目前，火電廠中電氣系統(tǒng)正開始納入分散控制系統(tǒng)（DCS）。電氣系統(tǒng)與熱工自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)合仿真的需求開始顯現(xiàn)。電氣系統(tǒng)與熱工系統(tǒng)相比在控制要求及運(yùn)行過程中有著很多不同點(diǎn)，電氣的主要特點(diǎn)，如電氣設(shè)備保護(hù)自動(dòng)裝置要求可靠性高，動(dòng)作速度快；電氣設(shè)備操作機(jī)構(gòu)復(fù)雜，操作頻率低等，都要求機(jī)組的電氣系統(tǒng)納入DCS控制后，控制系統(tǒng)具有很高的可靠性，除了能實(shí)現(xiàn)正常起停和運(yùn)行操作外，尤其要求能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示異常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并提供相應(yīng)的操作指導(dǎo)和應(yīng)急處理措施，保證電氣系統(tǒng)自動(dòng)控制在最安全合理的工況下工作。電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)使多年來電力系統(tǒng)的仿真研究采用專門的軟件，與電廠熱控系統(tǒng)的仿真是分別進(jìn)行的。隨著計(jì)算機(jī)開放性技術(shù)的發(fā)展完善，采用通用仿真軟件實(shí)現(xiàn)各種不同類型過程仿真分析已成為可能，如MATLAB應(yīng)用于電力系統(tǒng)的仿真早已受到了重視［1］。參考文獻(xiàn)［1］在1997年就介紹了將電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD／EMTDC向MATLAB的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了通用開放可視的技術(shù)。 MATLAB憑借其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、簡(jiǎn)便的繪圖功能，可視化的仿真以及豐富的算法工具箱，已成為科研和工程技術(shù)人員的有力開發(fā)工具［2］，如已廣泛應(yīng)用于各種不同類型的電廠熱工控制系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)［3］介紹了將MATLAB用于工業(yè)過程實(shí)現(xiàn)可視化仿真的技術(shù)。然而，對(duì)于電力系統(tǒng)工程技術(shù)人員來說，如何按照工程需求，準(zhǔn)確而快速地對(duì)電路以及更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)進(jìn)行自定義的仿真研究，常規(guī)的仿真工具顯得力不從心，因?yàn)槿绻鳝h(huán)節(jié)用簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)來表示，則很多重要細(xì)節(jié)會(huì)被忽略；若用MATLAB中的Simulink提供的基本模塊（如開關(guān)和觸發(fā)器）來構(gòu)造模型，則相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，雖然可以使用PSPICE來實(shí)現(xiàn)電子電路的仿真，但PSPICE主要適用于微電子領(lǐng)域，難于與電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的復(fù)雜算法和先進(jìn)控制理論相結(jié)合。至今大量的電氣系統(tǒng)的仿真分析仍然采用專用軟件包［4］。本文將結(jié)合MATLAB中的電氣系統(tǒng)模塊庫（PowerSystemBlockset），探討采用MATLAB實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)的方法。利用MATLAB與FOR－TRAN等高級(jí)語言的接口，還可以繼承多年來電力系統(tǒng)仿真分析的經(jīng)驗(yàn)。 1 電氣系統(tǒng)模塊庫介紹 MATLAB版本5．2以上提供了電氣系統(tǒng)模塊庫Powerlib。電氣系統(tǒng)模塊庫以Simulink為運(yùn)行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，不僅可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)時(shí)域與頻域的計(jì)算仿真，如計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，而且可以廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真分析計(jì)算等。 運(yùn)行Simulink以后，打開Blocksets＆Tool－boxes，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫。也可以在MATLAB的命令窗口，直接鍵入Powerlib調(diào)出。電氣系統(tǒng)模塊庫Powerlib由如圖1所示的6個(gè)子模塊庫組成。 （1）電源模塊庫：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等。 （2）基本元件模塊庫：包括串聯(lián)RCL負(fù)載／支路、并聯(lián)RCL負(fù)載／支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N相分布參數(shù)線路、單相Ⅱ型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。 （3）電力電子模塊庫：包括二級(jí)管、晶閘管、GTO、MOSFET和理想開關(guān)等。為滿足不同目的的仿真要求并提高仿真速度，還有晶閘管簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。 （4）電機(jī)模塊庫：包括勵(lì)磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等，圖3所示為簡(jiǎn)化的同步電機(jī)模型。 （5）連接模塊庫：包括地、中性點(diǎn)和母線（公共點(diǎn)）。 （6）測(cè)量模塊庫：包括電流和電壓測(cè)量。 在6個(gè)基本子模塊庫的基礎(chǔ)上，按需要可組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫中去。如圖4所示附加模塊庫（PowerlibEx－tras）中的三相電氣系統(tǒng)就是用6個(gè)基本子庫中的各模塊構(gòu)造并封裝起來的?？梢杂谩癓ookUnderMasy”命令打開其中的各模塊，查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以了解構(gòu)造方法和規(guī)律。附加模塊庫中還包括：均方根測(cè)算、有功與無功功率測(cè)算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器和同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 2 基本運(yùn)行原理與使用 電氣系統(tǒng)模塊庫中的Powerlib模塊與常規(guī)的Simulink模塊兩者有一些區(qū)別，所以，在Simulink內(nèi)部，進(jìn)行仿真前有一個(gè)初始化的過程，把包含Powerlib模塊的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為Simulink能夠仿真的等效系數(shù)，具體操作如下： （1）調(diào)用Power2sys函數(shù)，把所有的模塊劃分為常規(guī)模塊和Powerlib模塊，其中的Powerlib模塊又分為線性模塊和非線性模塊。 （2）調(diào)用Power2sys函數(shù)求出模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到其參數(shù)，并對(duì)每個(gè)電氣結(jié)點(diǎn)都賦予一個(gè)結(jié)點(diǎn)號(hào)。 （3）調(diào)用Circ2sys函數(shù)求出線性模塊的狀態(tài)空間模型（狀態(tài)變量為電感電流和電容電壓）。 （4）調(diào)用Power2sys函數(shù)，根據(jù)Simulink的內(nèi)部預(yù)定義的模型求出非線性模塊的Simulink模型。 初始化完成后，Simulink開始對(duì)此系統(tǒng)仿真。 Power2sys和Circ2sys函數(shù)都能以命令行的形式在MATLAB命令窗口直接調(diào)用，而且使用上更為靈活，可以構(gòu)造出Powerlib中所沒有的模塊（如具有3個(gè)以上繞組的互感器），此處不再贅述。 當(dāng)然，上述復(fù)雜的預(yù)處理過程對(duì)用戶來說都是屏蔽的。電氣系統(tǒng)模塊庫中的模塊在使用上，與常規(guī)的Simulink模塊類似，將其拷貝到自己的模型中并設(shè)置合適的參數(shù)即可。但是，Powerlib模塊與常規(guī)的Simulink模塊畢竟是兩類不同的模塊。所以，對(duì)于同時(shí)使用兩類模塊的仿真模型，必然會(huì)有兩類模塊之間的信號(hào)流動(dòng)，這就需要中間接口模塊。具體地說，當(dāng)Simulink模塊的信號(hào)送Powerlib模塊時(shí)，應(yīng)根據(jù)其性質(zhì)，采用可控電壓源或可控電流源模塊作為中間環(huán)節(jié)；反之，當(dāng)Powerlib模塊中的信號(hào)反饋給Simulink模塊構(gòu)造的控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用電流或電壓測(cè)量模塊。 由于在仿真初始化過程中，Power2sys函數(shù)將逐個(gè)檢查模型中的各個(gè)模塊是否為電氣系統(tǒng)模塊，所以，對(duì)于大規(guī)模的系統(tǒng)，在一定程度上會(huì)降低仿真的速度。為避免這種負(fù)面影響，可以人為地迫使Power2sys不去檢查那些常規(guī)模塊，方法是在常規(guī)模塊以及包含常規(guī)模塊的子系統(tǒng)的模塊名前加1個(gè)“＄”符號(hào)，如“＄PID”，但必須確保子系統(tǒng)內(nèi)的模塊皆為常規(guī)模塊。 Powergui是電氣系統(tǒng)模塊庫提供的1個(gè)有力的工具。通過它，能以圖形用戶界面（GUI）的方式來方便地計(jì)算和顯示出系統(tǒng)中各狀態(tài)變量和測(cè)量變量的穩(wěn)態(tài)值；可以修改系統(tǒng)的初始狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)從任一初始條件開始仿真，能避免較長的過渡過程；還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)包含電機(jī)的三相電網(wǎng)潮流的計(jì)算和初始化。使用Powergui只需將其拷貝到模型中，打開即可進(jìn)行查看和設(shè)置。 3 于TLAB的電力電子仿真舉例 從DEMO中可以了解到許多電氣系統(tǒng)的仿真實(shí)例。如電力濾波器、HVDC、分布參數(shù)線路、變壓器、暫態(tài)分析、三相二極管整流等。本文采用電氣系統(tǒng)模塊庫建立的晶閘管（Thyristor）整流電路如圖5。系統(tǒng)通過單項(xiàng)單脈沖晶閘管整流電路供電給RL負(fù)載。晶閘管門極觸發(fā)脈沖由定時(shí)器Timerl提供。仿真時(shí)的設(shè)定參數(shù)為：整流器負(fù)載R＝0．5Ω，L＝6．5mH。晶閘管模塊導(dǎo)通電阻R＝0．001Ω，電感L＝le－5H，正向電壓U＝0．8V，旁路電阻R＝20Ω，電容C＝4e－6F。線路負(fù)載也可以采用電抗形式表示。將Powerlib中晶閘管模塊的信號(hào)反饋給Simulink的濾波顯示模塊（Ufilter）時(shí)，采用了電流及電壓測(cè)量模塊。圖6為示波器Ufilter顯示的電壓和電流仿真波形。該曲線與理論分析實(shí)驗(yàn)波形完全一致。