第5章MATLAB与电力系统仿真(12级)
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Powergui模块图标
通过Powergui模块，可以对系统进行可变 步长连续系统仿真、定步长离散系统仿真 和相量法仿真，并实现以下功能：
(1) 显示测量电压、测量电流和所有 状态变量的稳态值；
(2) 改变仿真初始状态； (3) 进行潮流计算并对包含三相电机 的电路进行初始化设置； (4) 显示阻抗的依频特性图；
(8) Transition status：设置断路器的开关状 态，1表示闭合，0表示断开
(9) Transition times：设置断路器的动作时间， 断路器按照该文本框设置的时间进行切换。 (10) Initial status of fault：设置断路器的初 始状态。采用外部控制方式时，该文本框可 见。
Branch
ห้องสมุดไป่ตู้
分支
3-Phase Series 三 相 串 联 3-Phase Series RLC 三相串联RLC负载
RLC Branch
RLC 分 Load
支
3-Phase Parallel 三 相 并 联 3-Phase Parallel 三相并联RLC负载
RLC Branch
RLC 分 RLC Load
模块名
提取路径
三相电源模块
SimPowerSystems/Electrical
Source
三相电压电流测量模块 V-I M SimPowerSystems/Measurements
三相分布等值线路模块
SimPowerSystems/Elements
三相故障模块 Fault
SimPowerSystems/Elements
Ron A
Ron
Rg
B
Ron C
外部控制方式和内部控制方式下的三相故障模 块图标如图所示。
(a) 外部控制方式
(b) 内部控制方式
三相故障模块图标
三相故障模块Fault 参数设置
在该对话框中含有以下参数：
(1) Phase A Fault：选中该复选框后表示允许A 相断路器动作，否则A相断路器将保持初始 状态
万用表模块 Multimeter
SimPowerSystems/Measurements
三相序分量分析模块
SimPowerSystems/Extra
Library/Measurements
三相交流电压源参数设置
三相分布等值线路元件参数设置
三相故障模块 三相故障模块是由三个独立的断路器组成的、 能对相—相故障和相—地故障进行模拟的模块。 该模块的等效电路如图所示。
（4）受控电压源元件（Controlled Voltage Source） MATLAB软件提供的受控电压源是由激励信 号源控制的，激励源可以是交流激励源也可 以是直流激励源。
（5）受控电流源元件（Controlled Current Source）
(6）三相电源元件（3-Phase Source） 三相电源元件是电力系统设计中最常见的电路 元件，也是最重要的元件，其运行特性对电力 系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源 元件提供了带有串联RL支路的三相电源。
相电力传输线
3-Phase Dynamic
三 相 动 力 Surge Arrester 过载控制器 负载
Load
3-Phase Mutual 三 相 互 感 Distributed 有分布电容、
Load
线圈
Parameters 电感的多相分
Line
布电力传输线
3-Phase PI Section
三 相 电 力 3-Phase 传输线 Breaker
(5) Ground Fault：选中该复选框后表示允许 接地故障。 (6) Ground resistance Rg：接地故障时的大 地电阻。 (7) External control of fault timing：选中该 复选框，三相故障模块上将增加一个外部控 制信号输入端。开关时间由外部逻辑信号(0 或1)控制。
(2) Phase B Fault：选中该复选框后表示允许B 相断路器动作，否则B相断路器将保持初始 状态。
(3) Phase C Fault：选中该复选框后表示允许C 相断路器动作，否则C相断路器将保持初始 状态。
(4) Fault resistances Ron：断路器投合时的内 部电阻。故障电阻不能为0。
(5) 显示FFT分析结果； (6) 生成状态-空间模型并打开“线性时不
变系统”(LTI)时域和频域的视窗界面； (7) 生成报表，该报表中包含测量模块、电
源、非线性模块和电路状态变量的稳态
值，并以后缀名.rep保存； (8) 设计饱和变压器模块的磁滞特性。
如何找到powergui模块
powergui模块直接隶 属于powerlib，是一个 相对独立的模块，可 通过三种途径找到：
对称分量法是指任意不对称的三相相量均
可以分解为三组相序不同的对称分量：正
序、负序、零序分量。它们之间的数学关
系如下
FFaa12 Fa0
1 1311
ej120 ej240
1
eejj122400 FFba
1 Fc
