电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用第8章

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第8章 定 制 模 块

第8章 定 制 模 块8.1 定制非线性模块8.2 S函数的编写及应用

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8.1 定制非线性模块8.1.1 非线性电感模块 【例8.1】定制一个非线性电感元件，当电压在0~120 V时，电感恒定为2 H;当电压超过120 V时，电感元件饱和， 电感降低到0.5 H。图8-1所示为该非线性电感对应的磁通—

电流特性曲线，单位为p.u.。其中VB = 120/sqrt(2) V,fB = 50 Hz。

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图8-1 例8.1的磁通—电流特性曲线

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解：(1) 理论分析。显然电感元件上电压v和电流i具有如下关系：

d i dΨ v L dt dt其中，Ψ为电感元件上的自感磁链。 由式(8-1)可以得到磁链Ψ为

(8-1)

Ψ vdt因此电感上的电流i为

(8-2)

vdt Ψ i L L

(8-3)

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可见，可以用受控电流源表示该非线性电感元件，该电流源受控于电流源两端的电压。 (2) 按图8-2搭建非线性电感模型。该模型包括一个电压 表模块、一个可控电流源模块(电流源的电流方向为箭头所 示方向)、一个积分模块和一个用于描述磁通—电流饱和特 性的查表模块。选用的各模块的名称及提取路径见表8-1。 图中有一个信号输出口m,输出非线性电感模块上的磁通和 该模块两端的电压值。

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图8-2 非线性电感模型

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表8-1 例8.1非线性电感模型中包含的模块模 块 名 受控电流源模块 CCS 电压表模块 V 电气接口 In、Out 积分模块 Integrator 一维查表模块 Look-Up Table 信号合成模块 Mux 信号输出端口 m 提 取 路 径 SimPowerSystems/Electrical Sources SimPowerSystems/Measurements SimPowerSystems/Elements Simulink/Continuous Simulink/Lookup Tables Simulink/Signal Routing Simulink/Sinks

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打开查表模块参数对话框，按图8-3设置参数。该图中的参数实际上就是图8-1的磁通—电流特性。其余模块的参 数采用默认设置。

图8-3 例8.1的查表模块参数设置

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(3) 将搭建好的非线性电感模型组合为一个子系统并命名为Nonlinear Inductance后，按图8-4所示搭建仿真系统。选 用的各模块的名称及提取路径见表8-2。

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图8-4 例8.1的仿真系统图

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表8-2 例8.1仿真电路模块的名称及提取路径模块名 交流电压源 Vs 直流电压源 DC 串联 RLC 支路 R 电流表模块 IR FFT 模块 50、DC 信号分离模块 Demux 示波器 提 取 路 径 SimPowerSystems/Electrical Sources SimPowerSystems/Electrical Sources SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Measurements SimPowerSystems/Extra Library/Measurements Simulink/Signal Routing Simulink/Sinks

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该系统中含有两个电压源，一个峰值为120 V、50 Hz、相角

为90°的交流电压源Vs和一个幅值为0的直流电压源VDC。 串联RLC支路为纯电阻电路，其中电阻元件R = 5 W。 在仿真参数对话框中设置变步长ode23tb算法，仿真结 束时间为1.5 s。 (4) 开始仿真。设置直流电压源幅值为0,开始仿真。图 8-5所示为仿真最后5个周期的波形，图中波形从上到下依次 为非线性电感元件上的磁通、电流和电压。此时，电压未超 过极限值120 V,电感为2 H。对应的电流幅值Im为

Im

Vs (2 π fL) R2 2

0.191A

(8-4)

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磁链Ψ为

Ψ I m L 0.382V s与观测到的波形一致。

(8-5)

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图8-5 仿真波形图(VDC = 0 V)

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将直流电压源的幅值改为1 V,再次仿真。按理论分析，直流电压源单独作用时，电路中的电感相当于短路，因此观 测的仿真电流中应该含有一个直流电流，该电流值为1 V/5 Ω = 0.2 A。 观察仿真最后5个周期的波形如图8-6所示，图中波形从 上到下依次为非线性电感元件上的磁通、电流和电压。由于 对1 V直流电压源分量进行了积分运算，导致磁通饱和，因 此电流波形发生畸变。由图可见，此时电流增大到0.575 A。

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图8-6 仿真波形图(VDC = 1 V)