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《电力系统工具软件》实验教学大纲
2019-06-30 17:04  

《电力系统工具软件》实验教学大纲

编写: 芦明                               审核:  周焱

课程编码

0901413

课程名称

电力系统工具软件

适用专业

电气工程及其自动化

学分

 

考核形式

 

学时

6

先修课程

电力电子技术、电力系统分析、继电保护

开课学期

一、课程简介

本课程是电气工程及其自动化专业的专业选修课,它主要讲授MATLAB语言基础以及怎样用MATLAB语言进行控制系统、电力系统的计算机仿真。

二、课程实验教学目的与要求

1、机实验是培养学生创新意识和实践能力的重要教学环节,是配合《电力系统工具软件》课程开设的一门选修实验课程。上机实验的主要目的是让学生掌握基本技能,为专业课的学习提供重要的辅助工具。

2、通过实验,要求掌握MATLAB的基本使用,提高MATLAB软件的编程能力,掌握MATLAB这个仿真工具在控制系统和电力系统仿真与辅助设计中的应用,培养学生对电力系统建模和仿真的能力。

三、实验项目

实验一  Matlab使用方法和程序设计

(一)实验目的、任务

1、掌握Matlab软件使用的基本方法;

2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句 ;

3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制 ;

4、熟悉Matlab程序设计的基本方法 。

(二)基本要求

1、掌握MATLAB的基本操作;

2、掌握MATLAB的绘图功能;

3、掌握MATLAB的编程方法。

(三)实验基本原理

启动MATLAB6.5软件后,可进入MATLAB6.5软件的主体界面,如下图所示。以下操作均在命令窗口中完成。

      6-1

1、帮助命令

使用help命令,查找sqrt(开方)函数的使用方法;

2、矩阵运算

1)矩阵的乘法

已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8];

A^2*B

2)矩阵除法

已知 A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];

B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];

A\B,A/B

3)矩阵的转置及共轭转置

已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];

A.', A'

4)使用冒号选出指定元素

已知: A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];

A中第3列前2个元素;A中所有列第23行的元素; 

3、多项式

1)求多项式p(x)=x3-2x-4的根

2)已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4]

求矩阵A的特征多项式;

求特征多项式中未知数为20时的值;

把矩阵A作为未知数代入到多项式中。

4、基本绘图命令

1)绘制余弦曲线y=cos(t)t[02π]

2)在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5) t[02π]

5、基本绘图控制

绘制[04π]区间上的x1=10sint曲线,并要求:

1)线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号;

2)坐标轴控制:显示范围、刻度线、比例、网络线;

3)标注控制:坐标轴名称、标题、相应文本。

6、基本程序设计

1)编写命令文件:计算1+2++n<2000时的最大n值;

2)编写函数文件:分别用forwhile循环结构编写程序,求20n次幂的和。

(四)实验内容及重点、难点

1、各种基本命令的使用;

2、绘图命令的使用;

3、循环控制程序的编写。

实验二 数据处理

(一)实验目的、任务

1、掌握线性方程组的求解方法;

2、了解非线性方程的数值求解方法;

3、掌握M文件的编写和使用。

(二)基本要求

1、掌握利用MATLAB求解线性方程组的方法;

2、掌握利用MATLAB求解非线性方程组的方法;

3、掌握MATLABM文件的编写和使用方法。

(三)实验基本原理

1、线性方程组求解

1)利用左除运算符的直接解法

命令如下:

A=[2,1,-5,1;1,-5,0,7;0,2,1,-1;1,6,-1,-4];

b=[13,-9,6,0]';

x=A\b

C=Inv(A)

2.4444   -1.1667

x=C*b

2LU分解

LU分解求解上例中的线性方程组。命令如下:

[l,u]=lu(A);

x=U\(L\b)

或采用LU分解的第2种格式,命令如下:

[L,U ,P]=lu(A);

x=U\(L\P*b)

3)用QR分解求解上例中的线性方程组。

[Q,R]=qr(A);

x=R\(Q\b)

或采用QR分解的第2种格式,命令如下:

[Q,R,E]=qr(A);

x=E*(R\(Q\b))

2、非线性方程的数值求解

1)单变量非线性方程求解

MATLAB中提供了一个fzero函数,可以用来求单变量非线性方程的根。该函数的调用格式为:

z=fzero('fname',x0,tol,trace)

f(x)=x-10x+2=0x0=0.5附近的根。

步骤如下:

建立函数文件funx.m

function fx=funx(x)

fx=x-10.^x+2;

(2) 调用fzero函数求根。

z=fzero('funx',0.5)

z =0.3758

2)非线性方程组的求解

对于非线性方程组F(X)=0,用fsolve函数求其数值解。fsolve函数的调用格式为:

X=fsolve('fun',X0,option)

求下列非线性方程组在(0.5,0.5) 附近的数值解。

建立函数文件myfun.m

function q=myfun(p)

x=p(1);

y=p(2);

q(1)=x-0.6*sin(x)-0.3*cos(y);

q(2)=y-0.6*cos(x)+0.3*sin(y);