已知正序、负序、零序分量时，
FFba Fc
1 ej240
ej120
1 ej120 ej240
2
2
2
在MATLAB中，使用abc坐标系统转换为dq0坐 标系统（abc_to_dq0 Transformation）元件可 以实现这种变换。
abc_to_dq0 Transformation 在Simpowersystems→Extras library
→Discrete Measurements
三相电路开关
Elements库中模块功能列表3
名称
功能说明 名称
功能说明
Breaker
一般电路开 Linear
线性变压器
关
Transformer
Multi-winding 多绕组变压 3-Phase
两绕组三相
Transformer 器
Transformer
变压器
（2 Windings）
3-Phase
5．1．3 Park变换
只是一个坐标变换而已，从abc坐标变换到dq0 坐标，ua,ub,uc,ia,ib,ic,磁链a,磁链b,磁链c这些量 都变换到dq0坐标中
例如，同步电机abc定子三相绕组中的电流分 别表示如下：
ia Im cos
ib Im cos( 120)
ic Im cos( 120)
三绕组三相 Zigzag Phase- 曲折移相变
Transformer 变压器
Shifting
压器
（ 3 Windings ）
Transformer
3-Phase
12端子三相 Saturable
饱和变压器
Transformer 变压器
Transformer
12 Terminals
3）其他元件 在电力系统元件库中还有其他元件： 电力电子元件（Power Electronics）; 电机元件（Machines）; 电路测量仪器（Measurements）; 附加元件（Extra Library）。 这些元件都具有特定的功能
支
Neutral Point
中性点
Connection Port
系统连接端子
Ground
地
3-Phase Fault
三相电路短路故障
模拟
名称
Elements库中模块功能列表2
功能说明 名称
功能说明
Mutual Inductance
互感线圈 Pi Section Line 分布电容、电 感为л型的单
1) 电源元件 电源元件库包括7类元件，分别为： 直流电压源元件（DC Voltage Source）; 交流电压源元件（AC Voltage Source）; 交流电流源元件（AC Current Source）; 受控电压源元件（Controlled Voltage Source）; 受控电流源元件（Controlled Current Source）; 三相电源元件（3-Phase Source）; 三相可编程电压源元件 （3-Phase Programmable Voltage Source）。
111FFFaaa102
MATLAB软件中的电力系统元件库中提供了三相序分 量分析（3-Phase Sequence Analyzer）元件，位于 （SimPowerSystems/Extra Library/Measurements ）
其参数对话框包括3个选项: 基频频率（Fundamental frequency f1）:用来设置三相输入 信号的基频频率；
5.1.2．电力系统元件库简介 在电力系统元件库包含了6类库元件，
电源元件（Electrical Sources）; 电器元件（Elements）; 附加元件（Extra Library）; 电机元件（Machines）; 电路测量仪器（Measurements）; 电力电子元件（Power Electronics）; 电力图形用户接口（Powergui）;
（7）三相可编程电压源元件 （3-Phase Programmable Voltage Source） 三相可编程电压源是可以对其进行编程的三相
电压源，它的幅值、相位、频率、谐波均可随时 间进行变化，应用非常灵活。其主要作用是提供 一 个幅值、相位、频率、基频分量进行实时变性 编程的三相电压源；此外，还可以提供两个谐波 分量，作用于基频信号。
Simpowersystems→Extras library
→Discrete Measurements
图5-2 dq0_to_abc模块及模块说明
例：利用park变换模块将三相电压从
abc 坐标系转换为dq0坐标系。
P169.mdl
5 . 2 电力系统时域分析
5．2．1 电力系统不对称运行分析法－ 对称分量法
图5-1 abc_to_dq0模块及模块说明
(2) dq0坐标系统变换为abc坐标系统的变换公式如下：
ia ib ic
cos 2cos(2) 3cos(233)
sin sin( 2)
3
sin( 2)
3
111iiidq0
在MATLAB中，使用dq0坐标系统转换为abc坐标系 统（dq0_to_abc Transformation）元件可以实现这 种变换。 dq0_to_abc Transformation元件在
Park变换后电流的表示方式如下：
i id iq i a i ad i aq i b i bd i bq i c i cd i cq
