Matlab/Simulink在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中的應(yīng)用

黨常亮

摘 ?要：為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，在電力系統(tǒng)分析教學(xué)中引入Matlab/Simulink仿真工具，以變壓器運行的建模仿真和用編程實現(xiàn)潮流計算中節(jié)點導(dǎo)納矩陣的形成過程為例，展現(xiàn)了計算機仿真技術(shù)在電氣工程專業(yè)課程教學(xué)中的優(yōu)勢，有助于學(xué)生對理論知識的理解， 豐富了教學(xué)內(nèi)容，有效提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Matlab/Simulink;電力系統(tǒng);計算機仿真

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）12-0102-03

Abstract： In order to stimulate students' learning interests and improve teaching effect， the Matlab/Simulink simulation tool is introduced to the teaching of power system analysis. The modeling and simulating method and the programming process of bus admittance matrix in power flow solution are taken as examples. The advantages of the computer simulation technology in teaching of electrical engineering are shown in this paper， which is helpful to students' understanding of theory knowledge， enriching the teaching contents and improving the teaching quality effectively.

Keywords： Matlab/Simulink; power system; computer simulation

《電力系統(tǒng)分析》是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程之一，是電力系統(tǒng)方向的專業(yè)主干課程，對培養(yǎng)學(xué)生運用電力系統(tǒng)基本理論解決工程實際問題的能力起著非常重要的作用。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生建立起電力系統(tǒng)的基本概念，掌握電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)計算，電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的功率分布和潮流計算方法，以及電力系統(tǒng)電壓和頻率調(diào)整的意義及方法[1]。由于該課程理論性強，和數(shù)學(xué)的聯(lián)系十分緊密，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會感到難度較大，不易掌握，往往重視習(xí)題的求解計算，而忽視對系統(tǒng)整體的把握，從而影響學(xué)習(xí)效果[2]。本文提出在板書授課的基礎(chǔ)上引入Matlab/Simulink仿真工具，把傳統(tǒng)授課方式和現(xiàn)代計算機輔助教學(xué)相結(jié)合，增強理論學(xué)習(xí)的形象性;同時結(jié)合“電力系統(tǒng)分析”課程中變壓器運行狀況的分析和電力系統(tǒng)潮流計算的相關(guān)內(nèi)容，以Matlab/Simulink仿真實例具體說明該軟件在教學(xué)中的應(yīng)用過程，展示計算機輔助教學(xué)的生動性和靈活性，體現(xiàn)現(xiàn)代仿真技術(shù)在電氣工程專業(yè)課程教學(xué)中的優(yōu)勢。

一、Matlab/Simulink中電力系統(tǒng)模塊介紹

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，能夠提供動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，由于其具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)清晰、高效靈活等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于控制、通信、電力等學(xué)科的建模和仿真中。其中集成的電力系統(tǒng)仿真工具箱（SimPowerSystems），功能十分強大，可用于電機、電力電子，供配電及繼電保護等領(lǐng)域的分析。元件模塊組（Elements）包含了線性變壓器（Linear Transformer）、飽和變壓器（Saturable Transformer）、三相變壓器（Three-Phase Transformer）、分布參數(shù)線路（Distributed Parameters Line）、三相串聯(lián)RLC負荷（3-Phase Series RLC Load）等基本模塊，只要將仿真系統(tǒng)中需要的元件拖拽到合適的位置，通過線路連接起來之后就可以方便地建立電力系統(tǒng)仿真模型[3]。

二、220/38.5/11kV變壓器運行狀況的分析

變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，是高壓輸電和功率分配必不可少的電力元件，對變壓器運行狀況的分析是后續(xù)的潮流計算和電壓調(diào)整的基礎(chǔ)。以Simulink電力系統(tǒng)仿真工具箱（SimPowerSystems）中線性變壓器（Linear Transformer）為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)模型，通過仿真對變壓器空載和負載運行情況下的特性進行分析。仿真模型如圖1所示。

該模型所使用的主要元件和系統(tǒng)參數(shù)如下：

電源選取Electrical Sources 模塊中的AC Voltage Source;變壓器選取Elements模塊中的Linear Transformer，繞組數(shù)量為三繞組;負荷選取Elements模塊中的Series RLC Load。各元件具體參數(shù)設(shè)置如表1所示（電阻R和電抗L均為標幺值）。

