工廠供電系統(tǒng)仿真和gui設計及諧波分析【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　工廠供電系統(tǒng)仿真和GUI設計及諧波分析</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </

2、p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　

3、　隨著現(xiàn)代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)、交通等各種領域得到廣泛應用，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。本次設計，通過使用Matlab軟件，對廠用帶直流電動機負載進行仿真，在仿真的基礎上，通過數學手段對諧波進行分解，利用傅立葉計算分析出各諧波參數。重點設計了圖形用戶界面對仿真的結果顯示，清楚顯示了與國家標準諧波的對比，用戶既能一目了然地獲得各諧波信息。</p><p>　　關鍵詞：仿真

4、，諧波分析，圖形用戶界面，傅立葉</p><p>　　Electric power system simulation and GUI design and harmonic analysis</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of modern po

5、wer electronics, power electronic devices in electric power systems, industrial, transportation and other fields are widely used, but also makes power electronic devices become the largest harmonic source.The design, by

6、using the Matlab software, with a DC motor with load plant simulation, the simulation based on the mathematical means of harmonic decomposition, calculated using Fourier harmonic analysis of each parameter. Focus on the

7、design of GUI on the </p><p>　　Keywords: simulink, harmonic analysis, fourier,GUI</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅲ</b></p><p>　　AbstractⅣ&

8、lt;/p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1電力系統(tǒng)諧波1</p><p>　　1.1.1諧波的產生1</p><p>　　1.1.2諧波的危害2</p><p>　　1.1.3 諧波的檢測及防治2</p><p>　　1.1.4 國

9、家諧波標準3</p><p>　　1.2 Matlab在電力系統(tǒng)仿真簡介3</p><p>　　1.2.1 Matlab仿真軟件簡介3</p><p>　　1.2.2 Matlab在電力系統(tǒng)仿真初探4</p><p>　　2交流供電系統(tǒng)的仿真6</p><p>　　2.1三相橋式全控整流電路原理6</

10、p><p>　　2.2 使用Matlab進行建模仿真8</p><p>　　2.2.1總體框架設計8</p><p>　　2.2.2各模塊及其參數設置8</p><p>　　2.2.3 系統(tǒng)的仿真參數設置14</p><p>　　2.3仿真結果的輸出15</p><p><b>

11、　　3數據計算18</b></p><p>　　3.1傅立葉分析原理18</p><p>　　3.2數據的采集及workspace數據處理20</p><p>　　3.3供電質量分析22</p><p>　　4 GUI設計23</p><p>　　4.1 GUI簡介23</p>&

12、lt;p>　　4.2 GUI設計原則23</p><p>　　4.3 GUI在此次仿真中的運用24</p><p><b>　　結論29</b></p><p>　　參考文獻錯誤!未定義書簽。</p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄一

13、32</b></p><p><b>　　附錄二33</b></p><p><b>　　附錄三33</b></p><p><b>　　附錄四33</b></p><p><b>　　附錄五34</b></p><

14、;p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1．1電力系統(tǒng)諧波</b></p><p>　　電力電子技術近幾年快速發(fā)展，使電力電子裝置使用廣泛，也使其成為最大的諧波源，給電網環(huán)境帶來了很大的影響。非線性負載是電力系統(tǒng)諧波產生的根本原因。電流流經負載時，與其所加的電壓不呈線性關系，于是形成非正弦電流，諧波就此產生了。諧波的

15、頻率是基波頻率的整倍數，傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何波形都可以分解為含有基波和一系列為基波整數倍的正弦波分量。諧波是具有不同的頻率，幅度與相角的正弦波合成。</p><p>　　理想的公用電網是指那些提供的電壓該是單一并且有固定頻率以及規(guī)定電壓幅值的電網。諧波的出現(xiàn)，是對公用電網一種威脅，它可以使用電設備所處環(huán)境惡化，并削弱周圍電力電子設備的耐電能力，之前人們對諧波的危害進行過一些研究，并有所認

16、識，但是那時諧波污染還沒有得到足夠的重視。近四五十年來，各種電力電子設備迅猛發(fā)展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，諧波引起的各種事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴重性已經引起了人們的高度關注。</p><p>　　1.1.1諧波的產生</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，電壓和電流波形理論上應是完全正弦波，沒有一點畸變，但實際的波形總是存在非正弦畸變。任何連續(xù)的周期波形都可以展開為傅里葉級數，于是，

17、對周期為T=2π/ω的非正弦電壓μ(t)及電流i(t)，在滿足狄里赫利條件下可以展開成傅里葉級數。國際上公認的諧波定義就是指一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數倍。應為諧波的頻率是基波頻率的整數倍，于是通常又被稱為高次諧波。但是在實際的電網中還有一些頻率小于基波頻率整數倍的正弦分量，但是主流研究的還是電網中存在的整數次諧波。</p><p>　　公用電網中導致諧波產生原因主要與以下兩方面有關： (1)

