MATLAB/SIMULINK在《電氣工程基礎》教學中的應用

敖章洪 李建英 楊民生

(湖南文理學院電氣與信息工程學院，湖南 常德 415000)

1 引言

我院于2010年開設了“建筑電氣與智能化”專業，該專業一門重要的專業基礎課[1]是《電氣工程基礎》。該課程涉及電力系統各種知識，概念多，公式多，計算量大，理論性很強，學生學習起來較難掌握，學習積極性難以提高，學習效果很差。并且由于條件限制，我院欠缺很多大型實驗設備，這也給教學活動的順利實施帶來一定影響，因此對《電氣工程基礎》這門課進行教學改革迫在眉睫，這也符合我校目前應用型轉型發展的要求。

MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，集數值計算、符號計算和圖形可視化三大基本功能于一體，在工科中應用非常廣。Simulink是MATLAB的一個交互式動態系統建模、仿真和分析的工具，具有模塊化、可重載、可封裝、面向結構圖編程及可視化等特點[2]，廣泛應用于線性、非線性、離散、連續及多變量系統的仿真和分析[3]。針對我院實際情況，利用MATLAB/Simulink軟件在《電氣工程基礎》這門課程上運用仿真手段進行輔助教學，便于教學活動的開展，有利于學生的學習。

2 MATLAB在潮流計算中的應用[4-9]

電力系統潮流計算是電力系統分析中的一種最基本的計算，是對復雜電力系統正常和故障條件下穩態運行狀態的計算。《電氣工程基礎》中有關潮流計算方面的內容計算量很大，教學活動不好開展，給學生學習帶來很大困難。通過MATLAB可方便快捷地得到所需結果，便于學生理解。以牛頓-拉夫遜潮流計算為例，其計算流程如圖1所示。

圖1 牛頓-拉夫遜潮流計算流程圖

以熊信銀主編《電氣工程基礎》（第二版）第151頁例題6-5開式電力網為例說明MATLAB在潮流計算中的應用。開式電網如圖2所示，線路額定電壓為110kV，如電力網首端電壓為118kV，試求運行中全電網的功率和電壓分布。各點負荷 為等值電路圖如圖3所示。

圖2 開式電力網

圖3 開式電力網等值電路

MATLAB版本選用R2012a，在MATLAB中輸入各項已知數據，設定誤差精度后運行，經過四次迭代后滿足系統要求，求出的節點電壓為，功 率 為，可以看出結果與近似法接近，利用MATLAB可以節省大量的計算，更容易激發學生的積極性。

3 Simulink在短路計算中的應用[10-12]

電力系統中短路是指一切不正常的相與相之間或相與地之間發生通路的情況，電力系統中短路故障是出現最多、情況最為嚴重的一種，對短路故障進行分析是《電氣工程基礎》這門課程的重點內容之一。短路分析過程復雜，計算公式多，當電力系統較復雜時計算量很大，耗費時間長，通過Simulink進行短路分析可簡化計算，直觀性強。

這里以變壓器空載三相短路為例說明Simulink的應用，供電系統如圖4所示，相關參數為發電機G1：50MVA、110kV，保持恒定，Y連接；線路L為100km；變壓器T為Yn/d接法，S N=10MVA，U k%=10.5，k=110/11。

圖4 供電系統圖

在MATLAB版本為R2012a情況下利用Simulink對上述系統進行建模，進入SimPowerSystems工具箱，打開Electrical Sources庫，選用Three-Phase Souce模塊建立發電機模型，修改Phase-to-Phase rms voltage參數為110e3，Frequency為50，3-phase short-circuit level at base voltage為 50e6，Base voltage為11e3；選用Measurements庫下的Three-Phase V-I Measurement模塊對母線電壓和電流進行測量，參數默認；選用Elements庫下的Distributed Parameters Line模塊建立線路模型，修改Frequency used for rlc specification為50，其他參數默認；選用Elements庫下的Three-Phase Transformer（Two Windings）建立變壓器模型，Configuration選項卡下修改Winding 2 connection為Delta（D1），Parameters選項卡下修改Nom inal power and frequency為[10e6,50]，Winding 1 parameters電壓改為11e4，Winding 2 Parameters電壓改為11e3，其他參數默認，選用Elements庫下的Three-Phase Fault模塊，修改Parameters選項，勾選A，B，C三相，Transition times為[0.020.04]，其他采用默認值；最后連接各模塊，并加入powergui模塊，修改仿真結束時間為0.1秒，仿真算法為ode15s，仿真模型如圖5所示。

圖5 三相短路仿真模型

仿真波形如圖6所示：

圖6 仿真結果

從圖中可以看出，短路瞬間母線電壓基本上沒有變化，在0.02s發生短路時電流在短路瞬間有很大提升，0.04s短路結束后電流逐漸平穩，與理論分析結果一致。通過修改Three-Phase Fault模塊參數，還可以得到單相短路、兩相短路的相應波形，這里不再敘述。

4 結語

通過MATLAB/Simulink仿真軟件，可加深學生對《電氣工程基礎》這門課程的理解，掌握這門課程軟件設計過程，并可有效地解決《電氣工程基礎》這門課程實驗設備需求量大、儀器設備單個價值高、實驗過程較危險等問題，也能提高學生的主觀能動性，對學生創新能力和動手能力的培養很有幫助，符合我校目前不斷推進的應用型轉型發展的要求。