（1）abc坐标系统变换为dq0坐标系统的变换公式如
下：
iiidq032cs1oins
cos(2)
3
sin(2)
3 1
csoins1((2233))iiibac
（1）直流电压源元件（DC Voltage Source） 直流电压源元件在电力系统中可以用来实现一 个直流的电压源，如操作电源等。MATLAB软件 提供的直流电源为理想的直流电压源。
（2）交流电压源元件（AC Voltage Source） 交流电压源可以用来实现理想的单相正弦交流电 压。
（3）交流电流源元件（AC Current Source） MATLAB软件提供的交流电流源为一理想电流源
三相序分量分析元件参数设置
仿真参数设置：仿真时间0.1S，仿真算法：ode23tb
5.2.2 电力系统时域分析工具Powergui模块
MATLAB软件提供了一个对电力系统和电路进 行分析的用户界面工具（powergui）。
powergui是一个环境模块。任何一个含有 SimPowerSystems模块的模型中必须含有一个。它 储存了电路模型的等效数学模型（状态空间方程）。 没有它，仿真不能启动，会给出一个错误提示。
39782mdl仿真模型为例2单击单击powergui的useltiviewer按钮按钮则出则出现图示对话框现图示对话框左侧为输入量右侧为输出量左侧为输入量右侧为输出量1仿真时间为仿真时间为01秒仿真算法为秒仿真算法为ode45进行仿真进行仿真选择阻抗测量元件的电流作为系统输入量选择阻抗测量元件的电压作为系统输出量单击对话框中opennewltiviewer按钮得到系统阶跃响应曲线如下图阶跃响应n阻抗依频特性测量窗口阻抗依频特性测量窗口如果如果模型文件中含阻抗测量模块该窗口中将显示阻抗依频特性图
谐波次数（Harmonic n）:用来指 定进行相序分量分析的谐波；
序量选择（Sequence）:用来选择 显示的序分量，包括4个选项：正 序分量（Positive）、负序分量 （Negative）零序分量（Zero）、 和所有序分量（Positive Negative Zero）。
例：三相序分量分析模型如图，分析A相接地后，其正序、 负序、零序分量的变化情况
2）支路元件（Elements） 支路元件用来实现各种串并联支路或者负载元 件，它包括12种元件
Elements库中模块功能列表1
名称
功能说明 名称
功能说明
Series
RLC 串 联 RLC Series RLC Load
Branch
分支
串联RLC负载
Parallel RLC 并 联 RLC Parallel RLC Load 并联RLC负载
通过Powergui模块，可以对系统进行可变 步长连续系统仿真、定步长离散系统仿真 和相量法仿真，并实现以下功能：
(1) 显示测量电压、测量电流和所有 状态变量的稳态值；
(2) 改变仿真初始状态； (3) 进行潮流计算并对包含三相电机 的电路进行初始化设置； (4) 显示阻抗的依频特性图；
(8) Transition status：设置断路器的开关状 态，1表示闭合，0表示断开
(9) Transition times：设置断路器的动作时间， 断路器按照该文本框设置的时间进行切换。 (10) Initial status of fault：设置断路器的初 始状态。采用外部控制方式时，该文本框可 见。
Branch
ห้องสมุดไป่ตู้
分支
3-Phase Series 三 相 串 联 3-Phase Series RLC 三相串联RLC负载
RLC Branch
RLC 分 Load
支
3-Phase Parallel 三 相 并 联 3-Phase Parallel 三相并联RLC负载
RLC Branch
RLC 分 RLC Load
模块名
提取路径
三相电源模块
SimPowerSystems/Electrical
Source
三相电压电流测量模块 V-I M SimPowerSystems/Measurements
三相分布等值线路模块
SimPowerSystems/Elements
三相故障模块 Fault
SimPowerSystems/Elements
Ron A
Ron
Rg
B
Ron C
外部控制方式和内部控制方式下的三相故障模 块图标如图所示。
(a) 外部控制方式
(b) 内部控制方式
三相故障模块图标
三相故障模块Fault 参数设置
在该对话框中含有以下参数：
(1) Phase A Fault：选中该复选框后表示允许A 相断路器动作，否则A相断路器将保持初始 状态
万用表模块 Multimeter
SimPowerSystems/Measurements
三相序分量分析模块
SimPowerSystems/Extra
Library/Measurements
三相交流电压源参数设置
三相分布等值线路元件参数设置
三相故障模块 三相故障模块是由三个独立的断路器组成的、 能对相—相故障和相—地故障进行模拟的模块。 该模块的等效电路如图所示。