18、電源本身和輸配電系統(tǒng)產生的諧波。在發(fā)電機制作上，由于三相繞組很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，這些制造和結構上的原因，導致電源在發(fā)出基波電勢的同時將會產生諧波電勢，但由于其值很微小，在分析電力系統(tǒng)諧波問題時可以將它忽略。在輸配電系統(tǒng)過程中，主要是由于變壓器產生諧波，當它的鐵芯飽和時，磁化曲線呈現(xiàn)出非線性，相當于非線性器件，當其飽和程度越深時波形畸變也就越嚴重，再加上設計時出于經濟性考慮，生諧波電流。雖然電源和輸配電系統(tǒng)都會產

19、生諧波，但這兩方面產生的諧波所占的比例都很小。(2)電力系統(tǒng)負荷端大量的調壓裝置和大功率換流設備的廣泛使用也會產生諧波，如電弧爐、熒光燈、家用電器、變頻設備等。這些用電設備具有非線性特性，</p><p>　　即使供給他們的是標準理想正弦波電壓，也將會產生諧波電流注入到系統(tǒng)中，給電網帶來大量的諧波。用電設備產生的諧波所占比例很大，它是電網的主要諧波源。</p><p>　　1.1.2諧波的

20、危害</p><p>　　諧波電流和諧波電壓的存在，很大程度上污染了公用電網，破壞了用電設備的使用環(huán)境，可能會導致一系列的故障，事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。諧波的危害是多方面的，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)諧波會引起諧振，放大諧波電流是為了補償負載的無功功率，提高功率因數，此時常會在系統(tǒng)中裝設電容器，在工頻下，電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大很多，此時不會發(fā)生諧振。但是當諧波存在時，對諧振頻率來說，感抗大大增加

21、而容抗大大減小，就很有可能產生諧振，諧振將會使諧波電流放大幾倍甚至達到幾十倍，將會使電容器出現(xiàn)過電流或過負荷，導致溫度增高，易使電容器等設備被燒壞。據統(tǒng)計數據顯示，在諧波引起的事故中約有75％是由于電容器和與之串聯(lián)的電抗器被燒毀。(2) 在電力系統(tǒng)中諧波影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電網的供電質量，使用各種繼電保護裝置和自動控制裝置來確保在故障情況下線路與設備的安全運行，但是諧波的存在會對這些裝置產生擾動，產生誤動或拒動，嚴重威脅著電網系統(tǒng)的穩(wěn)定

22、與安全運行。另外，在三相四線制配電電網供電時，在熒光燈、調光燈、計算機等負載作用時會產生大量的奇次諧波，尤以3次諧波含量最多，使相線上3的整數倍諧波在中性線上疊加，造成過</p><p>　　1.1.3諧波的檢測及防治</p><p>　　電力系統(tǒng)諧波問題的研究面很廣，例如諧波檢測、諧波源分析、畸變波形分析、諧波抑制等，其中最重要的一個方面就是諧波檢測，它是解決其他諧波問題的基礎。由于電力

23、系統(tǒng)的諧波受到非平穩(wěn)性、隨機性、分布性等多方面因素影響，要進行實時準確的檢測是很苦難的，因此，隨著交流電力系統(tǒng)的發(fā)展，也就形成了多種諧波檢測方法，如模擬濾波、小波變換、基于瞬時無功功率理論的檢測方法、基于傅氏變換的頻域分析法、神經網絡等。</p><p>　　諧波治理最有效的方法是在諧波源處安裝濾波器，就近吸收諧波源產生的諧波電流。無源濾波器是現(xiàn)在最為廣泛采用的濾波器，另外還有利用時域補償原理制作的有源濾波器，能

24、做到適時補償，且不增加電網的容性元件是這種濾波器的優(yōu)點，但其造價較高。無源濾波裝置，容易吸收高次諧波，但是所有濾波支路對基波呈現(xiàn)容性，恰好滿足無功補償要求，不必另裝并聯(lián)電容器補償裝置，這種方法簡便、經濟，在國內外廣泛采用。</p><p>　　1.1.4國家諧波標準</p><p>　　我國諧波國家標準（GB/T14549-93）《電能質量公用電網諧波》是國家技術監(jiān)督局于1993年7月31

