单机—无穷大电力系统的仿真模型设计论文

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单机—无穷大电力系统的仿真模型设计论文

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摘 要

随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题，依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机—无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网可能遇到的多种故障方面运行的需要。

论文以MATLAB R2009b电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem 搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型，设计得到了在该系统发生各种短路接地故障并故障切除的仿真结果。

本文做的主要工作有：

（1）Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建 （2）系统故障仿真测试分析

通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。

关键字： 电力系统；暂态稳定；MATLAB；单机—无穷大；动态仿真

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Abstract

With the rapid development of power industry, the scale of power system is increasingly large and complex, all kinds of fault, to power plants and power plants and users in a variety of power equipment safety threat, and is likely to lead to the expansion of power system accident, from the technical and safety considering direct electricity experiment was carried out on the possibility is very small, urge electric power simulation are used to solve these problems, according to the power supply system of power grid power circuit model, as a result, paper use MATLAB dynamic simulation software Simulink has set up a simulation model for the single - infinite power system, can satisfy the needs of the running of a fault may encounter a variety of ways.

Paper R2009b with MATLAB toolbox power system as a platform, through SimPowerSyetem set up power system in the operation of the common single - infinity system model, design the various kinds of short-circuit ground fault occurs in the system and simulation results of fault removed.

The main work is:

(1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink (2) Fault simulation test analysis of system

Through examples, if these methods to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for improving the stability of power system has important significance.

Key words Single—infinite; SimPowerSyetem; Short circuit faults; Wavelet transform

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................... 1 ABSTRACT ......................................................................................................................... 3 第 1 章 电力系统稳定性概述 ......................................................................................... 5 1.1 电力系统的静态稳定性 ......................................................................................... 5 1.2 电力系统的暂态稳定性 ......................................................................................... 5 第 2 章 基于MATLAB的电力系统仿真 ...................................................................... 7 2.1 电力系统稳定运行的控制 ..................................................................................... 7 2.2 MATLAB及SIMPOWERSYSTEM简介 ................................................................... 7 2.3 配电网的故障现状及分析 ..................................................................................... 8 2.4 暂态稳定仿真流程 ................................................................................................. 9 第 3 章 单机—无穷大暂态稳定仿真分析 ................................................................... 10 3.1 电力系统暂态稳定性分析 ................................................................................... 10 3.1.1 引起电力系统大扰动的原因 ........................................................................ 10 3.1.2 定性分析 ........................................................................................................ 10 3.1.3 提高电力系统稳定性的措施 ........................................................................ 12 3.2 单机—无穷大系统原理 ....................................................................................... 13 第 4 章 SIMULINK下SIMPOWERSYSTEM模型应用 ......................................... 16 4.1 仿真模型的搭建 ................................................................................................... 16 4.2 运行效果仿真图 ................................................................................................... 17 4.2.1 改变故障模块中的短路类型 ........................................................................ 17 4.2.2 改变系统中的元件参数(改变线路的电阻) ................................................. 20 4.3 加入电容补偿器后的的仿真图 ........................................................................... 22 4.4 小结 ....................................................................................................................... 25 结 论 ................................................................................................................................. 27 致 谢 ................................................................................................................................. 28 参考文献 ............................................................................................................................. 29

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第 1 章 电力系统稳定性概述

1.1 电力系统的静态稳定性

电力系统的静态稳定性是指电力系统受到小干扰后，不发生自发震荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻都受到小的干扰。例如：系统中负荷的小变化；又如架空输电线路因摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化等等。因此，电力系统的静态稳定问题实际就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。

1.2 电力系统的暂态稳定性

电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行情况下突然受到较大扰动后，能否经过暂态过程达到新的稳定状态或恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，一般是指短路故障、突然断开线路或减小发电机出力等。如果受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则电力系统在这种情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能再建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断的变化，因而系统的功率、电流和电压都不断震荡，以致整个系统不再能继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。引起电力系统大扰动的原因很多，归纳起来，主要有以下几种。

一、引起电力系统大扰动的主要原因

（1）负荷的突然变化。如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。

（2）切除或投入系统的主要元件。如切除或投入较大容量的发电机、变压器和较重要的线路引起的大的扰动。

（3）电力系统的短路故障。它对电力系统的扰动最为严重。在短路故障中，其中以三相短路最为危险，引起电力系统的扰动最大，于是系统的暂态稳定性常常遭到破坏。但此种严重故障发生的次数最少，据统计，在高压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的6%~7%左右。

两相接地短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大，其中两相接地短路的危害程度仅次于三相短路。但在一般的高压系统中发生这两种短路的次为23%~24%左右，比三相短路发生的次数要多。

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单相短路在高压系统中发生的次数最多，一般可占70%左右。但单相短路对系统的扰动在短路故障中是最小的，其中瞬时性雷击单相短路又占单相短路的70%左右，它对系统的影响就更小了。

二、暂态过程按时间分为下面三个阶段

（1）起始阶段：指故障后约1s内的时间段。在这期间系统中的保护和自动装置有一系列的动作，例如切除故障线路和重合闸、切除发电机等。但是在这个时间段中发电机的调节系统还来不及起到明显的作用。

