MATLAB电力系统工具箱介绍与应用
廖恩荣
【摘 要】The power system blockset of MATLAB is a powerful tool for the simulation in the power system.In this program,it is very easy to establish a model of the system,and the calculated result is accurate.At the same time,it has a friendly interface and the wonderful extending ability.This paper describes the use of this program and puts the emphasis on some details and the points which should be given the attention to.%MATLAB电力系统工具箱是一个功能强大的电力系统仿真计算辅助工具,建模过程简单、计算精确、界面友好而且可扩展性强.本文介绍了该工具箱的基本使用方法,着重就一些细节问题及注意事项进行了阐述.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2013(042)003
【总页数】4页(P184-187)
【关键词】电力系统工具箱;建模;仿真
【作 者】廖恩荣
【作者单位】南京高精传动设备制造集团有限公司,江苏南京210012
【正文语种】中 文
【中图分类】TM73
0 概述
电力系统工具箱是MATLAB众多工具箱中的一个，最早出现于MATLAB5.3中。由于其操作简单、功能强大，一问世便受到电力系统科研工作者的青睐。该工具箱使用simulink环境，以MATLAB为计算引擎，几乎囊括了电力系统绝大部分典型设备的模型，加之具备可与其他工具集（如simulink、control system toolbox等）配合使用的特点，使得原本复杂、费时的电力系统建模、仿真工作变得前所未有的简单、快捷。
本文以介绍该工具箱的使用方法为目的，首先介绍其基本使用方法，继而总结了若干条使
用细节问题以及注意事项，然后进一步地解释工具箱后台运行过程的大致框架，以供加深理解之用。本文在最后以一个实际系统为例展示了该工具箱的使用方法，供读者比照。
1 基本使用方法
使用电力系统工具箱进行分析、计算的第一步是建立模型。首先，需要打开模型窗口。我们既可以在命令窗口的File菜单中选新建模型（New/model）又可以在打开的simulink library browser中点击工具栏的新建（New）钮。该窗口中的模型将形成后缀为.mdl的文件。
在实际系统中，网络由元件及联络线组成。相应的，在模型窗口中，网络模型由现成的元件模块相互连接而成。这些元件模块是由程序开发者依据电力系统实际元件的数学模型构造、封装而成，外观一目了然，参数可由使用者自行调整。它们集中在电力系统工具集（power system blockset library）中，打开它有两种方法:在命令窗口的工具栏中点击simulink library browser，出现该窗口后右键点击power system blocket或在命令窗口中直接键入powerlib命令。powerlib窗口以图标形式表示各子工具集，点击各图标将进入到相应的子工具集中，此时列出的小图标即是元件模型（附加工具集除外）。
Simulink环境下建立模型的过程是组合连接的过程。根据实际问题从工具集中选择适当的元件模块，按住鼠标左键拖拽到模型窗口中，打开各元件的参数窗口设置好参数，最后将各元件模块正确连接就可完成简单的建模工作。
模型建立好后便可进入仿真步骤。此时，先要依据实际需要设置仿真时间、所用算法、数据输入输出方式等等。待一切检查无误后，点击simulation/start键便开始仿真计算，仿真进程可在屏幕下方的状态栏中观察。仿真结果既可以在scope中直接以图形方式显示，也可以用数组形式或结构数形式输出到工作空间（workspace）中，同理，数据也可以从工作区间以数组、结构数的形式载入。
另外，构造仿真系统模型、设置模型参数还可以用专用命令编写程序的方法来实现。应用起来虽不如上面介绍的方法那样简单、直观，却有其优势:可以灵活的控制程序的流程，并且参数可以动态的修改等，具体方法可查阅资料［1］。
2 工具集元件介绍
电力系统子工具集分别是:电源集（electrical sources）、元件集（elements）、电力电子
工具集（power electronics）、电机集（machines）、节点集（connectors）、测量工具集（measurements）、附加工具集（powerlib extras），另外还有powergui图标和演示程序目录（demo）。表1，表2分别列出了电力系统工具集所有元件模块的详细内容。
表1 电力系统工具集子工具集名称 元件模块名称 子工具集名称 元件模块名称电源集AC电压源AC电流源受控电流源受控电压源直流电压源断路器分布参数传输线电力电子工具集二极管GTO理想开关MOSFET晶闸管晶闸管详细模型异步电动机元件集线性变压器互感并联RLC支路并联RLC负载传输线Π型模型可饱和变压器串联RLC支路串联RLC负载浪涌限制器电机集 节点集 测量工具集水轮发电机原动机及控制器永磁同步电动机同步电机简化模型同步电动机母线接地点中性点电流量表电压量表
表2 电力系统附加工具箱附加工具集名称 元件模块名称测量工具集傅利叶分析器均方根测量器功率测量器三相工具集三相线性变压器可饱和三相变压器带中性点的电感源三相串联RLC支路三相并联RLC支路三相阻抗三相传输线Π型等值电路三相串联RLC负载三相并联RLC负载六波二极管换流桥六波晶闸管换流桥控制工具集 时间发生器六脉波同步信号发生器扩展电机集 直流电动机
tool工具箱3 细节问题
电力系统工具箱的使用原理虽然很简单，但要真正用好它、用活它则还需要注意一些细节问题并进一步掌握一些优化方法。以下是在使用中总结的一些经验，供大家参考:
1）当断路器串联入电路时，如果有断开的状态，应在其上并联一个大电阻，否则将在仿真时出错。
2）电力系统工具箱中有两种RLC阻抗模型:支路模型和负荷模型。之所以有这样的区分是为了符合电力系统的习惯，即在描述负荷时通常以其吸收的有功功率、无功功率为量化基础。而支路模型则是典型的RLC阻抗模型，以电阻值、电感值、电容值为参数。事实上，如果已知负荷模型的电阻值、电感和电容值，依然可以用支路模型来表示。
3）电力系统中的数据习惯使用标幺值。在电力系统工具箱中，所有数据均是以有名值形式输入和计算的。要想使输出的数据为标幺值，可以在输出端之前加入一个增益模块（gain），并将其增益值设为从有名值向标幺值换算的系数，从而使输出结果在数值上与标幺值相同。
4）电力系统工具箱的使用者可以将powerGUI加入模型中，它是电力系统工具箱的用户图形界面，是函数power2sys的可视化工具。其中machine load flow项只有在模型中包含电机模型（machines）时方可以使用。
5）暂时不用的输出端不能悬空，而应选用simulink中的terminator元件与之相连。
6）仿真结果的输出方式是一个很关键的问题，将直接影响结果分析的进行。最直观的方法是从scope中观察，但这样并不精确，且不利于进一步的分析计算。另一种方法是将结果输出到工作空间中，从而可以利用MATLAB强大的分析计算功能实现仿真结果分析。在菜单命令simulation的parameters中有工作空间I/O卡（workspace I/O），正确设置save to workspace各项，便可以将指定端口的结果输出到状态空间中，并且可以选择矩阵、包含时间数据的结构、一般结构三种输出格式。需要注意的是，这样的输出方法的前提是模型中包含有output模块。对于各scope纪录的数据，可以在其观察窗口中properties的data history卡中指定保存到工作空间（save data to workspace）。另外，在simulink集中有一个模块可以实现将输出结果保存到工作空间中，即to workspace模块，该模块可以将其输入端的数据输出到工作空间中去。特别的是，无论用户是否要求，simulink会自动将时间数组保存到工作空间中去，变量名为tout。