在Powergui菜單欄選擇連續(xù)仿真模式（Continuous），打開工具欄中的仿真參數(shù)設(shè)置窗口（Simulation Parameters），將相對誤差（Relative tolerance）設(shè)置為1e-3，仿真起始時間為0s，結(jié)束時間為10.0 s，算法（Solver options）選為ode15s。點擊運行開始仿真，結(jié)果如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，仿真開始運行時，變壓器一次、二次、三次繞組輸出電壓相位相同，電壓大小分別為220kV，38.5kV和11kV，表明變壓器處在正常運行狀態(tài)。圖2（b）表示三次繞組帶負荷時的輸出電壓和電流的情況，可見其波形和大小與理論計算結(jié)果一致。

在教學(xué)過程中，以教材中關(guān)于變壓器的基本內(nèi)容、工作原理為基礎(chǔ)，結(jié)合利用Matlab進行建模仿真的結(jié)果，給學(xué)生分析講解變壓器分別進行空載和負載運行時的電壓電流波形圖。整個教學(xué)過程原理清晰，知識層次鮮明、結(jié)果清晰直觀，學(xué)生掌握情況較為理想。

三、電力系統(tǒng)潮流計算——節(jié)點導(dǎo)納矩陣的形成

潮流計算是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的主要內(nèi)容，是指在給定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲、元件參數(shù)和負荷參量條件下，計算有功功率、無功功率以及電壓在電力網(wǎng)絡(luò)中的分布情況。由于節(jié)點導(dǎo)納矩陣具有稀疏性和對稱性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于潮流計算中，以其作為電力網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型[4]。

以如圖3所示的簡單電力網(wǎng)絡(luò)為例，設(shè)計Matlab環(huán)境下節(jié)點導(dǎo)納矩陣的形成程序。圖中不接地支路標明的是阻抗標幺值，接地支路標明的是導(dǎo)納標幺值。

clear;clc%對節(jié)點編號，其中1-4號節(jié)點均為PQ節(jié)點，5號節(jié)點為平衡節(jié)點

y=0;

%根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)特點，求各支路導(dǎo)納，以6代表大地

y（1，2）=1/（0.02i）;y（1，3）=0;y（1，4）=0;y（1，5）=0;

y（2，3）=1/（0.5i）;y（2，4）=0;y（2，5）=0;y（2，6）=0.3i;

y（3，4）=1/（0.25i）;y（3，50=1/（0.2i）;y（3，6）=0.3;

y（4，5）=1/（0.125i）;

%利用對稱性

for i=1：5

for j=1：5

y（j，i）=y（i，j）;

end

end

Y=0;

%求互導(dǎo)納

for i=1：5

for j=1：5

if i～=j

Y（i，j）=-y（i，j）;

end

end

end

%求自導(dǎo)納

for i=1：5

Y（i，i）=sum（y（i，：））;

end

G=real（Y）;

B=imag（Y）;

上述程序調(diào)試完成后運行，得到的節(jié)點導(dǎo)納矩陣Y如圖4所示。

在實際教學(xué)中，在對節(jié)點導(dǎo)納矩陣的原理進行講述的基礎(chǔ)上，可以采用啟發(fā)式或案例式的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自行構(gòu)建節(jié)點導(dǎo)納矩陣形成過程的程序流程圖，以流程圖為基礎(chǔ)編寫程序并進行調(diào)試。同時，可以讓學(xué)生以小組為單位完成相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容并以小組展示和答辯的方式對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行反饋。教師根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)作出相應(yīng)的考核評價。

四、結(jié)束語

通過以上的分析和舉例說明可以看到，在電力系統(tǒng)分析課程中引入Matlab/Simulink對變壓器運行、潮流計算等重要內(nèi)容進行仿真分析，將傳統(tǒng)教學(xué)方法和計算機輔助教學(xué)手段有機地結(jié)合起來，充分發(fā)揮計算機仿真的形象性和直觀性等優(yōu)點，使學(xué)生在對理論知識加深理解的同時，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強自己動手的意愿，進一步培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]張靠社，張欣偉，寧聯(lián)輝，等.《電力系統(tǒng)分析》課程的教學(xué)改革和實踐[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2008，20（2）：126-128.

[3]徐敏.MATLAB在《電力系統(tǒng)分析》教學(xué)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010，22（3）：151-155.

[4]吳天明.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.