電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設計 文獻綜述 開題報告】工廠供電系統(tǒng)仿真和諧波分析----三相全橋仿真和諧波分析

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1、電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設計+文獻綜述+開題報告】工廠供電系統(tǒng)仿真和諧波分析----三相全橋仿真和諧波分析 （20_ _屆） 本科畢業(yè)設計 工廠供電系統(tǒng)仿真和諧波分析----三相全橋仿真和諧波分析 摘 要 隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,越來越多的大容量可控硅整流設備、各種變流器和變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用。這些非線性負載一方面向電網(wǎng)注入諧波電流,另一方面又是工廠供電系統(tǒng)中的終端用戶。這些諧波電流進入國家電網(wǎng)，嚴重威脅著用電安全，并消耗大量電能。本文通過對三相橋式全控整流電路帶直流電動機負載的仿真，調(diào)整設定供電電源參數(shù)、

2、直流電動機參數(shù)及其他相關參數(shù)后輸出有關信號波形。在仿真的基礎上，進行諧波分析，并利用傅立葉計算分析出各諧波的參數(shù)。最后設計一個簡單的GUI（圖形用戶界面），用戶可以通過鍵盤輸入相關的參數(shù)，通過鼠標選擇、激活這些對象，就可得到諧波的各個參數(shù)。 關鍵詞：諧波，仿真，傅立葉，GUI Electric power system simulation and harmonic analysis --- three-phase full-bridge simulation and harmonic analysis Abstract With the continuous develo

3、pment of power electronic technology, more and more large capacity silicon-controlled rectifier equipment, various converter and inverter in industrial production has been widely used. These nonlinear load on the one hand to the grid infuse harmonic current, on the other hand is the end user factory

4、 power supply system. The state grid, the harmonic current into a serious threat to electric safety, and consume large amounts of electricity. This article through to three-phase bridge type all control with rectifier circuit for dc load simulation, adjust the power supply, the parameters, dc machin

5、es parameters and other related parameters related after output signal waveform. On the basis of simulation, harmonic analysis, and by using Fourier analysis parameters of the various harmonic. Finally design a simple GUI, users can through the keyboard input relevant parameters, through the mouse s

6、election, activate these objects, can get harmonic various parameters. Keywords: harmonic，simulink，fourier，GUI目錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒論 1 1.1 諧波的基本概念 1 1.2 諧波產(chǎn)生的原因 2 1.3 國家諧波標準 2 2 MATLAB電力系統(tǒng)仿真簡介 4 2.1 MATLAB特點 4 2.2 Simulink工具箱 4 2.3 SimPowerSystems電力系統(tǒng)模塊庫 5 3 工廠供電系統(tǒng)電路仿真 6 3.1 三相橋式全

7、控整流電路簡介 6 3.2 整流電路對電網(wǎng)的影響分析 6 3.3 電路的仿真 7 3.3.1 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設置 7 3.3.2 系統(tǒng)的仿真參數(shù)設置 14 3.3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及分析 15 3.3.4 小結(jié) 17 4 傅立葉計算及分析 18 4.1 利用離散傅立葉進行諧波分析原理 18 4.2 數(shù)據(jù)采集 20 4.3 傅立葉分析 21 4.4 供電質(zhì)量分析 22 5 GUI設計 23 5.1 GUI設計 23 5.1.1 設計原則 23 5.1.2 設計忌諱 24 5.1.3 設計步驟 25 5.2 使用GUIDE創(chuàng)建GUI對象 25 5.2.1

8、 啟動GUIDE 25 5.2.2 添加控件組件 26 5.2.3 設置控件組件的屬性 26 5.2.4 編寫相應的程序代碼 27 5.2.5 運行GUI對象 28 5.3 小結(jié) 29 結(jié)論 30 參考文獻 31 致謝 32 附錄 33 附錄Ⅰ 33 附錄Ⅱ 34 附錄Ⅲ 35 附錄Ⅳ 36 1 緒論 “諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。19

9、45年J.C.Read發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經(jīng)典論文。 到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，發(fā)表了有關變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設備諧波的標準和規(guī)定。 我國對諧波問題的研究起步較晚。吳競昌[1]等人1988年出版的《電力系統(tǒng)諧波》一書是我國有關諧波問題較有影響的著作。

10、夏道止[2]等人1994年出版的《高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波》則對諧波分析和一只提出了一些優(yōu)化算法。而張直平[6]2001年出版的《城市電網(wǎng)諧波手冊》則是一本內(nèi)容廣泛又結(jié)合實際的工具書。至于準同步采樣算法[12]則是由戴先中首先提出，其后，準同步采樣就被用于諧波測量。 1.1諧波的基本概念 國際上公認的諧波[1]含義是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率為基波頻率的整數(shù)倍?！? 在中華人民共和國國家標準中，諧波的定義是：“諧波是對周期性的交流量進行傅立葉級數(shù)分解，得到的頻率大于1的整數(shù)倍分量”。從定義中可以看到：（1）諧波次數(shù)必須是個正整數(shù)。例如我國電力系統(tǒng)的額定

11、頻率是50Hz，則n次諧波的頻率為n×50Hz，有些國家電力系統(tǒng)的額定頻率為60Hz，則其基波頻率為60Hz，n次諧波的頻率為n×60Hz。（2）間諧波、次諧波和分數(shù)諧波不屬于以上定義的諧波范圍。按照IEC（International Electrotechnical Commission）有關文件中定義的間諧波（inter-harmonics）是指頻率不是基波頻率的整數(shù)倍的諧波分量；次諧波（sub-harmonics 為頻率低于基波頻率的間諧波；分數(shù)次諧波（fractional-harmonics）則是指頻率不是基波頻率整數(shù)倍的分量。由于間諧波、次諧波和分數(shù)諧波的頻率都不是基波頻率的整數(shù)倍，

