MATLAB/SIMULINK在《电气工程基础》教学中的应用

敖章洪 李建英 杨民生

(湖南文理学院电气与信息工程学院，湖南 常德 415000)

1 引言

我院于2010年开设了“建筑电气与智能化”专业，该专业一门重要的专业基础课[1]是《电气工程基础》。该课程涉及电力系统各种知识，概念多，公式多，计算量大，理论性很强，学生学习起来较难掌握，学习积极性难以提高，学习效果很差。并且由于条件限制，我院欠缺很多大型实验设备，这也给教学活动的顺利实施带来一定影响，因此对《电气工程基础》这门课进行教学改革迫在眉睫，这也符合我校目前应用型转型发展的要求。

MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体，在工科中应用非常广。Simulink是MATLAB的一个交互式动态系统建模、仿真和分析的工具，具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点[2]，广泛应用于线性、非线性、离散、连续及多变量系统的仿真和分析[3]。针对我院实际情况，利用MATLAB/Simulink软件在《电气工程基础》这门课程上运用仿真手段进行辅助教学，便于教学活动的开展，有利于学生的学习。

2 MATLAB在潮流计算中的应用[4-9]

电力系统潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。《电气工程基础》中有关潮流计算方面的内容计算量很大，教学活动不好开展，给学生学习带来很大困难。通过MATLAB可方便快捷地得到所需结果，便于学生理解。以牛顿-拉夫逊潮流计算为例，其计算流程如图1所示。

图1 牛顿-拉夫逊潮流计算流程图

以熊信银主编《电气工程基础》（第二版）第151页例题6-5开式电力网为例说明MATLAB在潮流计算中的应用。开式电网如图2所示，线路额定电压为110kV，如电力网首端电压为118kV，试求运行中全电网的功率和电压分布。各点负荷 为等值电路图如图3所示。

图2 开式电力网

图3 开式电力网等值电路

MATLAB版本选用R2012a，在MATLAB中输入各项已知数据，设定误差精度后运行，经过四次迭代后满足系统要求，求出的节点电压为，功 率 为，可以看出结果与近似法接近，利用MATLAB可以节省大量的计算，更容易激发学生的积极性。

3 Simulink在短路计算中的应用[10-12]

电力系统中短路是指一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况，电力系统中短路故障是出现最多、情况最为严重的一种，对短路故障进行分析是《电气工程基础》这门课程的重点内容之一。短路分析过程复杂，计算公式多，当电力系统较复杂时计算量很大，耗费时间长，通过Simulink进行短路分析可简化计算，直观性强。

这里以变压器空载三相短路为例说明Simulink的应用，供电系统如图4所示，相关参数为发电机G1：50MVA、110kV，保持恒定，Y连接；线路L为100km；变压器T为Yn/d接法，S N=10MVA，U k%=10.5，k=110/11。

图4 供电系统图

在MATLAB版本为R2012a情况下利用Simulink对上述系统进行建模，进入SimPowerSystems工具箱，打开Electrical Sources库，选用Three-Phase Souce模块建立发电机模型，修改Phase-to-Phase rms voltage参数为110e3，Frequency为50，3-phase short-circuit level at base voltage为 50e6，Base voltage为11e3；选用Measurements库下的Three-Phase V-I Measurement模块对母线电压和电流进行测量，参数默认；选用Elements库下的Distributed Parameters Line模块建立线路模型，修改Frequency used for rlc specification为50，其他参数默认；选用Elements库下的Three-Phase Transformer（Two Windings）建立变压器模型，Configuration选项卡下修改Winding 2 connection为Delta（D1），Parameters选项卡下修改Nom inal power and frequency为[10e6,50]，Winding 1 parameters电压改为11e4，Winding 2 Parameters电压改为11e3，其他参数默认，选用Elements库下的Three-Phase Fault模块，修改Parameters选项，勾选A，B，C三相，Transition times为[0.020.04]，其他采用默认值；最后连接各模块，并加入powergui模块，修改仿真结束时间为0.1秒，仿真算法为ode15s，仿真模型如图5所示。

图5 三相短路仿真模型

仿真波形如图6所示：

图6 仿真结果

从图中可以看出，短路瞬间母线电压基本上没有变化，在0.02s发生短路时电流在短路瞬间有很大提升，0.04s短路结束后电流逐渐平稳，与理论分析结果一致。通过修改Three-Phase Fault模块参数，还可以得到单相短路、两相短路的相应波形，这里不再叙述。

4 结语

通过MATLAB/Simulink仿真软件，可加深学生对《电气工程基础》这门课程的理解，掌握这门课程软件设计过程，并可有效地解决《电气工程基础》这门课程实验设备需求量大、仪器设备单个价值高、实验过程较危险等问题，也能提高学生的主观能动性，对学生创新能力和动手能力的培养很有帮助，符合我校目前不断推进的应用型转型发展的要求。