摘要：介紹了Matlab／Simulink的基本特點(diǎn)及應(yīng)用Matlab進(jìn)行仿真的基本方法和步驟。通過(guò)在電力系統(tǒng)分析中運(yùn)用的實(shí)例和在電力電子器件中運(yùn)用的實(shí)例綜合說(shuō)明了其在電力行業(yè)中的作用。仿真過(guò)程中運(yùn)用了電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的簡(jiǎn)單的短路模型，以及電力電子技術(shù)中的三相全控整流電路。通過(guò)分析仿真結(jié)果得出：用Matlab進(jìn)行的仿真與理論分析結(jié)果基本一致；用Matlab進(jìn)行仿真對(duì)于節(jié)約成本、提高效率有著重要意義，在電力行業(yè)中具有很大的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Matlab；Simulink；電力系統(tǒng)；電力電子；仿真

中文分類(lèi)號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228(2011)09-66-03

0 引言

Matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司于1982年出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，在概念設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理，建模仿真，繪圖功能及實(shí)時(shí)分析等方面有著非常強(qiáng)大的功能。該軟件功能極其豐富，可通過(guò)代碼編程，也可通過(guò)GUI(圖形用戶(hù)界面)進(jìn)行圖形編程，目前已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)中。

在電力行業(yè)中，為了確保電路設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)運(yùn)行和電力電子器件測(cè)試的成功，同時(shí)又取消代價(jià)昂貴的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，且避免存在潛在危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)缺陷，就必須在設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行周密的計(jì)劃與評(píng)價(jià)。盡管計(jì)算機(jī)仿真并不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)，但電力行業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真給出了一個(gè)成本低、效率高的方法，能夠在進(jìn)入更為昂貴、費(fèi)時(shí)的原型開(kāi)發(fā)階段之前，分析計(jì)劃可行性，找出問(wèn)題所在。因此最佳的設(shè)計(jì)流程需要將仿真與原型開(kāi)發(fā)混合進(jìn)行。

1 應(yīng)用Matlab進(jìn)行電力仿真的基本方法

1.1Simulink工具箱

Matlab中的Simulink工具箱為電力行業(yè)多方面的仿真提供了良好的平臺(tái)。Simulink提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，用戶(hù)無(wú)需通過(guò)學(xué)習(xí)代碼進(jìn)行編程，只需通過(guò)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的圖形編程即可構(gòu)建出各種復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Simulink中有一個(gè)Power System Blockset(PsB]，提供了各類(lèi)電力行業(yè)中運(yùn)用的器件，包括RLC支路和負(fù)載、變壓器、傳輸線(xiàn)、避雷器、電機(jī)、電力電子裝置等。并且在構(gòu)建電力模型時(shí)，還要考慮如光能、熱力等問(wèn)題，電力行業(yè)涉及到多種專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

1.2仿真方法

Matlab對(duì)于電力行業(yè)的仿真主要可分為以下兩種方法：

(1)代碼編程，即通過(guò)編碼編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)、電力電子中的電路仿真，雖然Matlab中的編程較C語(yǔ)言等其他編程語(yǔ)言來(lái)說(shuō)相對(duì)簡(jiǎn)易，但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)仍然有一定的難度；

(2)圖形編程，該方法建立在Simulink平臺(tái)之上，利用其中PSB中的原件模型構(gòu)建已設(shè)計(jì)的電路，并且自行設(shè)置參數(shù)，可用示波器觀(guān)察電路的工作情況，從而獲得令人滿(mǎn)意的仿真結(jié)果。該方法相對(duì)代碼編程來(lái)說(shuō)相對(duì)容易，易于掌握。

2 Matlab在電力系統(tǒng)分析中的運(yùn)用實(shí)例

2.1電路設(shè)置

本文以三相電力系統(tǒng)中最基本的短路分析為例，使用Matlab對(duì)電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的三相短路，兩相接地短路，單相接地短路進(jìn)行波形分析。

本文的模型中選用理想三相電壓源(Three—PhaseSource)作為電源，該電壓源為Y型連接，中性點(diǎn)不接地；使用兩段100kin分布參數(shù)輸電線(xiàn)(Distributed Parameters Linel)作為輸電線(xiàn)路，線(xiàn)路2末端中性點(diǎn)接地；使用三相短路故障發(fā)生器(Three-Phase Fault)產(chǎn)生各類(lèi)短路。