12、所以不應列入諧波的范圍，本文將不討論這類諧波。 1.2諧波產(chǎn)生的原因 向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源。電網(wǎng)中的諧波來自于3個方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波三是用電設備產(chǎn)生的諧波（1-1） 圖1-1　三相整流裝置原理接線圖 可見交流側(cè)電流含有諧波, 諧波次數(shù)為 6K±1 次, 各次諧波含有率為1/n。 電力系統(tǒng)所指的諧波是穩(wěn)態(tài)的工頻整數(shù)倍數(shù)的波形, 電網(wǎng)瞬時變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇; 諧波與不是工頻整倍數(shù)的次諧波 頻率低于工頻基波頻率的分量

13、和分數(shù)諧波 頻率非基波頻率整倍數(shù)的分數(shù) 有定義上的區(qū)別。 1.3國家諧波標準 我國諧波國家標準（GB/T14549-93 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》是國家技術監(jiān)督局于1993年7月31日發(fā)布，1994年3月1日起實施的。制定諧波國家標準的目的是把公用電網(wǎng)的諧波量控制在允許范圍內(nèi)，以保證供電電能質(zhì)量，防止諧波對電網(wǎng)和用戶的各種電氣設備造成危害，保證電網(wǎng)及用戶安全經(jīng)濟運行。標準適用的范圍是交流50Hz、110KV及以下的公用電網(wǎng)及其供電的電力用戶。對于220KV電網(wǎng)及其供電的電力用戶，可參照標準對110KV電網(wǎng)的規(guī)定執(zhí)行。 表1-1 各級電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的電壓限值 2 MATLAB電力系統(tǒng)仿真

14、簡介 MATLAB MATrix LABoratory,即矩陣實驗室 是美國Mathworks公司1984年推出的高性能的數(shù)值計算和可視化軟件產(chǎn)品,歷經(jīng)20多年的發(fā)展與競爭,現(xiàn)已成為國際公認的優(yōu)秀的工程應用開發(fā)環(huán)境。MATLAB 是一種數(shù)值計算型科技應用軟件, 它集科學計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像處理等于一體, 具有極高的編程效率, 而且還可方便地產(chǎn)生各種信號, 進行各種變換、統(tǒng)計。 在科學技術飛速發(fā)展的今天,計算機已應用到人類生活的各個方面。利用計算機對控制系統(tǒng)進行仿真和分析, 是目前進行控制系統(tǒng)設計的重要方法。MATLAB 作為面向科學與工程計算的高級語言, 由于其強大的功

15、能, 已在控制系統(tǒng)設計中扮演著越來越重要的角色。電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究不能在實驗室進行的電力系統(tǒng)運行模擬得以實現(xiàn)。但在判定一個電力系統(tǒng)設計的可行性時，都可以首先在計算機上進行動態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點是可行、簡便 、經(jīng)濟。 2.1 MATLAB的特點 Matlab是目前非常流行的具有很強科學計算和圖形界面的軟件系統(tǒng)，在工程技術領域已得到了廣泛應用。MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學函數(shù)庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應用程序接口（API）五大部分構成。使用Matlab軟件進行電力系統(tǒng)數(shù)字仿真，具有以下突出優(yōu)勢： 1 電力系統(tǒng)

16、仿真工具箱（Simpower）功能強大，工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學模型，并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建適合的元件模型。 2 強大的Matlab平臺。Matlab提供的信號處理工具箱（Signal Processing Toolbox）、數(shù)字信號處理模塊（DSP Block 、濾波器設計工具箱（Filter Design Toolbox）、小波分析工具箱（Wavelet Toolbox）和神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱（Neural Network Toolbox）,為經(jīng)過電力系統(tǒng)仿真后的數(shù)據(jù)提供了功能齊全的分析手段。 3 友好的界面。從電力系統(tǒng)仿真到數(shù)值計算、

17、圖形處理，再到信號分析，Matlab提供的不僅僅是各類問題的解決方案，更重要的是這些技術的使用變得尤為輕松簡單。 2.2 Simulink工具箱 Simulink是一個交互式動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析圖形環(huán)境，可用于基于模型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。Simulink它具有兩個顯著的功能：simu（仿真）與link（鏈接），可以針對控制系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等進行系統(tǒng)建模、仿真和分析等工作。具有模塊化、可重載、可封裝，面向結(jié)構圖編程及可視化等特點，可大大提高系統(tǒng)仿真和可靠性；同時進一步擴展了MATLAB的功能，可實現(xiàn)多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink提供了友好的圖形用戶界面（GUI

18、），模型由模塊組成的框圖來表示，用戶建?？赏ㄟ^簡單的單擊和拖動鼠標的動作就能完成。Simulink的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊，其中有連續(xù)系統(tǒng)（Continuous）、離散系統(tǒng)（Discrete）、非線性系統(tǒng)（Nonlinear）等幾類基本系統(tǒng)構成的模塊，以及連接、運算模塊。而輸入源模塊（Sources）和接收模塊（Sinks）則為模型仿真提供了信號源和結(jié)果輸出設備。 2.3 SimPowerSystems電力系統(tǒng)模塊庫 MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊PSB Power System Blockset 是一種針對電氣系統(tǒng)的可視化建模與仿真工具,可用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電

