MATLAB/SIMULINK在《電氣工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用

敖章洪 李建英 楊民生

(湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南 常德 415000)

1 引言

我院于2010年開設(shè)了“建筑電氣與智能化”專業(yè)，該專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]是《電氣工程基礎(chǔ)》。該課程涉及電力系統(tǒng)各種知識(shí)，概念多，公式多，計(jì)算量大，理論性很強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來較難掌握，學(xué)習(xí)積極性難以提高，學(xué)習(xí)效果很差。并且由于條件限制，我院欠缺很多大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這也給教學(xué)活動(dòng)的順利實(shí)施帶來一定影響，因此對(duì)《電氣工程基礎(chǔ)》這門課進(jìn)行教學(xué)改革迫在眉睫，這也符合我校目前應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求。

MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體，在工科中應(yīng)用非常廣。Simulink是MATLAB的一個(gè)交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的工具，具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點(diǎn)[2]，廣泛應(yīng)用于線性、非線性、離散、連續(xù)及多變量系統(tǒng)的仿真和分析[3]。針對(duì)我院實(shí)際情況，利用MATLAB/Simulink軟件在《電氣工程基礎(chǔ)》這門課程上運(yùn)用仿真手段進(jìn)行輔助教學(xué)，便于教學(xué)活動(dòng)的開展，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

2 MATLAB在潮流計(jì)算中的應(yīng)用[4-9]

電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計(jì)算，是對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)正常和故障條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算。《電氣工程基礎(chǔ)》中有關(guān)潮流計(jì)算方面的內(nèi)容計(jì)算量很大，教學(xué)活動(dòng)不好開展，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來很大困難。通過MATLAB可方便快捷地得到所需結(jié)果，便于學(xué)生理解。以牛頓-拉夫遜潮流計(jì)算為例，其計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 牛頓-拉夫遜潮流計(jì)算流程圖

以熊信銀主編《電氣工程基礎(chǔ)》（第二版）第151頁例題6-5開式電力網(wǎng)為例說明MATLAB在潮流計(jì)算中的應(yīng)用。開式電網(wǎng)如圖2所示，線路額定電壓為110kV，如電力網(wǎng)首端電壓為118kV，試求運(yùn)行中全電網(wǎng)的功率和電壓分布。各點(diǎn)負(fù)荷 為等值電路圖如圖3所示。

圖2 開式電力網(wǎng)

圖3 開式電力網(wǎng)等值電路

MATLAB版本選用R2012a，在MATLAB中輸入各項(xiàng)已知數(shù)據(jù)，設(shè)定誤差精度后運(yùn)行，經(jīng)過四次迭代后滿足系統(tǒng)要求，求出的節(jié)點(diǎn)電壓為，功 率 為，可以看出結(jié)果與近似法接近，利用MATLAB可以節(jié)省大量的計(jì)算，更容易激發(fā)學(xué)生的積極性。

3 Simulink在短路計(jì)算中的應(yīng)用[10-12]

電力系統(tǒng)中短路是指一切不正常的相與相之間或相與地之間發(fā)生通路的情況，電力系統(tǒng)中短路故障是出現(xiàn)最多、情況最為嚴(yán)重的一種，對(duì)短路故障進(jìn)行分析是《電氣工程基礎(chǔ)》這門課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。短路分析過程復(fù)雜，計(jì)算公式多，當(dāng)電力系統(tǒng)較復(fù)雜時(shí)計(jì)算量很大，耗費(fèi)時(shí)間長，通過Simulink進(jìn)行短路分析可簡化計(jì)算，直觀性強(qiáng)。

這里以變壓器空載三相短路為例說明Simulink的應(yīng)用，供電系統(tǒng)如圖4所示，相關(guān)參數(shù)為發(fā)電機(jī)G1：50MVA、110kV，保持恒定，Y連接；線路L為100km；變壓器T為Yn/d接法，S N=10MVA，U k%=10.5，k=110/11。

圖4 供電系統(tǒng)圖

在MATLAB版本為R2012a情況下利用Simulink對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行建模，進(jìn)入SimPowerSystems工具箱，打開Electrical Sources庫，選用Three-Phase Souce模塊建立發(fā)電機(jī)模型，修改Phase-to-Phase rms voltage參數(shù)為110e3，F(xiàn)requency為50，3-phase short-circuit level at base voltage為 50e6，Base voltage為11e3；選用Measurements庫下的Three-Phase V-I Measurement模塊對(duì)母線電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，參數(shù)默認(rèn)；選用Elements庫下的Distributed Parameters Line模塊建立線路模型，修改Frequency used for rlc specification為50，其他參數(shù)默認(rèn)；選用Elements庫下的Three-Phase Transformer（Two Windings）建立變壓器模型，Configuration選項(xiàng)卡下修改Winding 2 connection為Delta（D1），Parameters選項(xiàng)卡下修改Nom inal power and frequency為[10e6,50]，Winding 1 parameters電壓改為11e4，Winding 2 Parameters電壓改為11e3，其他參數(shù)默認(rèn)，選用Elements庫下的Three-Phase Fault模塊，修改Parameters選項(xiàng)，勾選A，B，C三相，Transition times為[0.020.04]，其他采用默認(rèn)值；最后連接各模塊，并加入powergui模塊，修改仿真結(jié)束時(shí)間為0.1秒，仿真算法為ode15s，仿真模型如圖5所示。

圖5 三相短路仿真模型

仿真波形如圖6所示：

圖6 仿真結(jié)果

從圖中可以看出，短路瞬間母線電壓基本上沒有變化，在0.02s發(fā)生短路時(shí)電流在短路瞬間有很大提升，0.04s短路結(jié)束后電流逐漸平穩(wěn)，與理論分析結(jié)果一致。通過修改Three-Phase Fault模塊參數(shù)，還可以得到單相短路、兩相短路的相應(yīng)波形，這里不再敘述。

4 結(jié)語

通過MATLAB/Simulink仿真軟件，可加深學(xué)生對(duì)《電氣工程基礎(chǔ)》這門課程的理解，掌握這門課程軟件設(shè)計(jì)過程，并可有效地解決《電氣工程基礎(chǔ)》這門課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備需求量大、儀器設(shè)備單個(gè)價(jià)值高、實(shí)驗(yàn)過程較危險(xiǎn)等問題，也能提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力的培養(yǎng)很有幫助，符合我校目前不斷推進(jìn)的應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求。