电力拖动系统动态性能仿真数值计算
作者：王 旭
来源：《科技视界》 2014年第28期
王 旭
（电子科技大学成都学院电子工程系，四川 成都 611731）
【摘 要】本文阐述了电力系统处于稳定状态的重要性。以一个拖动系统为例，构建了Simulink模型，采用单位阶跃信号输入进行数值计算。最终，获取了系统的动态性能数值模拟结果，通过调整增益值，得到了满足性能要求的系统参数。
【关键词】电力拖动系统；Simulink模型；仿真
电力拖动系统是一个综合性的系统，它包含了发电、调压、供电、配电以及用电等多个环节，以便达到生产、生活上驱动设备的目的［1］。目前对于系统所有功能的实现，均采用自动控制来操作，即实现无人或少人操作。所以，在整个运行流程中，各个模块均设置了与之对应的自动控制元件。由此可见，电力拖动系统是一个非常复杂的系统。这个特点就决定了系统运行之后，在检修和定期维护上所做的工作非常纷繁复杂。为保证电力系统能够长期、高效稳定地运行，首先在设计环节就必须保证系统的高质量和高稳定性。因此，对设计好的系统进行数值模拟，有助于提前预判系统的性能，并适时调整参数，使其在理论上达到一种性能优越的状态。综上所述，本文以某简单的电力系统为计算对象，构建其Simulink数学模型，进行数值模拟。最终，计算出了系统的动态性能曲线，并通过调整使其达到了最优状态。
1 电力系统分析
本文以一个电力拖动系统为计算对象，进行数值模拟计算。在建立仿真模型之前，首先必须将问题具体化，即确定系统的仿真阶段，通常情况下，电力拖动系统分为两个过程：（1）动态过程；（2）稳态过程。系统进入稳态过程后，一切都按照设定参数运行，故该阶段出现问题的可能性很小。而动态阶段，常发生振荡，因此绝大部分故障，均出现在此环节。基于上述分析，只需对系统的动态过程进行数值计算即可。其次，分析电力系统的组件（如给定元件、信号元件、反馈元件等），理清各部件之间的信号转换关系，熟悉每个组件的拉氏变换式、微分方程、传递函数等。已知在需要计算的电力拖动系统中，部分部件包括：
(1)电源，系统的线电压为220V ,频率为50Hz；
(2)与电源相等值的阻抗；
(3)串联电容器；
(4)并联电抗器。
2 电力拖动系统数学模型的建立
基于上述系统结构的组成分析，便可以建立该电路系统的数学计算模型，该环节可以分为3个步骤：
（1）典型环节的选择［２］。该步骤是直接在Simulink模块中进行的。主要是对上述系统的结构元件进行定义，如：给定元件的确定、典型输入信号的定义（如阶跃信号、斜坡信号、
正弦信号等）、系统特性的分析（如选择开环控制系统还是闭环控制系统）等，然后在Simulink模块中，选择Sources、Math Operations、Continuous等函数，然后逐一拖拽入Simulink的运行模块之中。
（2）关联各相邻模块。系统特性确定之后，把握各组件之间的信号传递关系，分别对相邻元件进行关联，具体的操作方式是用信号线连接相邻模块。
（3）设定模块参数。各个元件在型号确定后，便存在其特有的传递函数模型。本计算实例中，系统组件已经选定。所以，其拉普拉斯变换式也是确定的，故只需在各个组件模块内，仅仅改变每阶函数的系数即可。
基于上述3个步骤，结合系统的特征，拟采用闭环控制系统，阶数为高阶。建立的Simulink数学计算模型如图1所示。
图1 电力拖动系统数学计算模型
3 数值计算
通常情况下，输入信号选择阶跃输入时，系统会处于最不利的工作状态，即最严峻状态。因此，如果系统在该状态下，仍然能表现出优越的性能指标，对于整个系统而言，均能够达到稳定的状态。此时，可以确定系统的参数设计是满足要求的。所以，典型输入信号选择单位阶跃输入。
因为系统的各组件的类型、铭牌参数均为已知。所以，系统各模块的传递函数表达式也就全部选定了。此外，由于该系统没有采用额外的控制器来调节。因此，只需要调整增益系数K直，即可达到调整系统动态性能的目的。首先，根据经验试取增益系数［３］：K=4，再对图1中的各个模块的传递函数，进行系数设置，计算结果如图2所示。
图2 K=4电力拖动系统动态过程
如图2所示，整个系统在动态过程中，均处于等值正弦波状态。而系统稳定运行的依据，是波形曲线呈现逐渐收敛最终达到最小值的特点。所以可以判断，该电力拖动系统目前处于临界稳定状态，未达到预期设想。因此，必须对增益系数进行调整。通常情况下，增益系数越小，系统收敛性能越好，故将增益系数调整至：K=2，再次进行数值计算，仿真结果如图3所示。
图3 K=2电力拖动系统动态过程
如图3所示：
（1）电力拖动系统的动态性能曲线从开始到后面，呈振荡逐渐衰减的趋势，最终达到稳定状态。
（2）观测动态性能的各项指标。首先，调整时间参数ts，在动态性能过程，该参数的取值大约在40s左右，即为整个动态振荡过程的持续时间，该指标较短，符合要求。其次，最大超调量参数σ％，电力拖动系统的最大超调量：σ％≈２５％，根据国家定义的标准［３］，理论上的超调量控制范围：２.５％～２５％。由此可知，该参数基本满足设计要求。
综上所述，在增益值调整至Ｋ＝２时，系统的动态性能曲线收敛，各项参数均在合理范围内，故可以认为：该系统的设计是符合标准的。
4 结论
本文以一个简单的电力拖动系统为例，首先对系统的组成构件进行了分析，并确定了系统的控制类型。其次，建立了电力系统的仿真数学模型，分别取不同的增益值Ｋ，进行数值计算。通过调整增益后的计算结构可知，系统能够较为稳定地运行，所有的动态指标参数良好，设计满足要求。为后续整个系统的继续优化设计，奠定了一个良好的基础。
【参考文献】
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［责任编辑：曹明明］