19、力傳輸?shù)冗^程的仿真,電力系統(tǒng)模塊PSB在Simulink環(huán)境下使用,通過點擊和拖拉等操作,可以很快的構建系統(tǒng)的仿真模型。 Matlab PSB 以Simulink 為運行環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)得仿真模型,它主要由6 個子模塊庫組成： 1 電源模塊庫:包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源、可控電流源等; 2 基本元件模塊庫:包括串聯(lián) 并聯(lián) RLC/ 負載/ 支路、變壓器等; 3 電力電子模塊庫: 包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET 和理想開關等; 4 電機模塊庫:包括勵磁裝置、異步電動

20、機、同步電動機等; 5 測量儀器庫:包括電流測量和電壓測量； 6 連接模塊庫。 在這6個基本模塊庫的基礎上，根據(jù)需要還可以組合、封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到所需模塊庫中去，為電力研究者帶來了更大的便利。 3 工廠供電系統(tǒng)電路的仿真 對三相橋式全控整流電路帶直流電動機負載進行仿真主要使用SimPowerSystems工具箱，建立好合適的仿真模型后通過設定直流電動機負載的參數(shù)、供電電源參數(shù)以及相關參數(shù)后輸出有關信號波形序列。 對三相橋式全控整流電路帶直流電動機負載進行仿真的系統(tǒng)由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。

21、3.1 三相橋式全控整流電路簡介 可控整流電路基本可分為單相可控整流電路、三相可控整流電路以及由此發(fā)展來的大功率6相、12相整流電路等幾類。單相可控整流電路只適用負載功率較小的場合，當負載功率較大時，考慮到三相負載的平衡，應采用三相可控整流電路。三相可控整流電路也分為三相半控整流電路和三相全控整流電路兩類。三相半控整流電路一般只采用三個晶閘管，只需要三套觸發(fā)電路，不需要寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)，因此在要求不高的場合中，可采用三相半控整流電路。本課題要求適應負載的范圍比較寬，所以采用三相橋式全控整流電路。 三相橋式全控整流電路是由一組共陰極的三相半波可控整流電路與一組共陽極的三相半波可控整流電路串

22、聯(lián)而成，控制角完全相同，在感性負載時有： 3-1 輸出整流電壓的波形是兩組半波整流電壓的波形疊加。通過改變晶閘管的控制角，可以獲得的直流電壓。控制角的改變范圍為。 由于整流電路輸出電壓的波形是脈動的，所以輸出電流的波形也是脈動的，可以看成一個恒定的直流分量和一個包含高頻成分的交流分量組合。因為負載只需要直流分量，為了消除負載電流中的交流分量，應在電樞回路中串聯(lián)一個平波電抗器，保證整流電流的波形在較大范圍內(nèi)比較光滑。對于直流電動機負載，過大的交流分量會使電機的換相惡化和損耗增大，因此應該在直流側(cè)串聯(lián)平波電抗器，使輸出電流的波形比較光滑。 3.2 整流電路對電網(wǎng)影響分析

23、 隨著整流裝置容量的不斷增大和技術水平的不斷提高，各工業(yè)部門應用的整流裝置數(shù)量的快速增長，整流裝置對電網(wǎng)以及電網(wǎng)上的其他負載的危害也在不斷加大。 在整流電路中，變壓器元件的電流在大多數(shù)情況下，即使在最理想的情況下也是一定形狀的方波或階梯波，電流的波形和幅值取決于整流電路的形式和負載電流的平均值，也與控制角有關，高次諧波電流會引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，這個畸變的電壓波形會影響電網(wǎng)上的其他負載，因此必須予以處理。 抑制諧波措施大致有一下幾種方法： 1 增加整流電路的相數(shù)，可知諧波中最低次的頻率在不斷增高，其幅值也越來越小，能夠顯著減少諧波的影響； 2 在整流裝置輸入端

24、使用LC濾波器進行濾波； 3 減小控制角。 各種晶閘管和其他電力電子器件的迅速發(fā)展與廣泛應用，對于各個工業(yè)部門提高生產(chǎn)技術水平、改善生產(chǎn)過程和提高經(jīng)濟效益都有很大的作用。但是必須同時看到，隨著各種電力電子設備應用數(shù)量的不斷增大，電網(wǎng)中諧波的含量大大增加，造成了電力系統(tǒng)污染嚴重。 變流裝置實質(zhì)上是一個非線性系數(shù)，交流側(cè)電流是變流裝置對直流電流進行調(diào)制的結(jié)果，直流側(cè)電壓是變流裝置對交流電壓進行調(diào)制的結(jié)果。兩個結(jié)果相互作用，變流裝置兩端的高次諧波就是在這種情況下產(chǎn)生的。 3.3 電路仿真 3.3.1 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設置 1 主電路的建模和參數(shù)設置 三相橋式全控整流電路

25、的主電路由三相對稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機、同步6脈沖觸發(fā)器、示波器等部分組成。 ① 三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設置 首先從電源模塊組中選取三個交流電壓源模塊，并將模塊標簽分別改為“Va”、“Vb”、“Vc”，即為A相、B相、C相，然后從連接器模塊組中選取“Ground”元件和“Bus Bar”元件進行連接。雙擊A相交流電壓源圖標，打開電壓源參數(shù)設置對話框，在A相交流電源參數(shù)設置中，幅值取311.13V，初相位設置成0°，頻率為50Hz，其他為默認值，如圖3-1所示。B、C相交流電源參數(shù)設置方法與A相基本相同，除了將初相位設置成互差120°外，其他參數(shù)與

