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机械制造 廖恩荣 MA T L A B电力系统工具箱介绍与应用 MAT L A B电力系统工具箱 介绍 与应用 廖恩荣 ( 南京高精传动设备制造集团有限公司 。 江苏 南京 2 1 0 0 1 2 ) 摘要 ： MA T L A B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。 关键词 ： 电力 系统 工具 箱； 建模 ； 仿真 中图分类号： T M7 3 文献标志码： B 文章编号： 1 6 7 1 5 2 7 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 1 8 4 0 4 I nt r o du c t i o n a nd Ap pl i c a t i o n o f M ATLAB Po we r Sy s t e m Bl o c k s e t L I AO En ron g ( N a n j in g H i g h A c c u r a t e D r iv e E q u ip me n t Ma n u f a c t u r i n g Gr o u p CO ， L T D ，N a n j i n g 2 1 0 0 1 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ：Th e p o wer s y s t e m b l o c k s e t of MATL AB i s a p owe rfu l t o ol f or t h e simu la t ion i n t h e p o wer s y s t em I n t h is p r og r am，it is v er y e as y t o e s t a bli s h a mo d el o f t h e s ys t e m ，a n d t h e c a l c u l a t e d r e s u l t is a c c ur a t eAt t h e s ame t i me，it h a s a f r ie nd ly i n t erf a c e a n d t h e wo nd e rfu l e x t e n din g a bil it y Th i s p ap e r d e s c r i b es t h e u s e o f t h is p r o gr am an d p u t s t he emp h as is on s ome de t a i ls a n d t h e p oin t s whic h s ho u l d b e giv e n t h e a t t en t i o n t o ke y wo r ds：p o we r s y s t em b l o c k s e t ； mod e l i n g； s i mu l a t i o n 0 概述 电力系统工具箱是 M A T L A B众多工具箱中的一个， 最早出现于 M A T L A B 5 - 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 s i mu l i n k环境 ， 以 MA T L A B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 s i mu l i n k 、 c o n t r o l s y s t e m t o o l b o x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 F i l e 菜单 中选 新建 模 型 ( N e w mo d e 1 ) 又可 以在 打开 的 s i m u l i n k l i b r a r y b r o w s e r中点 击 工 具栏 的新 建 ( N e w) 钮 。 该窗口中的模型将形成后缀为 m d 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 ( p o w e r s y s t e m b l o c k s e t l i b r a r y ) 中， 打开它有两种方法 ： 在命令窗口 的工具栏中点击 s i m u l i n k l i b r a r y b r o w s e r， 出现该窗口后右 键点击 p o w e r s y s t e m b l o c k e t 或在命令窗 口中直接键人 p o w e r l i b 命令。p o w e r l i b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 ) 。 S i m u l i n k 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 s i m u l a t i o n s t a r t 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 s c o p e 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( w o r k s p a c e ) 中， 同理， 数据 也可以从工作区间以数组、 结构数的形式载人。 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 。 2 工具集元件 介绍 电力 系 统 子 工 具 集 分 别 是 ： 电 源 集 ( e l e c t r i c a l 作者简介 ： 廖 恩荣( 1 9 6 0 - ) ， 男 ， 江西高安人 ， 高级 工程师 ， 硕士学位 ， 研究方向为机电一体化 。 l 8 4 h t t p ： Z Z H D c h i n a j o u ma 1 n e t c n E ma i l ： Z Z HD c h ain a j o u ma 1 n e t c r t 机械制造与 自动化 机械制造 廖恩荣 M A T L A B电力 系统工具箱介绍与应 用 s o u r c e s ) 、 元件集 ( e l e m e n t s ) 、 电力 电子工 具集 ( p o w e r e l e c - t r o n i c s ) 、 电机集 ( m a c h i n e s ) 、 节点集( c o n n e c t o r s ) 、 测量工 具集( m e a s u r e m e n t s ) 、 附加工具集( p o w e r l i b e x t r a s ) ， 另外 还有 p o w e r g u i 图标和演示程序目录( d e m o ) 。