结论。结果表明运用Matlab 对电力系统故障进行分析与仿真,能够准确直观地考察电力系统故障的动态特性,验证了Matlab 在电力系统仿真中的强大功能。关键词: 电力系统;短路故障分析;M仿真 5 Power system fault analysis and simulation based on Matlab Abstract This
introduces
the basic features of the power system
short-circuit
three-phase short
power system
calculation.
case, the use of
simulation,
simulation
three-phase
Simulink to build simulation results, leading to the conclusion. The results showed that
simulation
accurately
characteristics
Matlab powerful in the power system simulation. Keywords:FMSimulation 6 一、设计目的和意义短路是电力系统的严重故障。一相短路是发生情况最多的,大概占90%。其中三相短路是最严重的情况!所以我选择三相短路的事例来完成这个实验。那什么又叫短路呢?所谓短路, 是指一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地的系统)发生系统通路的情况。电力系统在运行中,相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接(即短路)时流过的电流。其值可远远大于额定电流,并取决于短路点距电源的电气距离。例如,在发电机端发生短路时,流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10~15倍。大容量电力系统中,短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏, 同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。所以我们要尽量避免短路故障,我们这里通过Simulink 仿真实验来认知短路故障的具体情况。二、控制要求电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算,在给定电源电势时,实际就是稳态交流电路的求解。在电力系统短路电流的工程计算中,许多实际问题的解决(如电网设计中的电气设备选择) 并不需要十分精确的结果,于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面,忽略发电机、变压器和输电线路的电阻, 不计输电线路的电容,略去变压器的励磁电流(三相三柱式变压器的零序等值电路除外),负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面,在选取各级平均电压做为基准电压时, 忽略各元件(电抗器除外)的额定电压之比,即所有变压器的标么变比都等于1 。此外,有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位,加上所有元件仅用电抗表示,这就避免了复数运算, 把短路电流的计算简化为直流电路的求解。短路计算点是指在正常接线方式时,通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况,应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流,算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点,而是通常选择 2~ 3个分别进行计算,然后将计算结果进行比较。而我们这里通过Simulink 搭建电路模型来仿真三相短路情况时,通过三相短路错误发生器来模拟三相线路短路,仿真之后出现波形图,达 7 到控制的要求。三、设计方案论证短路计算的目的是为了选择导体和电器,并对其进行相关校验。基本假定:短路电流实用计算中,采用以下假设条件和原则: (1)正常工作时,三相系统对称运行; (2)所有电源的电动势相位角相同; (3)系统中的同步和异步电机为理想电机,不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响;转子结构完全对称;定子三相绕组空间相差120 °电气角; (4)电力系统中各原件的磁路不饱和,即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化; (5)电力
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