26、A相相同。由此可得到三相對稱交流電源。 圖3-1 A相電源參數(shù)的設置 ② 晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設置。 首先從電力電子模塊組中選取“Universal Bridge”模塊，并將模塊標簽改為“晶閘管整流橋”，然后雙擊模塊圖標，打開SCR整流橋參數(shù)設置對話框，參數(shù)設置如圖3-2所示。當采用三相整流橋時，橋臂數(shù)取3，A、B、C三相交流電源接到整流橋的輸入端，電力電子元件選擇晶閘管。參數(shù)設置的原則如下，如果是針對某個具體的交流裝置進行參數(shù)設置，對話框中的Rs、Cs、Ron、Lon、Vf應取該裝置中晶閘管元件的實際值，如果是一般情況，不針對某個具體的變流

27、裝置，這些參數(shù)可先取默認值進行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認可這些設置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設置原則對其他環(huán)節(jié)的參數(shù)設置也是適用的。 圖3-2 晶閘管整流橋參數(shù)設置 ③ 平波電抗器和電阻的建模和參數(shù)設置。 首先從元件模塊中選取“Series RLC Branch”模塊，并將模塊標簽改為“平波電抗器”，然后打開平波電抗器參數(shù)設置對話框，參數(shù)設置如圖3-3所示，平波電抗器的電感值和電阻的阻值是通過仿真試驗后得到的優(yōu)化參數(shù)。 圖3-3 電源內(nèi)阻參數(shù)設置

28、④ 直流電動機的建模和參數(shù)設置。 首先從電動機系統(tǒng)模塊組中選取“DC Machine”模塊，并將模塊標簽改為“直流電動機”。直流電動機的勵磁繞組“F+―F-”接直流恒定勵磁電源，勵磁電源可以從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數(shù)設置為220V，電樞繞組“A+―A-”經(jīng)平波電抗器和電阻接晶閘管整流橋的輸出，電動機經(jīng)TL端口接恒轉(zhuǎn)矩負載。 電動機的參數(shù)設置步驟如下，雙擊直流電動機圖標，打開直流電動機的參數(shù)對話框，直流電動機的參數(shù)設置如圖3-4所示。參數(shù)設置的原則與晶閘管整流橋相同。 圖3-4 直流電動機參數(shù)設置 ⑤ 同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設置。 同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6

29、脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從附加控制子模塊組獲得。6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源的任務是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。輸入端Block為觸發(fā)器模塊的使能端，用與觸發(fā)器模塊的開通與封鎖操作，觸發(fā)器開關信號為“0”時，開放觸發(fā)器，開關信號為“1”時，封鎖觸發(fā)器。“alpha_deg”是移相控制角信號輸入端，單位為度（°）。該輸入端可與“常數(shù)”模塊相連，也可與控制系統(tǒng)中的控制器輸出端相連，從而對觸發(fā)脈沖進行移相控制。輸入端AB、BC、CA是同步線電壓的輸入端，同步線電壓就是連到整流橋的三相交流電壓線電壓。本設計中的移相控制電壓觸發(fā)脈沖是從60°開始的，因為觸發(fā)脈沖要與三相交

30、流電源的線電壓同步，必須將角度減去60°才能與三相交流電源的線電壓同步（Uct與Ua同相位，Uab相位落后Uct 60°）。 同步6脈沖觸發(fā)器參數(shù)設置對話框如圖3-5所示，在該例中設置同步電壓頻率為50Hz，脈沖寬度為10°。 圖3-5 同步脈沖觸發(fā)器參數(shù)設置 ⑥ 波形顯示模塊建模數(shù)設置 首先從電力電子模塊組中選取“scope” 模塊，“Demux” 模塊和“Multimeter”模塊，將它們連接起來，如圖3-6所示。 圖3-6 波形顯示模塊 雙擊“scope”模塊圖標，打開示波器的波形顯示圖，在工具欄點擊，打開示波器參數(shù)對話框，參數(shù)設置如圖3

31、-7所示。這里可以設置顯示波形數(shù)目，時間范圍等，根據(jù)自己的要求進行修改。 圖3-7 示波器參數(shù)設置 雙擊“Demux”模塊，打開參數(shù)對話框，如圖3-8所示。根據(jù)示波器顯示波形數(shù)目的多少進行設置。 圖3-8 Demux參數(shù)設置 雙擊“Multimeter”模塊，打開對話框，如圖3-9所示。電氣元件框中顯示可測量的電氣量，根據(jù)仿真的要求，把需要測量的量添加到右側(cè)的被選測量框中。 ⑦ 其他附加模塊 如在電源側(cè)加電阻，作為線路上的電阻。電源兩端的電壓需用電壓表測量，電壓表直接接示波器，就能觀察電壓波形。 圖3-9 萬用表元件參數(shù)設置 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有一個給定環(huán)節(jié)，它可以

32、輸入源模塊組中選取“Constant”模塊，并將模塊標簽改為“給定信號”，然后雙擊該模塊圖標，打開參數(shù)設置對話框，將參數(shù)設置為500N/m。參數(shù)為500 N/m，諧波在電源側(cè)的影響較明顯。實際調(diào)速時，給定信號是在一定范圍內(nèi)變化的，我們可通過仿真實踐，確定給定信號允許的變化范圍。 將主電路和控制電路的仿真模型按照晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關系進行模型連接，即可得圖3-10所示的三相橋式全控整流電路帶直流電動機負載的仿真模型。 圖3-10 三相橋式全控整流電路仿真模型 3.3.2 系統(tǒng)的仿真參數(shù)設置 在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，進行“configura

