MATLAB变压器仿真

扬州大学专业软件应用综合设计报告水能学院13级电气专业题目变压器综合仿真设计二学生某某某学号131504207指导教师张建华2015年12月30日目录一、设计题目 (2)二、正文 (2)1、引言 (2)2、设计依据及框图 (3)2.1 设计平台 (3)2.2 设计思想 (4)2.3 设计结构框图或流程图 (6)2.4各模块功能简介 (6)3、软件调试分析 (10)4、结语 (23)5、参考文献 (25)6、致谢 (25).变压器综合仿真设计二摘要：随着变压器技术的进步，传统仿真已经受到了很大的限制。

并且当下要推动变压器技术的发展，已经不能再依靠传统仿真。

因此，对于变压器的计算机仿真技术势在必行。

本为通过MATLAB软件，对变压器的运行特性进行了仿真。

主要仿真的内容包括：变压器磁路电流畸变以及变压器负载运行特性曲线研究。

仿真所用到的方法为数值计算方法，通过插值的方法实现了对曲线的拟合。

仿真时，结合实际情况可输入不同参数便于研究。

文中给出了各种运行特性的仿真结果图，并且结合理论对其做了简单的分析，验证了仿真方法的准确性和可行性。

关键字：变压器；MATLAB仿真分析；曲线拟合1 引言设随着科学技术进步，电工电子新技术的不断发展，新型电气备不断涌现，人们使用电的频率越来越高，人与电的关系也日益紧密，对于电性能和电气产品的了解，已成为人们必需的生活常识。

变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成同频率的另一种电压的交流电能，以满足不同负载的需要。

在电力系统中，变压器是一个重要的电气设备，它对电能的经济传输，灵活分配和安全使用具有重要的作用，此外，也使人们能够方便地解决输电和用电这一矛盾。

由于计算机仿真技术的出现，传统的物理仿真系统逐渐的被计算机仿真系统代替。

计算机仿真系统所具有的效率高、精度高、重复性和通用性好、容易改变仿真参数等优点，还可以实现物理仿真无法实现的有危险性的或者是成本昂贵的仿真。

在我国电力行业发展迅速的今天，变压器的仿真技术不能够再依托于传统的物理仿真系统，而是需要能够采用能够促进变压器技术发展的仿真技术。

对变压器特性的仿真涉及到很多方面，比如变压器空载励磁电流在饱和和磁滞影响时的特性、变压器磁滞回环在不同电压等级下的数据仿真、变压器空载合闸时的过电流现象、变压器在突发短路时的过电流现象，还有基本的比如效率特性、外特性、短路试验、空载试验等。

在学习完本课程后，运用MATLAB相关仿真技术对变压器进行仿真研究，本文的仿真主要以变压器磁路电流畸变以及变压器负载运行特性曲线为主要研究对象，通过结合实际进行曲线拟合、波形分析，得出相应结论。