（4）受控电压源元件（Controlled Voltage Source） MATLAB软件提供的受控电压源是由激励信 号源控制的，激励源可以是交流激励源也可 以是直流激励源。
（5）受控电流源元件（Controlled Current Source）
(6）三相电源元件（3-Phase Source） 三相电源元件是电力系统设计中最常见的电路 元件，也是最重要的元件，其运行特性对电力 系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源 元件提供了带有串联RL支路的三相电源。
相电力传输线
3-Phase Dynamic
三 相 动 力 Surge Arrester 过载控制器 负载
Load
3-Phase Mutual 三 相 互 感 Distributed 有分布电容、
Load
线圈
Parameters 电感的多相分
Line
布电力传输线
3-Phase PI Section
三 相 电 力 3-Phase 传输线 Breaker
(5) Ground Fault：选中该复选框后表示允许 接地故障。 (6) Ground resistance Rg：接地故障时的大 地电阻。 (7) External control of fault timing：选中该 复选框，三相故障模块上将增加一个外部控 制信号输入端。开关时间由外部逻辑信号(0 或1)控制。
(2) Phase B Fault：选中该复选框后表示允许B 相断路器动作，否则B相断路器将保持初始 状态。
(3) Phase C Fault：选中该复选框后表示允许C 相断路器动作，否则C相断路器将保持初始 状态。
(4) Fault resistances Ron：断路器投合时的内 部电阻。故障电阻不能为0。
(5) 显示FFT分析结果； (6) 生成状态-空间模型并打开“线性时不
变系统”(LTI)时域和频域的视窗界面； (7) 生成报表，该报表中包含测量模块、电
源、非线性模块和电路状态变量的稳态
值，并以后缀名.rep保存； (8) 设计饱和变压器模块的磁滞特性。
如何找到powergui模块
powergui模块直接隶 属于powerlib，是一个 相对独立的模块，可 通过三种途径找到：
对称分量法是指任意不对称的三相相量均
可以分解为三组相序不同的对称分量：正
序、负序、零序分量。它们之间的数学关
系如下
FFaa12 Fa0
1 1311
ej120 ej240
1
eejj122400 FFba
1 Fc
已知正序、负序、零序分量时，
FFba Fc
1 ej240
ej120
1 ej120 ej240
2
2
2
在MATLAB中，使用abc坐标系统转换为dq0坐 标系统（abc_to_dq0 Transformation）元件可 以实现这种变换。
abc_to_dq0 Transformation 在Simpowersystems→Extras library
→Discrete Measurements
三相电路开关
Elements库中模块功能列表3
名称
功能说明 名称
功能说明
Breaker
一般电路开 Linear
线性变压器
关
Transformer
Multi-winding 多绕组变压 3-Phase
两绕组三相
Transformer 器
Transformer
变压器
（2 Windings）
3-Phase
5．1．3 Park变换
只是一个坐标变换而已，从abc坐标变换到dq0 坐标，ua,ub,uc,ia,ib,ic,磁链a,磁链b,磁链c这些量 都变换到dq0坐标中
例如，同步电机abc定子三相绕组中的电流分 别表示如下：
ia Im cos
ib Im cos( 120)
ic Im cos( 120)
三绕组三相 Zigzag Phase- 曲折移相变
Transformer 变压器
Shifting
压器
（ 3 Windings ）
Transformer
3-Phase
12端子三相 Saturable
饱和变压器
Transformer 变压器
Transformer
12 Terminals
3）其他元件 在电力系统元件库中还有其他元件： 电力电子元件（Power Electronics）; 电机元件（Machines）; 电路测量仪器（Measurements）; 附加元件（Extra Library）。 这些元件都具有特定的功能
支
Neutral Point
中性点
Connection Port
系统连接端子
Ground
地
3-Phase Fault
三相电路短路故障
模拟
名称
Elements库中模块功能列表2
功能说明 名称
功能说明
Mutual Inductance
互感线圈 Pi Section Line 分布电容、电 感为л型的单
1) 电源元件 电源元件库包括7类元件，分别为： 直流电压源元件（DC Voltage Source）; 交流电压源元件（AC Voltage Source）; 交流电流源元件（AC Current Source）; 受控电压源元件（Controlled Voltage Source）; 受控电流源元件（Controlled Current Source）; 三相电源元件（3-Phase Source）; 三相可编程电压源元件 （3-Phase Programmable Voltage Source）。