33、tion Parameters”設置，如圖3-11所示。 圖3-11 仿真參數(shù)設置 單擊“configuration Parameters”菜單后，得到仿真參數(shù)設置對話框，參數(shù)設置如圖3-12所示，仿真中選擇的算法為ode23。由于實際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一種算法，可通過仿真實踐進行比較選擇。仿真“Start time”一般設為0，“Stop time”根據(jù)實際情況而定，這里取10s，因為電動機的啟動過程很慢，需要一段時間后才能在恒定速度下轉(zhuǎn)動。 圖3-12 仿真參數(shù)設置對話框 3.3.3 系統(tǒng)的仿

34、真參數(shù)設置 當建模和參數(shù)設置完成后，即可開始進行仿真。在MATLAB的模型窗口點擊仿真按鈕，系統(tǒng)開始仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果。雙擊示波器，通過示波器模塊觀察仿真輸出波形，如圖3-14（a）、（b）、（c）、（d）所示。 圖3-13 a 三相電源電壓波形 圖3-13 b 晶閘管電壓波形 圖3-13 c 電動機電樞電壓波形 圖3-13 d 直流電動機各參數(shù)波形 從圖3-14可以得出以下結(jié)論： ① 從觸發(fā)角時的情況可以總結(jié)出三相橋式全控整流電路的一些特點：每個時刻均需2個晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，其中1個晶閘管是共陰極組的，1個是共陽極組的，且不能為同1相的晶

35、閘管。導通順序為VT1―VT2―VT3―VT4―VT5―VT6，晶閘管導通時，它就不承受壓降。 ② 6觸發(fā)脈沖按VT1―VT2―VT3―VT4―VT5―VT6的順序，相位依次差60°；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次相差120°。 3.3.4 小結(jié) 在系統(tǒng)建模時，將其分成主電路和控制電路兩部分分別進行。在對晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等裝置進行參數(shù)設置時，如果針對某個具體的裝置進行參數(shù)設置，則對話框中的有關參應取該裝置的實際值；如果不針對某個具體裝置的一般情況，可先取這些裝置的參數(shù)默認值進行仿真。若仿真結(jié)果理想，可認可這些設

36、置的參數(shù)；若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真試驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。給定信號的變化范圍、調(diào)節(jié)器的參數(shù)等可調(diào)參數(shù)的設置，其一般方法是通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化。具體方法是分別設置這些參數(shù)的一個較大和較小值進行仿真，弄清他們對系統(tǒng)性能影響的趨勢，據(jù)此逐步將參數(shù)進行優(yōu)化。由于仿真時間根據(jù)實際情況而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。由于實際系統(tǒng)的多樣性，沒有一種仿真算法是萬能的。不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用那一種算法更好，這需要通過仿真實踐，從仿真能否進行、仿真速度、仿真精度等方面進行比較選擇。 4 傅立葉計算及分析 傅立葉分析在信號處理領域有著廣泛應用，顯示生活中大部

37、分信號都包含多個不同頻率組件，這些信號組件頻率會隨著時間或快/或慢的變化。傅立葉系列和傅立葉變化是用來分析周期或者非周期信號的頻率特性的數(shù)學工具。從時間的角度來看，傅立葉分析包括連續(xù)時間和離散時間的傅立葉變換，總共有四種不同的傅立葉分析類型：連續(xù)時間的傅立葉系列、連續(xù)時間的傅立葉變換、離散時間的傅立葉變換和離散傅立葉變換/系列等。本文主要采用離散傅立葉變換。 4.1 利用離散傅立葉進行諧波分析原理 在離散采樣的基礎上，利用傅立葉變換法計算各次諧波，是當今電力系統(tǒng)中諧波分析最有效的方法之一。 4-1 當電力系統(tǒng)的電壓和電流

38、都含有n次諧波，且都是周期函數(shù)時，則電壓電流可表示為各次諧波分量的迭加。當u t 和i t 滿足“狄利克雷條件”時，根據(jù)傅立葉級數(shù)收斂定理，電壓電流可以表示為傅立葉級數(shù)的形式，通過變換能得到各次諧波的幅值、相位如下: 4-2 4-3 式中、―n次諧波電壓、電流的有效值； ―基波角速度； 、―n次諧波電壓、電流的初相角； 可見只要求出了、、、，就能求出第n次諧波的幅值和相位，從而使問題得到解決。 根據(jù)傅立葉級數(shù)理論，可以得到

39、 4-4 4-5 4-6 4-7 因,設U n 、I n 如下： 4-8

40、 4-9 恰好這兩式就是u t 和i t 的傅立葉變換公式。根據(jù)等的傅立葉公式，可得 4-10 4-11 ' 4-12 4-13 由此可見，確定等得關鍵在于傅立葉變換的求解，求得、、、后，可求出各次諧波的有效值 4-14 4-15 由于計算機只能進行離散

41、的數(shù)值計算，因此對周期連續(xù)函數(shù)u t 在基波周期T內(nèi)進行N點的等間隔同步采樣，得到電壓和電流的序列 u k ， i k ，其離散傅立葉變換 DFT 為 4-16 4-17 4.2 數(shù)據(jù)采集 在Matlab中數(shù)據(jù)的處理都在workspace處理，to workspace模塊將仿真的數(shù)據(jù)與Matlab處理數(shù)據(jù)緊密聯(lián)系，將仿真的數(shù)據(jù)傳到workspace中進行處理。首先從元件模塊組中選取“to workspace”模塊，如圖4-1所示。然后雙擊該圖標，打開參數(shù)對話框，如圖4-2所示。再把“to

