MATLAB在电气工程及其自动化中的应用
课程设计
1.1 电气工程及其自动化专业概论
电气工程及其自动化涉及电力电子技术，计算机技术，电机电器技术与网络控制技术，机电一体化技术等诸多领域，是一门综合性较强的学科，其主要特点是强弱电结合，机电结合，软硬件结合，电工技术与电子技术相结合，元件与系统相结合，使学生获得电工电子、系统控制、电气控制、电力系统自动化、电气自动化装置及计算机应用技术等领域的基本技能。
1.2 MATLAB简介
MATLAB是Matrix&Laboratory两个词的组合，译为矩阵实验室。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面向科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境，主要包括MATLAB、MATLAB工具箱和Simulink三大部分。
MATLAB软件是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多，且MATLAB吸收了Maple等软件的优点，使它成为一个强大的数学软件。同时，在新版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。MATLAB软件主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
1.3 SimPowerSystems模块库简介
Simulink是MATLAB软件中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以采用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink的电力系统模块库（SimPowerSystems）是专用于RLC电路，电力电子电路，电机传动控制和电力系统仿真的模块库，它包含了各种交/直流电源，大量电气元器件和电工测量仪表以及分析工具等。利用这些模块可以模拟电力系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析。
SimPowerSystems工具箱包含电源模块库（Electrical Sources）、元件模块库（Elements）、电力电子模块库（Power Electronics）、电机模块库（Machines）、测量模块库（Measurements）、应用库（Application Libraries）、接口元件库（Interface Library）、控制和测量元件库（Control and Measurements Libraries）以及电源柜（Powergui）九大部分组成，如图1-1所示。每一部分又包括许多相应的电力设备模块。
图1-1 SimPowerSystems工具箱组成
电源模块库包括直流电压源（DC Voltage Source）、交流电压源（AC Voltage Source）、交流电流源（AC Current Source）、可控电压源（Controlled Voltage Source）、可控电流源（Controlled Current Source）、三相电源（Three-Phase Source）三相可编程电源（Three-Phase Programmable Source）和电池（Battery），如图1-2所示。这一部分可以用来仿真交直流电源。
图1-2 电源模块库组成
元件模块库包括基本元器件、传输线、断路器和变压器等基本模块，如图1-3所示。其中基本元器件包括串联RLC分支模块（Series RLC Branch）、串联RLC负载模块（Series RLC Road）、并联RLC分支模块（Parallel RLC Branch）、并联RLC负载模块（Parallel RLC Road）、三相串联RLC分支模块（Three Phase Series RLC Branch）、三相串联RLC负载模块（Three Phase Series RLC Road）、三相并联RLC分支模块（Three Phase Parallel RLC Branch）、三相并联RLC负载模块（Three Phase Parallel RLC Road）、三相谐波滤波器（Three Phase Harmonic
Filter）、互感器（Mutual Inductance）、三相互感器（Three-Phase Dynamic Load）、过压抑制器（Surge Arrester）、三相动态负载（Three Phase Harmonic Filter）、地（ground）、节点（node）以及连接端口（Connection Port）。传输线包括Pi传输线（Pi Section Line）、分布参数传输线（Distributed Parameters Line）以及三相Pi传输线（Three-Phase Pi Section Line）。断路器包括断路器（Breaker）、三相断路器（Three-Phase Breaker）以及三相故障定位器（Three-Phase Fault）。变压器包括线性变压器（Linear Transformer）、饱和变压器（Saturable Transformer）、多绕组变压器（Multi-Winding Transformer）、三相变压器（双绕组）（Three-Phase Transformer(Two Windings)）、三相变压器（三绕组）（Three-Phase Transformer(Three Windings)）、异相变压器（Phase-Shifting Transformer）、三相变压器（12个接头）（Three-Phase Transformer(12 Terminals)）、接地变压器（Grounding Transformer）、三相变压器电感矩阵型（双绕组）（Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type(Two Windings)）以及三相变压器电感矩阵型（三绕组）（Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type(Three Windings)）。这部分可以仿真交流输电线装置。
图1-3 元件模块库组成
电力电子模块库包括电力电子器件和脉冲信号发生器（Pulse & Signal Generators）两部分，如图1-4所示。电力电子器件包括二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）、细化晶闸管（Detailed Thyristor）、GTO、IGBT、IGBT /二极管、MOS管（MOSFET）、理想开关（Ideal Switch）、通用桥（Universal Bridge）以及三电平桥（Three-Level Bridge）。
图1-4电力电子模块库组成
电机模块库包括同步电机、异步电机、直流电机（DC Machine）、电动机以及原动机与调速器，如图1-5所示。同步电机模型包括简化的同步电机归一化单元（Simplified Synchronous Machine pu Units）、同步电机归一化基本模型（Synchronous Machine pu Fundamental）、同步电机归一化标准模型（Synchronous Machine pu Standard）、简化的同步电机国际单位单元（Simplified Synchronous Machine SI Units）、同步电机国际单位基本模型（Synchronous Machine SI Fundamental）以及永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine）。异步电机模型包括异步电机归一化单元（Asynchronous Machine pu Units）、异步电机国际单位单元（Asynchronous Machine SI Units）、单相异步电机（Single Phase Asynchronous Machine）。电动机模型包括开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）和步进电机（Stepper Motor）。原动机与调速器模型包括通用电力系统稳定器（Generic Power System Stabilizer）、多带电力系统稳定器（Multi-Band Power System Stabilizer）、励磁系统（Excitation System）、附加的励磁系统（Additional Excitation System）、水轮机和调速器（Hydraulic Turbine and Governor）以及蒸汽机和调速器（Steam Turbine and Governor）。
图1-5电机模块库组成
测量模块库主要包括电流测量（Current Measurement）、电压测量（Voltage Measurement）、三相电压电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）、阻抗测量（Impedance Measurement）、万用表（Multimeter）、负载流量总线（Load Flow Bus）以及附加的测量模块，如图1-6所示。
图1-6测量模块库组成
附加的测量模块库如图1-7所示。它包括单相测量（平均值（Mean）、有效值（RMS）、总谐波畸变（THD）、傅立叶变换器（Fourier）、功率（Power）以及锁相环驱动的基值（Fundamental（PLL-Driven）））、三相测量（序列分析仪（Sequence Analyzer）、锁相环驱动的正向序列（Positive- Sequence（PLL-Driven））以及功率以及向量测量（平均向量（Mean（Phasor））、序列分析仪向量、功率向量（Power（3ph.Phasor））测量））。
图1-7附加的测量模块库组成
应用模块库主要包括电气驱动模块库、柔性输电模块库以及可再生能源模块库，如图1-8所示。其中，可再生能源模块库包括风能发电系统。
图1-8应用模块库组成
电气驱动模块库包括直流驱动（DC Dives）、交流驱动（AC Drives）、移相与减速器（Shafts and Speed reducers）以及特别电源（Extra Sources），如图1-9所示。