MATLAB Simulink电力系统建模与仿真 第2版 于群曹娜著 2017年版.pdf

21 世纪电力系统及其自动化规划教材MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真第 2 版于 群 曹 娜 编著机 械 工 业 出 版 社本书是一本针对电气工程及其自动化专业的 MATLAB/Simulink 仿真入门教材。本书涵盖了电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力系统继电保护、高压直流输电、柔性输电以及风力发电等主干课程的主要内容。本书各仿真例程都是相关课程的主要知识点，并为读者提供仿真源程序，以帮助读者在学习 MATLAB 的过程中巩固专业课知识，较快地进入电力系统仿真这一领域。本书共9 章，第1 章为 MATLAB 基础知识；第2 章为 Simulink 仿真入门；第 3 章为电力系统元件模型及模型库介绍；第 4 章为 MATLAB 在电力系统潮流计算中的应用实例；第 5 章为 MATLAB 在电力系统故障分析中的仿真实例；第 6 章为 MATLAB 在电力系统稳定性分析中的应用实例；第 7 章为 MATLAB 在微机继电保护中的应用实例；第 8 章为 MATLAB 在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例；第 9 章为 MATLAB 在风力发电技术中的应用仿真。本书可作为高等院校电气工程及其自动化专业的本科、专科教材，也可作为电气工程相关专业研究生、电力系统工程技术人员的参考书。图书在版编目（CIP）数据MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真/于群，曹娜编著.2 版.北京：机械工业出版社，2017.9（2018.8 重印）21 世纪电力系统及其自动化规划教材ISBN 978-7-111-57593-1.M.于 曹.电力系统-系统建模-Matlab软件-高等学校-教材 电力系统-系统仿真-Matlab 软件-高等学校-教材.TM7中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 187876 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：王雅新 责任编辑：王雅新 韩 静 王小东责任校对：张 征 张 薇 封面设计：路恩中责任印制：李 昂北京宝昌彩色印刷有限公司印刷2018 年 8 月第 2 版第 2 次印刷184mm 260mm 14.5 印张 349 千字标准书号：ISBN 978-7-111-57593-1定价：35.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务服务咨询热线：010-88379833读者购书热线：010-88379649封面无防伪标均为盗版机 工 官 网：机 工 官 博： 2 版前言自本书 2011 年第 1 版完稿以来，已经过了 6 年。作为专业课程教材和自学参考书，本书在编写时，以电气工程及其自动化专业的主干课程为主线，包括了电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力系统继电保护、高压直流输电、柔性输电以及风力发电等课程的主要内容，并且各仿真例程都提供了源程序，方便了读者的学习，因此出版以来深受广大读者的欢迎。本书在使用中，不断地收到全国各高校读者对书中仿真例程的建议，希望对仿真内容进一步完善。在机械工业出版社的敦促与帮助下，我们进行了本书第 2 版的编写。在本书的编写中，在新的 MATLAB 界面下对各仿真例程进行了编辑与仿真，修改了原书中的一些错误。本书第 1、2、4、7、8 章由于群编著，第 3、5、6、9 章由曹娜编著，全书由于群统稿。在本书的编写过程中，硕士研究生于梦瑶、冯知海、史文秀、曹爽爽、冯安强、杨亚丽等帮助完成了书中的部分算例、书稿的输入工作，在此谨对他们表示衷心的感谢。由于编者的理论水平和实践经验有限，书中难免有不当或错误之处，恳请读者批评指正。编著者第 1 版前言MATLAB 是当前国际认可的最优秀的科技应用软件之一，它以矩阵运算为基础，把计算可视化程序设计融合到了一个交互的工作环境中，可实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。Simulink 是 MATLAB 所提供的用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具。随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，许多大型电力科研实验很难进行。一是受系统的规模和复杂性的限制；二是从系统的安全角度来讲不允许进行实验。综合上述两种情况，寻求一种最接近电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分必要，目前比较常用的电力系统仿真工具有邦纳维尔电力局开发的 BPA 程序和 EMTP 程序、曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的 PSCAD/EMTDC 程序以及中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序 PSASP 等。1998 年，Mathworks 公司推出电力系统模块集（Power System Block）后，该功能逐渐被电力系统的研究人员所接受，使得 MATLAB/Simulink 在电力系统领域的应用日趋完善。近年来，笔者深深地感受到，如果在电气工程及其自动化专业的教学过程中将 MATLAB与专业内容密切结合，将会使学生更好地理解和掌握课程内容。但是在选取教材时却遇到了很大的困难，虽然目前国内与 MATLAB/Simulink 相关的书籍很多，可大多数都侧重于 MATLAB/Simulink 的通用基础知识，而以电气工程及其自动化专业为背景的却很少，很难在教学中应用，因此笔者编写了这本针对电气工程及其自动化专业的 MATLAB/Simulink 仿真入门教材。本书以电气工程及其自动化专业为主线，以 MATLAB/Simulink 为基础，力求涵盖本专业的主干课程 电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力系统继电保护、高压直流输电、柔性输电以及风力发电等课程的主要内容，各仿真例程都是相关课程的主要知识点，并为读者提供仿真源程序。