42、 workspace”模塊接到產(chǎn)生電源側(cè)的電壓波形上。再次運行仿真模型，workspace界面中就產(chǎn)生了兩組數(shù)據(jù)，一組是時間的輸出（tout），還有一組是時間對應的值的輸出（simout）。將這些數(shù)據(jù)保存起來，用于調(diào)用。 圖4-1 to workspace模塊 然后雙擊該圖標，打開參數(shù)對話框，修改是否可以傳遞等參數(shù)選項，如圖4-2所示。 圖4-2 to workspace模塊參數(shù)設置 4.3 傅立葉分析 當仿真結(jié)束后在workspace中自動形成變量simout數(shù)據(jù)信息, 保存變量simout里的數(shù)據(jù)信息，將信息

43、存儲成名為shuju的MAT-file文件以便傅立葉變換所需。編寫一個程序用M文件保存，使其能利用此數(shù)據(jù)對simout的一個周期數(shù)據(jù)進行時域分析，M文件程序如附錄Ⅰ所示。其輸出圖形如圖4-3所示。 圖4-3 simout變量的一個周期波形 利用已保存的數(shù)據(jù)編寫一個M文件對其快速傅里葉變換，其程序如附錄Ⅱ所示。波形如圖4-4所示。 圖4-4 simout快速傅立葉變換結(jié)果 4.4 供電質(zhì)量分析 從本次仿真過程中已知參數(shù)的情況下，從DFT變換結(jié)果 圖4-4 可知，基波為50HZ，幅值為275V。檢測波形中只含有奇次諧波，從圖形中得到如下結(jié)論：7次

44、諧波的幅值大小為60V,其他基本為零。根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》來判斷諧波是否超出允許范圍。 表4-1各級電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的電壓限值 7次諧波含量 從上式可知，7次諧波含量遠遠超出允許值。 新建一個M文件，編寫程序，程序如附錄Ⅲ所示。運行該程序，得到如圖4-5所示的圖形。該界面可以直觀的讓用戶了解諧波分量與標準對比情況。 圖4-5 諧波分量與標準對比情況 5 GUI設計 GUI，英文全名Graphical User Interface,直譯為圖形用戶界面，它實際上是指這樣的程序：用戶可以在前臺界面中通過一系列鼠標、鍵盤操作，指揮后臺程序?qū)崿F(xiàn)某些功能。這是一種大大提高程序

45、易用性、交互性的計算機編程方法。 在MATLAB中，GUI編程和M文件編程相比，除了要編寫程序功能的內(nèi)核代碼外，還需要編寫前臺界面。MATLAB的圖形用戶界面程序的前臺界面由 一系列交互組件組成，這包括按鈕、單選框、文本框、標簽文字、滑動條等。MATLAB把實現(xiàn)程序功能的內(nèi)核代碼和這些交互組件的鼠標或鍵盤事件關聯(lián)起來，即通過設置這些交互組件的回調(diào)函數(shù)，來完成特定交互事件下后臺程序完成的功能。 5.1 GUI設計 在GUI設計程序前，首先考慮設計對象的結(jié)構和開發(fā)流程。開發(fā)前的思考、開發(fā)文檔的編輯對于理清編程者的思路、提高開發(fā)效率有十分重要的作用。這也是軟件工程思想所需要的基本要求

46、。不同的要求，設計出來的GUI也千差萬別。一個優(yōu)秀的界面基本上符合下面的標準：易用性、統(tǒng)一性、規(guī)范性和合理性。 5.1.1 設計原則 1 關注用戶的需求，以用戶為主 我們所要設計的界面是為用戶服務的，所以，界面需要去適應用戶，而不是要用戶去適應界面，被界面所控制。用戶扮演的是主動角色，而不是被動角色。用戶對于軟件的操作具有一定的目的和期待，這些應該是GUI設計者需要抓住的重點，它是用戶與軟件產(chǎn)品進行良好互動的橋梁。如果設計者只關注軟件功能的添加而忽略了用戶的興趣和目的，有可能造成所增加的功能不能完全滿足用戶的需求，用戶很少甚至幾乎不使用這些功能的問題。用戶需要軟件符合他們的職業(yè)思維方

47、式、行為方式和任務需求，GUI的設計要盡可能的提供給用戶所熟悉的工作方式和任務結(jié)構。 2 完成用戶所需要的所有功能 作為一個設計良好的GUI，最主要，也是最核心的目標是能夠完成用戶所需要的所有功能，用戶通過界面操作就可以實現(xiàn)所需要功能，無論怎樣的界面優(yōu)化都需要在此基礎上進行 。在滿足用戶功能需求的前提下，應盡量提高系統(tǒng)對用戶操作的響應時間，同時降低用戶操作的出錯率，提高系統(tǒng)的容錯率。用戶并不了解系統(tǒng)設計的具體細節(jié)和內(nèi)部結(jié)構，所以最初通過GUI對軟件進行的操作也幾乎完全是憑借自己的直覺與行為習慣來完成的。雖然有些軟件也會對用戶進行操作培訓并附加操作手冊，但對于培訓學習的效果卻并不能保證