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 l 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 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 三相工具集 控制工具集 扩展 电机集 傅利 叶分析器 均方根测量器 功率测量器 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 R L C支路 三相并 联 R L C支路 三相阻抗 三相传输线 型等值电路 三相串联 R L C负载 三相并联 R L C负载 六波 二极管换流桥 六波晶闸管换 流桥 时间发生器 六脉波 同步信号发生器 直流 电动机 Ma c h i n e B u i l d i n g A u t o m a t i o n ， J “ H 2 0 1 3 ， 4 2 ( 3 ) ： J 一 1 8 7 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 )当断路器串联人电路时， 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 R L C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 R L C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人一个增 益模块( g a i n ) ， 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 p o w e r G U I 加入 模型中， 它是 电力系统工具箱的用户图形界面， 是 函数 p o w e r 2 s y s 的可视化工具。其中 m a c h i n e l o a d fl o w项只有 在模型 中包含 电机模 型( m a c h i n e s ) 时方可以使 用。 5 )暂时不用的输 出端不能悬空， 而应选用 s i m u l i n k 中的 t e r mi n a t o r 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 s c o p e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 MA T L A B强大的分析计算功能实现仿真结果分析。在菜 单命 令 s i m u l a t i o n的 p a r a m e t e r s中有 工 作空 间 I O卡 ( w o r k s p a c e i o) ， 正确设 置 s a v e t o w o r k s p a c e 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 o u t p u t 模块。对于各 s c o p e纪录的数据， 可以在其观察窗 口中 p r o p e r t i e s的 d a t a h i s t o r y卡中指定保存到工作空间( s a v e d a t a t o w o r k s p a c e ) 。另外， 在 s i m u l i n k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 t o w o r k s p a e e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 ， s i m u l i n k会 自动将时间数 组保存到工作空间中去 ， 变量名为 t o u t 。 7 )模块间 的连接 在 s i m u l i n k环境 中十分 方便 ， 只需 要从一个模块的输出端按左键拖动鼠标倒下一个模块的 输入端即可。在某些情况下， 我们可以利用连线来反映信 息。对于向量， 选择菜单命令中的 f o rma t w i d e v e c t o r l i n e 。 即可将传输向量的连线变成粗线。对于不同的数据类型， 选择菜单命令 f o rma t p o r t d a t a t y p e s 即可 自动在 连线上标 出前一个模块输 出的数据类型 。 8 )封装子系统是模型优化的重要方法之一。可从 1 8 5 机械制造 廖恩荣 MA T L A B电力系统工具箱介绍与应用 s i m u l i n k集 中拷 贝 s u b s y s t e m 模 块 到 模 型 中 ， 打 开 它 ， 在 s u b s y s t e m窗 口里建立 子 系统 ； 也可 以在 已经 建好 的模 型 中 ， 选取需要组合 的模块 用 菜单命 令 e d i t c r e a t s u b s y s t e m 来封装 。值得一提 的是 ， S i mu l i n k有 强大 的子 系统编辑 功 能 ， 可 以由用户 自己来定 做子 系统 的对话 框 ， 以实现说 明 系统功能、 输入参数的功能， 这在菜单命令 e d i t e d i t s u b s y s t e m下可 以实现 。 9 )为了使建好的模型更容易被别人理解， 需要在模 型中加入尽可能详细 的说 明 。除 了在模型 窗 口中以文本 形式输入模型名称之 外 ， 还可 以利用 s u b s y s t e m模块 来构 造一个信息窗 口。依 照 s i m u l i n k的 习惯 ， 以“ ? ” 作 为其 图 标 ， 以 m o r e i n f o 作为其模型名称 ， 在窗 口中输入该 模型 的 详细描述 。 1 0 )MA T L A B的 m文件灵 活而 功能强大 。按 照 固定 格式编写 的 m文 件也 可 以实 现成模 块 ， 参与 到仿 真计算 中去， 这样一来， 用户便有了更大的 自由度从事创造性的 J 二 作。将 s i m u l i n k集 的 s f u n c t i o n模 块 拷 贝 到模 型 窗 口 中 ， 在其对话框 中填入 m文件的文件名即可 。 以上介 绍的这些 要点仅仅 是 电力 系统仿真 计算 中常 见问题 的一 小部分 ， s i m u l i n k的强 大功能是 非一 言两 语道 得清、 说得明的， 需要使用者在实践 中不断摸索、 体会。 