Matlab/Simulink电力系统建模：六种方法解析（上篇）

一、前言

在电力系统的相关分析中，理解并搭建以数学微分方程为本质的电力系统模型往往非常关键。无论是稳态还是暂态，模型考虑详细还是简单，我们都需要基于特定的一个计算平台去求解与实现。对于电力系统暂态相关问题，国内SimuNPS，国外PSCAD，PowerFactory等软件具有新能源电力系统的相关封装模型，我们可以直接赋参并且调用。But这些模型大多都是基于一般化模型已经封装好的。

而电力系统稳定性分析初学者往往需要基于一个研究对象，比如双馈风机、三相交直流逆变器等特定的模型，从数学方程开始一步一步搭建，这有利于初学者对原理本质的认识，以及加强对电力系统建模的理解。本文即是针对Matlab/Simulink平台，讲解基于Simulink建立系统模型，并与Matlab交互的几种方式，从而实现高效的建模，方便后续的研究工作。

二、进一步说明

本文的Simulink建模，本质就是列写系统的（非）线性微分方程组，并通过数值算法进行求解。因此后文介绍的方法可以拓展到任意的动态系统，具体内容可以参见《动态系统》文集。

三、Matlab/Simulink建模方法

3.1纯代码形式搭建

在《动态系统》文集《动态系统的表示方法》中，以代码的形式展现并求解了一个简单动态系统。这种形式的好处是，可以通过符号变量的形式来分析动态系统，比如可以获取非线性方程基于特定稳态运行点状态矩阵A的解析表达形式（可以直接调用Matlab函数，常用的有jacobian-非线性系统线性化，eval-符号带数值计算，solve-求解系统稳态解等等）。

但其中系统的数值求解则还需要函数文件来存储系统方程，这和符号计算中的方程形式类似但有点差别。

双馈感应风机模型代码形式，可以看见首先要用syms定义方程中所需要的符号变量，然后按输出方程，代数方程，微分方程直接表达即可。

其中绿色为代数方程，红竖线为状态方程，红勾勾为输出方程

3.2纯信号模块搭建

代码形式比较繁琐且固定，不好在其中产生局部改变，一般比较适合小系统以及比较固定的系统模型。且纯代码难以实现系统之间的相互连接。（可以想象如果系统都是以代码形式展现，相连接会很是很繁琐）

Simulink的信号模块可以充分的表征一般的非线性微分方程。

比如如下简单的微分方程：

其中只有两个状态变量。在Simulink中，我们可以调用积分器模块：integrator.

模型的直接表示，每个积分器后面的量即为状态变量本身，前面则为状态变量的导数，由此可以表征一般的动态系统

以上模块表征的系统可以称为信号模块，其往往用于自主控制器以及系统的设计。由此可以实现复杂系统的可视化建模。值得注意的是，以上图片中每个变量都没有命名，在大系统中，这种习惯对系统分析极其不利。

3.3信号模块搭建&m文件参与赋值

当系统中的参数是可变的时候，直接在Simulink中输入参数是不妙的行为，因为在大系统中，往往需要多次修改模型参数验证仿真效果。这时候则可以在模型中输入待定参数，其变量名可以在m文件进行输入，从而便于参数的修改。

同时封装子系统能让我们更加清晰模型的结构，便于其它科研人员学习与调用

3.4电气模型封装

我们先来看看Simulink自带的电气模型，比如同步机：

两种模块类型不能直接相连，在Simulink中，往往信号线用来实现控制，而电气线则是模拟真实的系统，但电气线模块，归根到底还是信号模块搭建的，只不过有一个转换接口在里面

look under mask可以看见同步机内部模块，其内部仍然是用信号模块建立；上面的封装转换接口可以通过受控源等方式实现

我们可以将自己搭建的规范化模块同样封装成电气模块，仅仅需要一个转换接口，比如受控源：

受控电流源以及受控电压源，可以实现模型接口的转换

这样一来，我们构建的电力系统模型则可以与Simulink自带的模块进行相连，便于一般的分析。

三、总结

电力系统建模是一个细致活，从理解数学物理原理，到仿真实践，如何高效方便地管理模型，实现从一个个独立的发电单元到大系统的连接，是一个我们要提前规划的问题。

上述方法在单机无穷大系统的建立方面，能够清晰展现模型结构，并灵活的赋值参数，但在多机系统所构成的大系统方面，似乎还有欠缺。这需要解决几个问题，一个是大系统之间模块命名重复问题，一个是模块拖动问题，一个是数据赋值与导出问题。大系统的搭建同时还需要涉及潮流的计算，初值的赋予等等。最后，如果要搭建39或118节点，以及如果要搭建含300台双馈感应的风电场，一个一个模块添加并赋值显然不是很好的选择。后三种建模交互方式及相关技术，将很好的解决这个问题，从而可以形成一个系统化的建模方式。