48、。還應該考慮到用戶對界面的探索興趣，從嘗試和錯誤中進行學習的情況。所以，這就需要GUI設計者在設計過程中盡可能用一些布局方式將用戶行為引導在一個正常操作的范圍內(nèi)，使他們遵守操作規(guī)范。即便是用戶出現(xiàn)了一些違規(guī)操作，系統(tǒng)也能及時的做出判斷并給予響應 ，顯示友好的提示信息，自動做出容錯處理 。 3 統(tǒng)一的界面語言，一致的界面風格 GUI設計者們發(fā)現(xiàn)，給用戶帶來操作的困難很大程度上是來源于系統(tǒng)操作和顯示的復雜性。所以，為了盡量避免這一問題，保持界面與操作的一致性，將界面設計簡潔化，避免復雜而過多的操作步驟，同時采用一些有助于記憶的設計方案 ，符合用戶的視覺期待和視覺過程。例如將重要信息的顯示設

49、置在同一方位; 使用用戶所熟悉的詞匯;采用菜單和圖標操作來代替使用鍵盤輸入命令的方式，使得用戶可以使用鼠標操作這些圖形化符號;界面結(jié)構和菜單結(jié)構應當一致;按鈕、圖標功能與用戶直覺應盡量保持一致等。這些都可以在很大程度上減少用戶的記憶負擔和認知負擔，以及用戶對于系統(tǒng)的任務與操作之間的轉(zhuǎn)換負擔，進一步提高系統(tǒng)的可操作性。 4 屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部設計的復雜性 整個GUI設計要能集中用戶的注意力于自己的任務行動中，讓用戶按照自己的個人行為對軟件進行操作，而不必去考慮軟件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構和操作過程，不被系統(tǒng)的推理過程和行為過程分心，為用戶屏蔽掉系統(tǒng)內(nèi)部設計的復雜性。例如采用多窗口功能使用戶立即啟動一個操作

50、任務而不需要考慮整個系統(tǒng)當前所處的任務狀態(tài).用戶的操作行為是受其思維動機的牽引而隨時轉(zhuǎn)變的，但計算機的運行過程則不然，它只能從一種狀態(tài)連續(xù)的過度到另一種狀態(tài)，不能跳躍進行。很多時候，用戶在對系統(tǒng)進行操作時總會顧慮到計算機的狀態(tài)是如何轉(zhuǎn)換的，以及一些計算機輔助操作是如何進行的，致使用戶的操作行為受到限制。 5.1.2 設計忌諱 在GUI的設計規(guī)則中，不可不提到GUI設計的一些禁忌，在這里舉例說名一些GUI設計上的細節(jié)但卻是常見的錯誤問題。 1 頁面設置問題 將復選框用作單選按鈕使用;無初始值的多選一設置;單選按鈕之間的間隔太大;屬性標記對齊方式不一致;使用容易被忽略的圖片鏈接;需要向

51、下滾動才能看到當前頁面中的重要信息;無意義的虛假進度條等等。這些都是在GUI頁面設計中應盡量避免出現(xiàn)的錯誤。 2 功能實現(xiàn)問題 同一頁面包含重復功能的鏈接或按鈕;窗口的標題和調(diào)用的命令不一致;當前無效的控件不充分置灰顯;取消按鈕無法真正取消操作:返回按鈕不能達到預期的目的;在同一個窗體上，命令按鈕超過六個;圖片按鈕對鼠標按下操作沒有視覺上的變化等等。這些系統(tǒng)功能實現(xiàn)上出錯的問題，對于GUI的設計者來說是不能忽略的 。 3 面向用戶的顯示問題 顯示對用戶無意義的錯誤提示;只顯示只讀數(shù)據(jù)而無任何說明;要求用戶輸入隨機數(shù)據(jù)而無制約性提示;沒不考慮用戶可能的人為錯誤輸入;不同類型的頁面

52、窗口顯示相同的標題;具有相似功能卻有不同顯示的用戶操作界面等等。這些顯示問題會嚴重影響到用戶與系統(tǒng)交互的質(zhì)量 。 除上述的問題之外，認為漂亮的GUI就是好的GUI;忽略了GUI的易用性; 標注不夠簡潔，存在冗余的詞語;整體設計過于花俏，失去了視覺平衡性，隔離了系統(tǒng)與用戶之間的互動交流等等。作為GUI設計者來說，這些容易被忽略的細節(jié)問題也要盡量避免。 5.1.3 設計步驟 為了高效率地開發(fā)一個GUI，必須按照一定的開發(fā)步驟，而不能“需要即添加”。具體步驟如下： 1 分析界面所要求實現(xiàn)的主要功能，以明確設計任務。 2 在紙上繪出界面草圖，并站在使用者的角度審查草圖

53、。 3 按照構思的草圖上機制作靜態(tài)界面，并檢查它。 4 編寫界面動態(tài)功能的程序，對功能進行逐項檢查。 5.2 使用GUIDE創(chuàng)建GUI對象 5.2.1 啟動GUIDE 首先，在MATLAB的工作空間中輸入“guide” 就可以進入圖形用戶界面的導航菜單，打開GUIDE Quick start，它有兩個選項，一個是Create New GUI， 一個是Open Existing GUI；在導航菜單中選擇Create New GUI里的Blank GUI，就可以進入用戶界面的設計。如何是修改以前的模板的話，則進入“Open Existing GUI”選項卡.這里我

54、們選擇BlankGUI 空白模板 ，單擊OK，可以看到在輸出編輯器中打開一個新的GUI設計窗口，如圖所示，我們進入了GUI界面編輯系統(tǒng)。該界面與我們經(jīng)?？吹降腤indows面向?qū)ο蟮慕缑嬉粯樱喈斢贕UIDE各種工具的一個控制面板。這個控制面板大體上可分為三個區(qū)域，即控件區(qū)、菜單區(qū)和繪圖區(qū)。單擊網(wǎng)格區(qū)域的右下角并進行拖拉，可以改變用戶界面的大小。 5.2.2 添加控件組件 Matlab7版本的控件區(qū)共有13種不同類型的控件，比較常用的分別有 pusbbuton 按鈕 、radiobutton 單選框 、togglebutton 開關按鍵 、checkbox 檢錄按鍵 、listbox