(2) 在给定的初值x0=0.5,y0=0.5下,调用fsolve函数求方程的根。

x=fsolve('myfun',[0.5,0.5]',optimset('Display','off'))

x = 0.6354

    0.3734

3M文件的编写和使用

1M文件概述

MATLAB语言编写的程序,称为M文件。

分别建立命令文件和函数文件,将华氏温度f转换为摄氏温度。

程序1

首先建立命令文件并以文件名f2c.m存盘。

clear;            %清除工作空间中的变量

f=input('Input Fahrenheit temperature');

c=5*(f-32)/9

然后在MATLAB的命令窗口中输入f2c,将会执行该命令文件,执行情况为:

Input Fahrenheit temperature73

c =

   22.7778

程序2

首先建立函数文件f2c.m

function c=f2c(f)

c=5*(f-32)/9

然后在MATLAB的命令窗口调用该函数文件。

clear;

y=input('Input Fahrenheit temperature');

x=f2c(y)

输出情况为:

Input Fahrenheit temperature70

c =

   21.1111

x =

   21.1111

2M文件的建立与打开

M文件是一个文本文件,它可以用任何编辑程序来建立和编辑,而一般常用且最为方便的是使用MATLAB提供的文本编辑器。

建立新的M文件:

为建立新的M文件,启动MATLAB文本编辑器有3种方法:

菜单操作。从MATLAB主窗口的File菜单中选择New菜单项,再选择M-file命令,屏幕上将出现MATLAB 文本编辑器窗口。

命令操作。在MATLAB命令窗口输入命令edit,启动MATLAB文本编辑器后,输入M文件的内容并存盘。

命令按钮操作。单击MATLAB主窗口工具栏上的New M-File命令按钮,启动MATLAB文本编辑器后,输入M文件的内容并存盘。

打开已有的M文件:

打开已有的M文件,也有3种方法:

菜单操作。从MATLAB主窗口的File菜单中选择Open命令,则屏幕出现Open对话框,在Open对话框中选中所需打开的M文件。在文档窗口可以对打开的M文件进行编辑修改,编辑完成后,将M文件存盘。

命令操作。在MATLAB命令窗口输入命令:edit 文件名,则打开指定的M文件。

命令按钮操作。单击MATLAB主窗口工具栏上的Open File命令按钮,再从弹出的对话框中选择所需打开的M文件。

(四)实验内容及重点、难点

1、利用左除运算符的直接解法;

2、用LUQR分解线性方程组;

3、用fzero函数、fsolve函数求解非线性方程;

4、建立和打开M文件。

实验三 SIMULINK仿真

(一)实验目的、任务

1、掌握SIMULINK界面的打开和使用方法;;

2、掌握电力系统工具箱的打开和使用方法;

3、熟悉电力电子线路的SIMULINK仿真过程。

(二)基本要求

1、熟练掌握SIMULINK界面的打开和使用方法,了解各模块的位置和使用;

2、数练掌握电力系统工具箱各模块的打开和使用;

3、掌握典型电力电子线路的建模和仿真。

(三)实验基本原理

1SIMULINK界面的打开和使用

MATLAB的命令窗口键入“Simulink”或单击MATLAB工具条上的Simulink图标,即可打开Simulink模块库浏览器窗口。

Simulink模块库为用户提供了多种多样的功能模块,其中基本功能模块包括连续系统(Continuous)、离散系统(Discrete)和非线性系统(Nonlinear)的构成模块;连接、运算类模块包括函数与表(Functions Tables)、数学运算(Math)和信号与系统(Signals Systems)模块。更重要的是,它还提供子系统模块(Subsystems),用户可以自行构建复杂系统的子系统。此外,它的输入源模块(Sources)和变量接收模块(Sinks)则为模型仿真系统提供了信号源和结果输出设备,便于用户对模型进行仿真和分析。

2、电力系统工具箱的使用

MATLAB 6.5命令窗口中键入powerlib命令,得到如下图所示的工具箱。该工具箱中有很多模块组,几乎提供了组成电力系统的所有元件,主要有电源(Electrical Sources)、元件(Elements)、电力电子元件(Power Electronics)、电动机系统(Machines)、模块连接器(Connectors)、测量元件(Measurements)、附加(Extras)、演示(Demos)等模块组。

双击任一个图标均可打开一个模块组,下面对本章所要使用的相关模块组作简要介绍。

             

电源模块组(Electrical Sources

元件模块组(Elements

电力电子元件模块组(Power Electronics

测量元件模块组(Measurements

模块连接器(Connectors

附加模块组(Extras

3、单相半波可控整流电路的仿真

1)建模及参数选择

MATLAB命令窗口下建立一个新的模型窗口,命名为psbzl

打开电力电子模块组,复制一个标准晶闸管(Detaild Thyristor)到psbzl模型中。打开晶闸管对话框,按照如下参数设置:                                                                                ,并重新命名为Thyristor