MA T L A B自带的说明也 非常 详细 ， 提 别是 F P D格式 的说 明书包罗万象 ， 值得仔细研读 。 4 电力 系统工具箱运行 过程 电力 系统 工具 箱 的运 行 框架 可 由图 1所 示流 程 来 说 明。 1 8 6 图 1 电力系统 工具箱 工作流 程 5 电力系统 工具箱使用 实例 图 2 是 已经建立好 的高压 直流输 电系统 的简化模 型 。 无穷大系统由一个 串联 R L的 电源来 表示 的。该模 型 只 有一侧整流装置， 交流电流整流为直流后经过 仃 型传输 线再由一个控制电压源模拟逆变侧及其后的无穷大系统 ， 而整流侧模型完整 ， 包括极控制 的所有详 细结 构。从该 模 型我们可 以看到 ： 用电力 系统工具箱 进行仿真计算 的模 型 是根据实 际情况从 电力 系统工 具箱 以及 s i m u l i n k 、 控制 工 具箱等工具集 中选 用 的适 当元件 模 型组合 连 接 而成 的。 包括六脉波脉 冲发 生器在 内的极控制 部分封 装成一个 明 为” 极控制” 的子系统， 从而使构图一目了然。 在高压直流输电中， 直流电流值为： ，= V,to c o s o t - V a o i c o s T R +RL- R 整流侧终端功率是 ： P= 段 控制 图 2 高压 直流输电系统模型 该模型仿真计算结果被输 出到工作空 间中， 由 p l o t 命 令作 图( 图 3 ) 。可 以看 到 ， 用 电力系统工具箱建 立的高压 直流输 电系统模型真实 的模拟 了实 际系统 的工作情 况 ， 如 交流侧 的电流含有 大量 的谐 波分量 ， 而直流侧 电流则有波 动。基于仿真计算的这一特点， 对于暂态过程的模拟分析 更是突现优点。 图 3 仿真结果 ( 交、 直流侧电流 ) h t t p ： Z Z HD c h i n a j o u r n a 1 n e t o n E m a i l ： Z Z H Dc h a i n a j o u r n a 1 n e t c n 机械制造与 自动化 机械制造 廖恩 荣 MA T L A B电力 系统工具箱介绍与应用 6 结语 MA T L AB p o w e r s y s t e mb l o c k s e t 是电力系统仿真计算 的有力辅助工具， 使用简单 、 计算准确， 界面友好而且可 扩展性强 。本 文从该 工具 箱 的基本 使用 方法 人 手 ， 着 重 就 一些细节 问题及 注意事 项进 行 了 阐述 ， 然后 进一 步地 解 释工具箱 后 台运 行 过 程 的大 致 框 架 。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， 使读者 能够 有更清 晰 的 印象 。 自从 有 了该 工具 箱 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 参考文献 ： 1 程卫国 ， 冯峰 ， 等 MA T I A B 5 3应用指南 M 北京 ： 人 民邮 电出版社 ， 1 9 9 9 2 李兴源 高压直流输 电系统 的运行和控制 M 北京 ： 科学 出 版社 ，1 9 9 8 3 S t o t t B， A l s a cO F a s t d e c o u p l e dl o a df l o w I E E E T r a n s O i l P o w e r A p p a r a t u s a n d S y s t e ms ，1 9 7 4 ， 9 3 ( 3 ) ： 8 5 9 - 8 6 9 4 Mo n t i c e l l i A e t a 1 F a s t d e c o u p l e d l o a d fl o w： h y p o t h e s i s ，d e r i v a - t i o n s a n d t e s t i n g I E E E T r a n s o n P o w e r S y s t e m s ，1 9 9 0 ，5 ( 4 ) ： 1 4 2 5 1 4 31 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 21 5 6结论 与展 望 通过对电化学电池 、 新 能源 汽车技术 领域 中相关技 术 点 的分 析 ， 结合行业发展现状与相关 主管部 门指定 的发展 规划 ， 可 以预知使用 电化学 电池 的新能源汽车领域未来几 年的技术发展方向与重点： 在混合动力汽车领域， 动力电 池技术成为全球及 中国发展重点 ； 在纯电动汽车领域 ， 全 球 与中国的技术 发展应基本保持同步 ， 解决 电池材料 问题 将是未来发展重 点 ； 在燃 料 电池 汽车领 域 ， 燃 料 电池技术 是重点 ， 第三代燃料电池技术的发展将是燃料 电池汽车技 术取得突破的关键 ； 而对于动力电池技术领域， 笔者认为 比能量、 比功率以及电池材料技术的解决将成为突破其技 术瓶颈 的关键所在 。 综上所述， 笔者通过对新能源汽车领域涵盖的主要类 型、 关键技术以及与其直接相关的电化学电池的专利申请进 行统计、 分析， 希望能够为掌握产业发展趋势， 分析产业发展 热点， 促进我国新能源产业未来的发展起到参考作用 。 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au w m a t i o n ， ”2 0 1 3 ， 4 2 ( 3 ) ： 1 8 4 1 8 7 参考文献 1 国家知识产权 局专利 复审委员 会编著 专利 复审委 员会案 例诠释一 现有技术与新颖性 M 北京 ： 知识产权出版社 2 李建蓉 专利信息 与利用 M 北京 ： 知识产权出版社 3 国家知识产权局规划发展司， 新能源汽车产业专利态势分析 报告 J 专利统计简报 ， 2 0 1 1 ( 1 8 ) 4 吴汉东 企业核心竞争力与知识产权 J 中华商标， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 9 一 l 4 5 冯丽艳 专利价值评估 中技 术分成率 的确定方法 J 商业会 计 ， 2 0 1 l ( 3 ) ： 4 6 4 7 ， 6 杨景海 ， 王红梅 超额收益法在企业商誉价值评估 中的应用探 析 J 商业会计 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 5 5 - 5 7 7 唐艳 ， 商誉价值评估 ： 割差法 和超额 收益法 的探讨 J 商业 会计 ， 2 0 1 1 ( 2 7 ) ： 1 1 1 3 收稿 日期 ： 2 0 1 20 5 2 5 1 8 7