本书共9 章，第1 章为 MATLAB 基础知识；第2 章为 Simulink 仿真入门；第3 章为电力系统元件模型及模型库介绍；第 4 章为 MATLAB 在电力系统潮流计算中的应用实例；第 5章为 MATLAB 在电力系统故障分析中的仿真实例；第 6 章为 MATLAB 在电力系统稳定性分析中的应用实例；第 7 章为 MATLAB 在微机继电保护中的应用实例；第 8 章为 MATLAB 在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例；第 9 章为 MATLAB 在风力发电技术中的应用仿真。本书由于群和曹娜编著。第 1、2、4、7、8 章由于群编著，第 3、5、6、9 章由曹娜编著，全书由于群统稿。在本书的编写过程中，硕士研究生窦金延、赵晓楠、杨意、魏海啸、周彦飞等帮助完成了书中的部分算例、书稿的输入工作，在此谨对他们表示衷心的感谢。由于编者的理论水平和实践经验有限，书中难免有不当或错误之处，恳请读者批评指正。编著者目录第 2 版前言第 1 版前言第 1 章 MATLAB 基础知识11.1 MATLAB 简介1 1.1.1 概述1 1.1.2 MATLAB 安装与运行21.2 MATLAB 工作环境31.3 MATLAB 的通用命令81.4 MATLAB 的计算基础10 1.4.1 MATLAB 的预定义变量10 1.4.2 常用运算和基本数学函数10 1.4.3 数值的输出格式121.5 基本赋值和运算131.6 MATLAB 程序设计基础151.7 MATLAB 的绘图功能19第 2 章 Simulink 仿真入门242.1 Simulink 基本操作24 2.1.1 运行 Simulink24 2.1.2 Simulink 模块库26 2.1.3 Simulink 模块的操作282.2 运行仿真及参数设置简介34 2.2.1 运行仿真34 2.2.2 仿真参数设置简介342.3 创建模型的基本步骤及仿真算法简介38 2.3.1 创建模型的基本步骤38 2.3.2 仿真算法简介392.4 子系统及其封装40 2.4.1 创建子系统40 2.4.2 封装子系统41第 3 章 电力系统元件模型及模型库介绍473.1 同步发电机数学模型47 3.1.1 同步发电机电气部分数学模型47 3.1.2 同步发电机机械部分数学模型48 3.1.3 基于电气原理图的同步电机数学模型483.2 变压器数学模型及基于电气原理图的变压器数学模型56 3.2.1 变压器数学模型56 3.2.2 基于电气原理图的变压器数学模型563.3 输电线路模型59 3.3.1 输电线路的等效电路59 3.3.2 基于电气原理图的输电线路数学模型603.4 负荷模型62 3.4.1 负荷的数学模型63 3.4.2 基于电气原理图的负荷模型643.5 电力图形用户分析界面（Powergui）模块68 3.5.1 Powergui 模块主窗口介绍68 3.5.2 稳态电压电流分析窗口70 3.5.3 初始状态设置窗口71 3.5.4 潮流计算和电机初始化窗口72 3.5.5 LTI 视窗73 3.5.6 阻抗依频特性测量视窗73 3.5.7 FFT 分析窗口75 3.5.8 报表生成窗口76 3.5.9 磁滞特性设计工具窗口76 3.5.10 计算 RLC 线路参数窗口78第 4 章 MATLAB 在电力系统潮流计算中的应用实例804.1 MATPOWER 软件在电力系统潮流计算中的应用实例80 4.1.1 MATPOWER 的安装80 4.1.2 MATPOWER 的主要技术规则81 4.1.3 MATPOWER 应用举例854.2 Powergui 在简单电力系统潮流计算中的应用实例88 4.2.1 电力系统元件的模型选择88 4.2.2 模型参数的计算及设置90 4.2.3 计算结果及比较92第 5 章 MATLAB 在电力系统故障分析中的仿真实例955.1 无穷大功率电源供电系统三相短路仿真95 5.1.1 无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程95 5.1.2 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建96 5.1.3 仿真结果及分析1015.2 同步发电机突然短路的暂态过程仿真103 5.2.1 同步发电机突然三相短路暂态过程简介103 5.2.2 同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算与仿真方法1045.3 小电流接地系统中的单相接地仿真110 5.3.1 小电流接地系统中的单相接地故障特点简介111 5.3.2 小电流接地系统仿真模型构建111 5.3.3 仿真结果及分析116第 6 章 MATLAB 在电力系统稳定性分析中的应用实例1206.1 简单电力系统的暂态稳定性仿真分析120 6.1.1 电力系统暂态稳定性简介120 6.1.2 简单电力系统的暂态稳定性计算与仿真1236.2 简单电力系统的静态稳定性仿真分析131 6.2.1 电力系统静态稳定性简介131 6.2.2 简单电力系统的静态稳定性计算132 6.2.3 简单电力系统的静态稳定性仿真133第 7 章 MATLAB 在微机继电保护中的应用实例1407.1 简单数字滤波器的 MATLAB 辅助设计实例140 7.1.1 减法滤波器（差分滤波器）简介140 7.1.2 减法滤波器设计分析举例1417.2 微机继电保护算法的 MATLAB辅助设计144 7.2.1 基于正弦函数模型的微机继电保护算法144 7.2.2 全波傅里叶算法1477.3 输电线路距离保护的建模与仿真152 7.3.1 方向阻抗继电器的数学模型153 7.3.2 方向阻抗继电器的仿真模型155 7.3.3 仿真结果1587.4 Simulink 在变压器微机继电保护中的应用举例159 7.4.1 变压器仿真模型构建160 7.4.2 变压器空载合闸时励磁涌流的仿真162 7.4.3 变压器保护区内、外故障时比率制动的仿真165 7.4.4 变压器绕组内部故障的简单仿真1677.5 输电线路故障行波仿真举例168 7.5.1 行波的基本概念169 7.5.2 输电线路故障行波仿真模型的构建171 7.5.3 输电线路故障行波的提取171 7.5.4 仿真结果173第 8 章 MATLAB 在高压直流输电及柔性输电中的仿真实