打开电源模块,复制一个交流电压源到psbzl模型窗口中,打开参数设置对话框,电压幅值设为100V、频率为50Hz

打开元件和接地模块组,复制一个串联RL元件模块和接地模块到psbzl模型窗口中,打开参数设置对话框,设置                                

打开测量模块组,分别复制一个电压和电流测量装置用来测量负载上的电压和电流;

从信号与系统模块组中复制一个具有两个输出信号的分离器,命名为Demux,输入端连接到晶闸管的m端(用于晶闸管电流和电压的测量),两个输出端分别接到四通道示波器的输入端上;

从输入源模块组中复制一个脉冲发生器模型到psbzl仿真模型窗口中,命名为Pulse,并将其输出接到晶闸管的门极上。打开参数设置对话框,选择相位控制角Phase Delay(用时间表示);

通过信号线的适当连接后,得到下图所示的单相半波可控整流电路的仿真电路;

2)单相半波可控整流电路的仿真

打开仿真参数窗口,选择ode23tb算法,相对误差设置为1e-03,开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.1。选择相控角为                ,启动仿真,得到图3-1的仿真结果,从上至下依次为负载电流、负载电压、晶闸管电流、晶闸管电压的波形。

               

3-1 单相半波可控整流电路           时仿真结果

4、三相桥式全控整流电路的建模和仿真

1)在MATLAB命令窗口下建立一个新的模型窗口,命名为psbbridges

2)打开电源模块组,分别复制三个交流电压源到psbbridges模型中,重命名为UaUbUc。打开参数设置对话框,按三相对称电源要求设置参数(                                、初相位依次为                                                );

3)打开测量模块组,分别复制三个电压测量模块到psbbridges模型中,

重命名为UabUbcUca,用于测量三相交流线电压,获得同步电源;

4) 打开电力电子模块组,复制一个通用变流桥模块,选择为Thyristor桥,按要求设置晶闸管通用桥参数;

5)打开电力电子模块组中的附加控制(Control Blocks)子模块组,复制一个六脉冲触发器模块到psbbridges模型中。同步六脉冲触发器模块的输入“alpha_deg”接受“移相角控制信号”,可通过输入模块组中的“常数”模块设置输入,输入Block接受“开放触发控制信号0”;

6)打开元件模块组,复制一个串联RLC元件模块到psbbridges模型中,作为负载,打开参数设置对话框,按要求设置参数(                );

7)打开连接模块组,复制三个“接地”模块到psbbridges模型中,用于系统的连接;

8)打开测量模块组,复制一个多用表测量模块到psbbridges模型中,用来测量通用桥中六个晶闸管的电压和输出负载电压;

9)通过信号线的适当连接后,得到图3-2所示的三相全控整流电路的仿真模型。

 

 

 




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3-2晶闸管三相全控整流电路仿真模型

三相桥式全控整流电路的仿真

打开仿真参数窗口,选择ode23tb算法,相对误差设置为1e-03,开始仿真

时间设置为0,停止仿真时间设置为0.04s,启动仿真。负载分别选择纯电阻、阻感性负载,移相控制角分别选择                                ,得到图3-3的六个晶闸管电压和负载上电压、电流波形。

                 

 

 

 

 

 

 

 

3-3晶闸管三相全控整流电路仿真波形

(四)实验内容及重点、难点

1、熟练掌握SIMULINK界面的打开和使用方法,了解各模块的位置和使用;

2、数练掌握电力系统工具箱各模块的打开和使用;

3、掌握典型电力电子线路的建模和仿真。

四、实验项目学时分配表

  

实 验 项 目

实验类别

 

1

Matlab使用方法和程序设计

验证性

2

2

数据处理

验证性

2

3

SIMULINK仿真

综合性

2

  

 

 

6

五、实验报告格式

实验报告应包含以下基本要素:

1)实验名称;

2)实验应达到目的;

3)实验的基本原理;

4)实验步骤的描述,记载要详细;

5)实验数据的获取方法及数据记录、整理;

6)实验结果的分析及存在问题的讨论。

六、考核方式及成绩评定标准

评定办法

1)依据实验中的表现和实验结果(占50%);

2)依据实验报告的质量(占50%)。

评分标准

优秀:能正确进行实验操作,完成全部实验内容,实验结果正确;

良好:能正确进行实验操作,基本完成全部实验内容,实验结果基本正确;

中等:能基本正确地进行实验操作,基本完成大部分实验内容,实验结果基本正确;

及格:基本能进行实验操作,不能完成大部实验内容,实验结果基本正确;

不及格:不能正确进行实验操作,不能完成实验内容,实验结果不正确。

七、教材及参考书

推荐教材:

MATLAB在电气工程中的应用》,李维波,中国电力出版社,2007.8

参考书目:

[1] MATLAB电力系统设计与分析》(第3版),吴天明,国防工业出版社,2010.7

[2] MATLAB在电气工程与自动化专业中的应用》,王忠礼,中国电力出版社,2007.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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