111FFFaaa102
MATLAB软件中的电力系统元件库中提供了三相序分 量分析（3-Phase Sequence Analyzer）元件，位于 （SimPowerSystems/Extra Library/Measurements ）
其参数对话框包括3个选项: 基频频率（Fundamental frequency f1）:用来设置三相输入 信号的基频频率；
5.1.2．电力系统元件库简介 在电力系统元件库包含了6类库元件，
电源元件（Electrical Sources）; 电器元件（Elements）; 附加元件（Extra Library）; 电机元件（Machines）; 电路测量仪器（Measurements）; 电力电子元件（Power Electronics）; 电力图形用户接口（Powergui）;
（7）三相可编程电压源元件 （3-Phase Programmable Voltage Source） 三相可编程电压源是可以对其进行编程的三相
电压源，它的幅值、相位、频率、谐波均可随时 间进行变化，应用非常灵活。其主要作用是提供 一 个幅值、相位、频率、基频分量进行实时变性 编程的三相电压源；此外，还可以提供两个谐波 分量，作用于基频信号。
Simpowersystems→Extras library
→Discrete Measurements
图5-2 dq0_to_abc模块及模块说明
例：利用park变换模块将三相电压从
abc 坐标系转换为dq0坐标系。
P169.mdl
5 . 2 电力系统时域分析
5．2．1 电力系统不对称运行分析法－ 对称分量法
图5-1 abc_to_dq0模块及模块说明
(2) dq0坐标系统变换为abc坐标系统的变换公式如下：
ia ib ic
cos 2cos(2) 3cos(233)
sin sin( 2)
3
sin( 2)
3
111iiidq0
在MATLAB中，使用dq0坐标系统转换为abc坐标系 统（dq0_to_abc Transformation）元件可以实现这 种变换。 dq0_to_abc Transformation元件在
Park变换后电流的表示方式如下：
i id iq i a i ad i aq i b i bd i bq i c i cd i cq
（1）abc坐标系统变换为dq0坐标系统的变换公式如
下：
iiidq032cs1oins
cos(2)
3
sin(2)
3 1
csoins1((2233))iiibac
（1）直流电压源元件（DC Voltage Source） 直流电压源元件在电力系统中可以用来实现一 个直流的电压源，如操作电源等。MATLAB软件 提供的直流电源为理想的直流电压源。
（2）交流电压源元件（AC Voltage Source） 交流电压源可以用来实现理想的单相正弦交流电 压。
（3）交流电流源元件（AC Current Source） MATLAB软件提供的交流电流源为一理想电流源
三相序分量分析元件参数设置
仿真参数设置：仿真时间0.1S，仿真算法：ode23tb
5.2.2 电力系统时域分析工具Powergui模块
MATLAB软件提供了一个对电力系统和电路进 行分析的用户界面工具（powergui）。
powergui是一个环境模块。任何一个含有 SimPowerSystems模块的模型中必须含有一个。它 储存了电路模型的等效数学模型（状态空间方程）。 没有它，仿真不能启动，会给出一个错误提示。
39782mdl仿真模型为例2单击单击powergui的useltiviewer按钮按钮则出则出现图示对话框现图示对话框左侧为输入量右侧为输出量左侧为输入量右侧为输出量1仿真时间为仿真时间为01秒仿真算法为秒仿真算法为ode45进行仿真进行仿真选择阻抗测量元件的电流作为系统输入量选择阻抗测量元件的电压作为系统输出量单击对话框中opennewltiviewer按钮得到系统阶跃响应曲线如下图阶跃响应n阻抗依频特性测量窗口阻抗依频特性测量窗口如果如果模型文件中含阻抗测量模块该窗口中将显示阻抗依频特性图
谐波次数（Harmonic n）:用来指 定进行相序分量分析的谐波；
序量选择（Sequence）:用来选择 显示的序分量，包括4个选项：正 序分量（Positive）、负序分量 （Negative）零序分量（Zero）、 和所有序分量（Positive Negative Zero）。
例：三相序分量分析模型如图，分析A相接地后，其正序、 负序、零序分量的变化情况
2）支路元件（Elements） 支路元件用来实现各种串并联支路或者负载元 件，它包括12种元件
Elements库中模块功能列表1
名称
功能说明 名称
功能说明
Series
RLC 串 联 RLC Series RLC Load
Branch
分支
串联RLC负载
Parallel RLC 并 联 RLC Parallel RLC Load 并联RLC负载