2 设计依据及框图2.1 设计平台计算机技术的发展使得大量的数据计算变得方便快捷，一些因为需要不断的迭代而数据量庞大的数学算法也可以在实际中得到应用。

不仅将工作者从繁忙的数据计算中解脱出来，而且还可以做到不同精度的计算。

MATLAB软件在数值计算方面独占鳌头，由于其提供了数据视图，文字处理的同一环境而受到欢迎。

MATLAB的中文意思为矩阵实验室，起源于20世纪80年代，由其开创者Cleve Moler 开发。

经过后期的不断完善，MATLAB最终走向正轨，并且由MATH WORKS公司以商品形式发布。

从MATLAB的开创到现今，随着其版本的更替，功能也变得愈加强大。

其核心编写所采用的语言最终也从FORTRAN语言变为了C语言。

MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

其主要功能有：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。

高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。

可用于科学计算和工程绘图。

新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。

同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。

另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。

一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。

领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。

工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。

功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。

学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。

开放性使MATLAB广受用户欢迎。

除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。

现在的MATLAB，已经发生了质的飞跃。

完善的数值计算系统和简单的程序编写环境，使得MATLAB软件不需要太过专业的程序编写技能基础就可以轻松的使用。

MATLAB以矩阵作为运算的基本单位，使得矩阵运算变得方便快捷。

此外，MATLAB 所提供的丰富的函数可以很容易的实现各种数值算法。

MATLAB最为突出的特点就是编程语言的简洁、直观。

而且其对语法要求不是特别严格，不像其他编程语言，比如C语言等。

MATLAB语言程序文件为文本文件，后缀为.m，一般称为M文件。

M文件具有保存和容易修改命令的优点。

MATLAB提供了专门的M文件编辑器。

通过M文件还可以自行的定义具有具体功能的函数，使的程序的编写得到简化。

MATLAB提供的数据可视功能为实现仿真的结果分析提供了方便，通过图像可以很容易的对大量数据的变化实现分析。

2.2 设计思想对变压器特性的仿真涉及到很多方面，比如变压器空载励磁电流在饱和和磁滞影响时的特性、变压器磁滞回环在不同电压等级下的数据仿真、变压器空载合闸时的过电流现象、变压器在突发短路时的过电流现象，还有基本的比如效率特性、外特性、短路试验、空载试验等。

变压器动态特性的分析主要是为计算和分析变压器在空载合闸和突然短路或者是其他故障时出现的暂态过电流和过电压。

在电力系统中，变压器从发电厂到输配电网中都充当着重要的角色。

变压器的运行特性直接影响到电力系统的正常运行，所以对变压器的运行特性进行研究是非常必要的。

电力变压器的保护受到变压器励磁涌流的影响，单相变压器空载合闸产生励磁涌流的大小与变压器合闸角有关，通过对励磁电流特点的研究可以制定出防止励磁涌路引起误动的方法。

随着人们对变压器技术的不断探索，变压器技术已从刚开始的基本感应定律发展到能够对变压器的结构进行合理的设计、在理论上对变压器运行时的各种现象进行详细分析、使变压器的理论模型达到更高的精确程度。

在20世纪80年代末期，国外学者引入了磁化曲线和各频率下的等效激磁并联电导，建立了变压器的频域模型，但是在计算中存在了一定的误差，并且数据参数的获取非常复杂。

另一种方法为引入磁滞回线，建立时域模型，这种方法较为精确，但是在拟合磁化曲线建立较为准确的曲线模型存在着困难。

有的学者通过传统的T型等效电路的励磁支路来实现变压器非线性的特性，但是在仿真中要求对铁芯损耗进行估计，而且采用的计算方法相当的复杂，难以实现。

另外有学者对变压器的非线性特性进行了详细的分析，但是并没有给出具体的模型和仿真结果。

很多的文献中提到了分段磁化曲线的简单模拟方法，但是通过这种方法的仿真结果不够精确，模型的准确程度不够。

后来出现的通过拟合曲线的方法来准确的反应铁芯磁化的非线性。

变压器的Jiles.Atherton模型详细的说明了铁芯的磁化过程，并且通过磁学理论明了铁芯磁滞现象的原理。

在这个基础上学者通过MATLAB软件进行了仿真，仿真所涉到的五个模型参数包括饱和磁化强度、表明滞后磁化曲线形状的参数、可逆磁化系数、磁畴对运动阻碍作用的参数、磁畴间相互作用的参数，通过实验的方法可以获得。

为了能够使计算速度更快，没有采用经典的四阶龙格库塔算法来求解，而是采用了较为简单的欧拉算法。

后来较为常见的描述变压器磁滞回线的方法是将磁滞回线分为了主磁滞环和饱和区，这种描述可已较为精确的考虑到磁滞特性。

通过拟合曲线的方法，将实验数据拟合成为接近实际的磁化曲线。

主磁滞环采用修正的反正切函数加以拟合，饱和区特性将其视为线性可逆，即磁化曲线用直线表示。