（2）中间阶段：在起始阶段后，大约持续5s左右的时间段。在这期间发电机组的调节系统已发挥作用。

（3）后期阶段：中间阶段以后的时间。这时动力设备中的过程影响到电力系统的暂态过程。另外，系统中还将由于频率和电压的下降，发生自动装置切除部分负荷等操作。

三、暂态稳定的分析方法

分析方法：不同于静态稳定问题的分析，不能做线性化处理，暂态稳定问题研究的特点

（1） 暂态稳定性与否和原来运行方式及干扰种类有关。

（2） 系统暂态稳定过程是一个电磁暂态过程和机电暂态过程汇合在一起的复杂的运动过程，它们互相作用、互相影响。

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第 2 章 基于MATLAB的电力系统仿真

电力系统在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地探测出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值[1]。目前，线路保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，同时考虑到电力运行实际情况，在Matlab/Simulink平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。

2.1 电力系统稳定运行的控制

电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰( 如短路故障, 突然增加或减少发电机出力、大量负荷, 突然断开线路等) 后, 各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力, 通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的, 本文以单机—无穷大系统为例, 主要利用matlb软件对单机—无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况,发电机转速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。

2.2 MATLAB及SimPowerSystem简介

MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，由Mathworke公司开发的一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，这大大扩大了MATLAB的应用范围。所以现在的MATLAB已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言，是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。它强大的科学运算与可视化功能，简单易用，开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用开发的基本工具和首选平台[2]。

MATLAB环境下的Simulink 是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是针对电力系统的

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工具箱，从Matlab 6.0开始它被重新命名为SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱，主要用于电力系统电力，电子电路的仿真。随着MATLAB的不断升级，SimPowerSystem也得到了很大的发展。现在，从MATLAB13版的开始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员，结合Simulink的使用，可以仿真电气，机械以及控制系统。使用SimPowerSystem，不需要学习复杂的软件命令，编写软件代码，用户可以专注于物理模型本身，通过与实际电路图非常相似的符号，表示复杂的电网，这有助于大大提高仿真的效率。 2.3 配电网的故障现状及分析

电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。

对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用，因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征,。

电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰(如短路故障，突然增加或减少发电机出力、大量负荷，突然断开线路等)后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。

利用matlb软件对单机—无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况,发电机转速的变化又影响了

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电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。

2.4 暂态稳定仿真流程

由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。Matlab电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphical user interface)等， 为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性．成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。

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第 3 章 单机—无穷大暂态稳定仿真分析

电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。

3.1 电力系统暂态稳定性分析

3.1.1 引起电力系统大扰动的原因

主要有以下几种：

（1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等；

（2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等； （3）发生短路故障。

其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路故障中，单相接地短路故障最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。

3.1.2 定性分析

在正常运行情况下，若原动机输入的机械功率为Pm，发电机输出的电磁功率就与原动机输入的机械功率相平衡，发电机的工作点应由P1和Pm线的交点确定，即

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第 4 章 Simulink下SimPowerSystem模型应用

Simulink由于其能用最小的代价来模拟真实动态系统的运行，依托数百种预定义系统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，依托强健的交互式仿真能力，可以方便调整模型参数设置，而电力系统SimPowerSystem由于使用标准的电气符号、各种模型模块，高精度的仿真结果，优化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分发挥了SPS在电力系统仿真的灵活仿真优势。

4.1 仿真模型的搭建

利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。对原理分析的基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对电力系统仿真设计方法的理解。

本次仿真选出需要用到如下模块： （1）Powerlib电力系统工具箱：

1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相电源）模块

2）Elements 中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相负载RLC并联）模块和以及 Three-Phase Breaker （三相断路器）模块，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模块，Three-Phase Series PLC Load（三相PLC并联负载）模块，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相变压器绕组）模块，Three-Phase PI Section line(三相分布传输线路)模块。

3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（标么标准同步电机）模块，Excitation System（励磁系统）模块，Hydraulic Turbine and Governor（水轮机及调节器）模块

4）powergui 模块

（2）Simulink常用工具箱：Simulink 模块集Commonly Used Blocks （常用模块）下的 Constant（常量)模块，Bus Selector（信号总线选择器），Terminator(信号终结模块)，Scope(示波器模块)，Ground（接地模块）。

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4.2 运行效果仿真图

4.2.1 改变故障模块中的短路类型

（1） 单相短路接地故障

图4.1 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.2 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（2）两相短路接地故障

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图4.3 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.4 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（3）两相短路故障

图4.5 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

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图4.6 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（4）三相短路故障

图4.7 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.8 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

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图4.9 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

图4.10 故障 0.55s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图 结论分析：在故障0.1s后切除故障线路时，发电机的转速随时间的增加而逐渐减小（在0.99-1.01之间变化），趋于稳定值，因此系统是稳定的；当故障后0.55s切除故障线路是（切除时间大于极限切除时间），发电机的转速随时间的增加而增大，系统是不稳定的。

短路故障的类型和发生及切除时间可由三相短路模块(Three-Phase Fault)进行设置。动态仿真时选择ode23tb，并采用略去直流分量和其他复杂滤波分量的Phasors法，可显著地加快仿真速度。