各模塊參數(shù)設(shè)置如下：

三相電壓源：相電壓有效值380V，相相角0°，頻率50Hz。

分布參數(shù)輸電線(xiàn)：頻率50Hz，單位長(zhǎng)度電阻[0.011650.2676]，單位長(zhǎng)度電抗[0.8679e-33.008e-3]，單位長(zhǎng)度電容[13.41e-9 8.57e-9]，長(zhǎng)度100m。

三相故障短路發(fā)生器：故障點(diǎn)電阻0.00112，故障點(diǎn)接地電阻0.001，轉(zhuǎn)換狀態(tài)[10]，轉(zhuǎn)換時(shí)間[0.01 0.05]。

電路模擬圖如圖1所示。

2.2短路電流波形

參數(shù)設(shè)置和電路連接完或后，按仿真按鈕，并雙擊示波器模塊，可得如下波形。

(1)將三相短路故障發(fā)生器中“故障相選擇”的A、B、c三相故障都選中，得三相短路故障電流波形如圖2所示。

(2)將三相短路故障發(fā)生器中“故障相選擇”的A、B兩相故障選中，并選擇故障相接地選項(xiàng)，得兩相接地短路電流波形如圖3所示。(3)將三相短路故障發(fā)生器中“故障相選擇”的A相故障選中，并選擇故障相接地選項(xiàng)，得單相接地短路電流波形如圖4所示。

由波形可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，短路相的電流迅速增大，當(dāng)故障排除后，電流逐漸恢復(fù)正常，這與理論分析的結(jié)果一致。

3 Matlab在電力電子中的應(yīng)用

3.1三相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)

電力電子，顧名思義，即為應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的電子技術(shù)，電力電子器件的電路結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單可復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程也可用Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文以三相橋式全控整流電路為例，簡(jiǎn)單介紹Matlab在電力電子器件仿真中的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路通過(guò)變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過(guò)變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。保護(hù)電路采用RC過(guò)電壓抑制電路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，利用快速熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。

本文利用該電路在刪除和添加濾波環(huán)節(jié)分別進(jìn)行模擬，以說(shuō)明Matlab在電力電子器件測(cè)試中的作用。

選用三個(gè)幅值設(shè)置為537V，頻率為50Hz的交流電壓源，各電壓源之間相差120°；一次側(cè)相電壓658V，二次側(cè)相電壓165V，頻率50Hz的變壓器；負(fù)載為2.2Q；電抗值為50mH的濾波電抗；電容值為200uF的濾波電容；集成的六脈波發(fā)生器；整流橋選用已封裝的Universal Bridge。

加入濾波環(huán)節(jié)電路模擬圖如圖5所示。刪除濾波環(huán)節(jié)的直流側(cè)如圖6所示。

3.2負(fù)載側(cè)波形--

通過(guò)六脈波發(fā)生器輸入的設(shè)置可以改變晶閘管的觸法角，可得到不同的輸出電壓，本文測(cè)試了60。觸發(fā)角時(shí)，在刪除和添加濾波環(huán)節(jié)這兩種不同情況下的直流側(cè)波形。

(1)a＝60°。無(wú)濾波環(huán)節(jié)時(shí)直流側(cè)電壓波形如圖7所示(2)a=60°，添加濾波環(huán)節(jié)時(shí)直流側(cè)電壓波形如圖8所示

通過(guò)Matlab仿真可以清楚地看到濾波環(huán)節(jié)的重要性，同時(shí)計(jì)算機(jī)仿真工作也省去了制作實(shí)物電路后再測(cè)試電路的繁瑣過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真已經(jīng)逐步應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。我們看到，在電力行業(yè)使用Matlab進(jìn)行仿真，為解決復(fù)雜問(wèn)題提供了方便的平臺(tái)，Matlab已成為電力行業(yè)不可缺少的重要軟件工具。本文探討了使用Matlab在電力系統(tǒng)和電力電子器件中進(jìn)行仿真，在仿真平臺(tái)上搭建有效的電路，并得到了理想的仿真結(jié)果。