Matlab在電力行業的應用

摘要：介紹了Matlab／Simulink的基本特點及應用Matlab進行仿真的基本方法和步驟。通過在電力系統分析中運用的實例和在電力電子器件中運用的實例綜合說明了其在電力行業中的作用。仿真過程中運用了電力系統中常見的簡單的短路模型，以及電力電子技術中的三相全控整流電路。通過分析仿真結果得出：用Matlab進行的仿真與理論分析結果基本一致；用Matlab進行仿真對于節約成本、提高效率有著重要意義，在電力行業中具有很大的應用前景。

關鍵詞：Matlab；Simulink；電力系統；電力電子；仿真

中文分類號：TM743 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228(2011)09-66-03

0 引言

Matlab是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司于1982年出品的商業數學軟件，在概念設計，數據處理，建模仿真，繪圖功能及實時分析等方面有著非常強大的功能。該軟件功能極其豐富，可通過代碼編程，也可通過GUI(圖形用戶界面)進行圖形編程，目前已經被應用于多個行業中。

在電力行業中，為了確保電路設計、電力系統運行和電力電子器件測試的成功，同時又取消代價昂貴的實物實驗，且避免存在潛在危險的設計缺陷，就必須在設計流程中進行周密的計劃與評價。盡管計算機仿真并不能完全代替實物實驗，但電力行業的計算機仿真給出了一個成本低、效率高的方法，能夠在進入更為昂貴、費時的原型開發階段之前，分析計劃可行性，找出問題所在。因此最佳的設計流程需要將仿真與原型開發混合進行。

1 應用Matlab進行電力仿真的基本方法

1.1Simulink工具箱

Matlab中的Simulink工具箱為電力行業多方面的仿真提供了良好的平臺。Simulink提供了一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，用戶無需通過學習代碼進行編程，只需通過學習簡單的圖形編程即可構建出各種復雜的系統進行仿真。Simulink中有一個Power System Blockset(PsB]，提供了各類電力行業中運用的器件，包括RLC支路和負載、變壓器、傳輸線、避雷器、電機、電力電子裝置等。并且在構建電力模型時，還要考慮如光能、熱力等問題，電力行業涉及到多種專業知識。

1.2仿真方法

Matlab對于電力行業的仿真主要可分為以下兩種方法：

(1)代碼編程，即通過編碼編寫程序來實現對電力系統、電力電子中的電路仿真，雖然Matlab中的編程較C語言等其他編程語言來說相對簡易，但對于初學者來說仍然有一定的難度；

(2)圖形編程，該方法建立在Simulink平臺之上，利用其中PSB中的原件模型構建已設計的電路，并且自行設置參數，可用示波器觀察電路的工作情況，從而獲得令人滿意的仿真結果。該方法相對代碼編程來說相對容易，易于掌握。

2 Matlab在電力系統分析中的運用實例

2.1電路設置

本文以三相電力系統中最基本的短路分析為例，使用Matlab對電力系統中常見的三相短路，兩相接地短路，單相接地短路進行波形分析。

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，中性點不接地；使用兩段100kin分布參數輸電線(Distributed Parameters Linel)作為輸電線路，線路2末端中性點接地；使用三相短路故障發生器(Three-Phase Fault)產生各類短路。

各模塊參數設置如下：

三相電壓源：相電壓有效值380V，相相角0°，頻率50Hz。

分布參數輸電線：頻率50Hz，單位長度電阻[0.011650.2676]，單位長度電抗[0.8679e-33.008e-3]，單位長度電容[13.41e-9 8.57e-9]，長度100m。

三相故障短路發生器：故障點電阻0.00112，故障點接地電阻0.001，轉換狀態[10]，轉換時間[0.01 0.05]。

電路模擬圖如圖1所示。

2.2短路電流波形

參數設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，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，得單相接地短路電流波形如圖4所示。

由波形可以看出，當系統發生短路時，短路相的電流迅速增大，當故障排除后，電流逐漸恢復正常，這與理論分析的結果一致。

3 Matlab在電力電子中的應用

3.1三相橋式全控整流電路設計

電力電子，顧名思義，即為應用于電力系統中的電子技術，電力電子器件的電路結構可簡單可復雜，設計過程也可用Matlab進行仿真實驗。本文以三相橋式全控整流電路為例，簡單介紹Matlab在電力電子器件仿真中的應用。

設計的三相橋式全控整流電路通過變壓器與電網連接，經過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數下運行。變流主電路和電網之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網的諧波成分。保護電路采用RC過電壓抑制電路進行過電壓保護，利用快速熔斷器進行過電流保護。

本文利用該電路在刪除和添加濾波環節分別進行模擬，以說明Matlab在電力電子器件測試中的作用。

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

加入濾波環節電路模擬圖如圖5所示。刪除濾波環節的直流側如圖6所示。

3.2負載側波形--

通過六脈波發生器輸入的設置可以改變晶閘管的觸法角，可得到不同的輸出電壓，本文測試了60。觸發角時，在刪除和添加濾波環節這兩種不同情況下的直流側波形。

(1)a＝60°。無濾波環節時直流側電壓波形如圖7所示(2)a=60°，添加濾波環節時直流側電壓波形如圖8所示

通過Matlab仿真可以清楚地看到濾波環節的重要性，同時計算機仿真工作也省去了制作實物電路后再測試電路的繁瑣過程。

4 結束語

利用計算機進行仿真已經逐步應用于各個行業。我們看到，在電力行業使用Matlab進行仿真，為解決復雜問題提供了方便的平臺，Matlab已成為電力行業不可缺少的重要軟件工具。本文探討了使用Matlab在電力系統和電力電子器件中進行仿真，在仿真平臺上搭建有效的電路，并得到了理想的仿真結果。