55、列表框 、popupmenu 彈出框 、slidcr 滾動條 、 edit 可編輯文本框 、text 靜態(tài)文本框 、axes 平面坐標圖 和panel 控件區(qū)域框 ?？赏ㄟ^拖曳的方式將這些控件在繪圖區(qū)生成。 在GUI中添加各種控件，并把它們拖拉到設計區(qū)，然后在GUI中添加兩個坐標軸、兩個彈出菜單、兩個按鈕、兩個檢錄按鈕，按照設計要求排列組合控件。如果控件具有相同的對象，可以用對齊工具將各控件對齊。排列好后的圖形界面如圖5-1所示。 圖5-1 組件重新布局后的圖形 5.2.3 設置控件組件的屬性 下表列出了控件組件的屬性值： 表5-1 屬性值的修改 對象 屬性名 屬性值 Pop

56、up Menu String 黑色|紅色|綠色|藍色|青色|品紅色|黃色|白色 實線|雙劃線|虛線|點劃線 Checkbox String 打開網(wǎng)絡 顯示坐標軸 Value 1 Pushbutton String X（n）的波形 X（n）的DFT 5.2.4 編寫相應的程序代碼 在輸出編輯器中完成GUI的設計和屬性設置以后，下一步工作就是進行編程。其主要內(nèi)容包括： a 創(chuàng)建GUI M文件； b 打開GUI M文件； c 在回調(diào)函數(shù)間共享數(shù)據(jù)； d 識別回調(diào)函數(shù) 第一次保存或運行GUI時，GUIDE會生成一個函數(shù)式M文件，它包含每個控件通常要用

57、到的回調(diào)函數(shù)的框架，以及一些初始化代碼，一個初始函數(shù)回調(diào)和一個輸出函數(shù)回調(diào)。在所有M文件中，初始化函數(shù)是首先調(diào)用的。一般用它進行數(shù)據(jù)初始化和控件默認屬性設置。要使回調(diào)函數(shù)工作，必須在初始框架中添加代碼。通過將數(shù)據(jù)保存到MATLAB hanfles結(jié)構中，可以實現(xiàn)回調(diào)間的數(shù)據(jù)共享。GUI中的所有控件使用同一個handles結(jié)構。它會傳遞一個輸入變量給GUIDE生成的所有回調(diào)函數(shù)。GUIDE生成M文件以后，GUIDE將相同的名稱指定給FIG文件和M文件。 一旦GUIDE創(chuàng)建了M文件，就可以通過在工具欄上的單擊M文件按鈕來打開MATLAB編輯器。在編輯器中，可以通過單擊工具欄上的函數(shù)按鈕，然后在下

58、拉式列表框中選擇目標回調(diào)來將光標移動到指定的回調(diào)函數(shù)，如圖5-2所示。 圖5-2 在回調(diào)列表中選擇某個回調(diào)函數(shù) 運行GUI所需m程序如附錄M文件工具欄上的運行按鈕，MATLAB會自動調(diào)用前面步驟中編寫的程序代碼.運行結(jié)果如圖5-3所示。 圖5-3 GUI運行結(jié)果 改變彈出菜單中的顏色和線性，點擊其中一個按鈕，圖形的顏色和線性就會發(fā)生變化，不去點擊，圖形的顏色和線性就不會發(fā)生變化。 5.3 小結(jié) 本章所做的諧波的傅立葉分析系統(tǒng)是通過GUI中輸出控件開發(fā)的，主要是通過GUIDE向?qū)?/p>

59、實現(xiàn)系統(tǒng)的設計。本設計分三部分，一是在GUI窗口上布局控件并設置GUI控件的屬性；二是GUI編程；三是諧波的傅立葉分析系統(tǒng)的實現(xiàn)。 結(jié)論 MATLAB在提供強大的計算功能的同時，今年來還大力發(fā)展了面向?qū)ο蟮膱D形技術和GUI技術，使用戶可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互式顯示。 MATLAB的圖形繪制、圖形高級操作以及GUI這些方面的應用日益普遍。使用MATLAB提供的圖形設計技術，用戶無須了解圖形實現(xiàn)的細節(jié)內(nèi)容，有時甚至只需幾個簡單的函數(shù)就可以繪制非常復雜的圖形。另外，用戶還可以根據(jù)需要來規(guī)劃、設計MATLAB的圖形外觀，不斷調(diào)整完善，直至繪圖結(jié)果完全符合用戶要求。總之，利用MATLAB提供的GUI

60、設計工具或編寫程序，可以簡單、便捷地設計出美觀、方便的菜單化和控制式的人機交互界面。 本設計利用MATLAB的電力系統(tǒng)仿真元件庫中的眾多模型，建立了三相晶閘管全橋整流電路帶直流電動機負載仿真模型，仿真是本設計的重要任務。在此基礎上進行了非線性負荷下的波形畸變情況的仿真研究，分析了整流裝置的負載阻抗對電網(wǎng)電壓波形的影響，證實了非線性負荷中的參數(shù)是造成電網(wǎng)電壓畸變的重要因素。利用傅立葉分析計算了畸變波形的各諧波分量，對照中華人民共和國國家標準GB/T 14549―1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》是否超出允許范圍。最后設計了一個簡單的GUI，點擊一下界面中的按鈕就能馬上分析出電壓中諧波成分，用戶

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