4.2.2 改变系统中的元件参数(改变线路的电阻)

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图4.11 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.12 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.13 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

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图4.14 故障 0.55s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

4.3 加入电容补偿器后的的仿真图

（1）两相短路故障

图4.15 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.16 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

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（2）三相短路故障

图4.17 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.18 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（3）单相短路接地故障

图4.19 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

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图4.20 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（4）两相短路接地故障

图4.21 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.22 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

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图4.23 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

图4.24 故障 0.55s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图 结论分析：在加入电容补偿器后系统的稳定性发生了变化，不论是0.1s还是0.55s的时间内切除故障，发电机的转速随时间的增加而增大。系统不稳定。

4.4 小结

当电力系统发生故障时，希望能快速对系统进行仿真分析以此来分析系统的稳定性。本文运用Mtlab来对单机无穷大系统进行暂态稳定的仿真，针对的是在不同时间内对不同的故障进行图形的比较和在改善系统时在不同时间内不同故障进行图形的比较。未改善的系统，在0.1s内切除故障时，发电机的转速随时间的增大而逐渐减小，趋于稳定值，因此系统是稳定的；当0.55s后切除故障时，发电机的转速随时间的增

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加而增大，系统是不稳定的。而改善的系统无论是在0.1s还是0.55s切除故障，发电机的转速随时间的增加而增大，系统是不稳定的。MATLAB用来对电力系统进行数学仿真，达到对电力系统在各种情形下的动态过程进行研究并选择系统的最佳运行方式等目的。

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结 论

随着现代电力系统的飞速发展，复杂的电力控制系统在技术和安全对电网的要求越来越高，其可能遇到的多种情况正在考验着电力运行的可持续性和稳定性，期间自动化技术的进步正在弥补这这种巨大落差，更好的对电网系统各种故障的检测和分析成为了当前热门的研究课题，更具有非常实用的现实意义。

本论文通过对电力系统暂态稳定性研究领域故障判断分析，以MATLAB/Simulink为电力系统仿真应用平台，基于MATLAB语言的电力系统工具箱，非常方便地搭建了电力系统各种模型，并且将这些模型保存起来，最终建立了较复杂的系统仿真模型。运用小波变换对故障信号进行特征提取，完成了对故障检测点的实时分析和研究，对电力系统运行中易出现的故障问题进行调试和分析，通过仿真运算验证了方法的正确和可行性，总之，利用MATLAB强大的计算功能和编程技术，提高仿真计算的灵活性和效率，为仿真电力系统，分析电力系统提供了一种新的手段。 本次电力系统仿真主要有以下优点：

1）部署成本低，建模效率高，能有效地降低试验风险，并且最大限度的保留了仿真的完整度，通过优化的算法，达到了很高的精度，并且为更加复杂的电力系统提供了研究参考。

2）易用性强，界面友好，操作使用非常方便。可以任意增加相关模块，并且可以定制模块元件或代码，交互式应用最大限度的快速评估不同算法，进行参数优化。 有待进一步研究的工作：

1) 对故障信号的提取过程尚需要进行进一步的研究。比如说故障测距方面，通过对故障的检测，运用各种不同的方法测量出故障发生的具体位置和时间，以此加深对电力系统应用理解。

2) 由于配电电网一般是高压电，仿真用到的模型能否优化使其达到更接近现实情况的匹配，近代直流高压电HDVC系统的模型对仿真的验证有待研究。

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致 谢

时间过得真快，转眼间，已经在本校学习两年多，这两年多时间是我人生中很重要的一段时光，我不仅能够接触到传道授业解惑的良师，还能认识许在多方面比我优秀的同学、朋友。他们不仅能够授我知识、学问，而且从更多方面指导我的人生，使我更加完善自己。这里留下了我求学的足迹，这里见证了我成长的点滴。努力了将近三个月的毕业设计终于要出炉了，在这期间，收获了太多太多，从刚开始的彷徨与困惑，到现在脑海中清晰的设计思路和步骤，离不开老师和同学们的帮助和鼓励！

本次设计是在老师的指导下完成的，从最初我对本次设计的不了解到能够整体把握再到比较顺利的完成本次设计，这一步一步的走来，其中都包含了肖老师耐心的指引和教导。通过本次设计，我从宏观上把握了基于Matlab的电力系统仿真方法，老师让我从简单的单机—无穷大系统入手，进而对电力系统的仿真研究有了一个清晰的思路，和具体的了解！并且在老师细心的指导下，成功得到了MATLAB的电力系统暂态稳定性分析的仿真结果，在切除时间与极限切除时间中发电机转速的变化曲线的不同。这种学习模式的大大提高了学习的自主能动性，发挥了团队合作精神。在此，我向肖老师表示我最诚挚的谢意。

此外还要感谢我们班上的几位同学，在设计的整个过程中，我们相互讨论，也解决了一定的问题，从你们身上我看到了“认真”二字，在无形中也促使我更加用心的完成本次设计。在设计的过程中，也得到了许多同学宝贵的建议，在此一并致以诚挚的谢意。

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参考文献

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