25、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的諧波量控制在允許范圍內，以保證供電電能質量，防止諧波對電網和用戶的各種電氣設備造成危害，保證電網及用戶安全經濟運行。標準適用的范圍是交流50Hz、110KV及以下的公用電網及其供電的電力用戶。</p><p>　　表1-1 各級電網諧波產生的電壓限值</p><p>　　1.2 Matlab在電力系統(tǒng)仿真簡介</

26、p><p>　　1.2.1 Matlab軟件簡介</p><p>　　Matlab由MathWork公司推出的，使數學建模變得便捷、輕松，為科學和工程技術人員節(jié)約了精力，并贏得了時間。Matlab憑借其強大的矩陣運算能力、可視化的仿真環(huán)境以及豐富的算法工具箱、簡便的繪圖功能，己成為科研和工程技術人員強有力的開發(fā)工具。它將數值分析、圖形圖象處理、仿真和矩陣計算等諸多強大功能集成在一個交互式環(huán)境中

27、，為工程設計、科學研究以及有效數值計算等眾多學科提供了一種高效率有力的編程工具，集自動控制、科學計算、神經網絡、信號處理、圖象處理等于一體。</p><p>　　Matlab具有三大特點：1．界面友好，語言自然。MATLAB以復數矩陣為計算單元，指令表達與標準教科書的數學表達式相近。2．功能強大。包括數值計算和符號計算，計算結果和編程可視化，數學和文字統(tǒng)一處理，離線和在線計算。3．開放性強MATLAB有很好的可擴

28、充性，可以把它當作一種更高級的語言去使用。用它容易地編寫各種通用或專用應用程序。MATLAB有許多工具Toolbox，這些工具箱大致可分為兩類：學科性工具箱和功能性工具箱。前者專業(yè)性較強，如各種工具箱，使MATLAB在線性代數、矩陣分析、數值計算及優(yōu)化，數理統(tǒng)計和隨機信號分析、電路與系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學、信號和圖像處理、控制理論分析和系統(tǒng)設計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)、財政金融等眾多領域的理論研究和工程設計中得到了廣泛應用；而后者主要

29、用來擴充MATLAB的符號計算功能、視圖建模功能和文字處理功能以及與硬件實時交互功能。</p><p>　　1.2.2 Matlab在電力系統(tǒng)仿真初探</p><p>　　Matlab/Simulink 可以實現(xiàn)虛擬實驗與計算機仿真設計，設計與實驗可以同時進行， 實驗過程中所涉及的元器件種類和數量不受限制，可以方便地對電路參數進行修改和調試，很好地解決電力電子器件的變化與實驗室的裝置不能即

30、時更新的矛盾。利用其仿真的優(yōu)越性，將一些目前還無法實現(xiàn)的實驗裝置用計算機來模擬。利用MATLAB/SIMULINK 模擬工具代替實際元件在計算機上進行仿真， 不用擔心元器件損壞，也沒有任何人生危險，可以在無人指導的情況下、在計算機上自行完成電力電子線路仿真實驗。在此基礎上，再進行可靠的真實性實驗，不但激發(fā)了學生的學習興趣，更重要的是提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和實際動手的能力，將會收到事半功倍的實訓效果。</p><p&g

31、t;　　Simulink仿真鏈接模塊庫和SimPowerSystems電力系統(tǒng)模塊庫是Matlab電力系統(tǒng)仿真中用到最多的兩個模塊庫。Simulink模塊中的原件多用于測量輸出，而電力系統(tǒng)模塊則是與電力系統(tǒng)仿真緊密相連的其圖分別為圖1-1，圖1-2。</p><p>　　圖1-1Simulink模塊庫</p><p>　　圖1-2 SimPowerSystem模塊庫</p>

32、<p>　　2交流供電系統(tǒng)的仿真</p><p>　　2.1三相橋式全控整流電路原理</p><p>　　目前在各種整流電路中，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖2-1所示，習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）成為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）成為共陽極組。三相橋式全控整流電路實際上是由兩個三相半波可控整流

33、電路組合而成的。此為，通常將6個晶閘管按圖示序列編號，既共陰極組中與a，b，c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1，VT3,VT5,共陽極組中與a,b,c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4,VT6,VT2.這種編號方式看似無序，然而從分析方法中將會看到，按此編號，晶閘管導通的順序剛好是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。實現(xiàn)了將三相交流整流成直流。</p><p>　　圖2-1 三相橋式全控整流電路

34、原理圖</p><p>　　可控整流電路可分為單相可控整流電路、三相可控整流電路以及大功率6相、12相整流電路等幾類。單相可控整流電路適用于負載功率較小的場合，當負載功率較大時，需要考慮三相負載的平衡，應采用三相可控整流電路。三相可控整流電路分為三相半控整流電路和三相全控整流電路。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

35、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。</p><p>　　三相橋式全控整流電路是由一組共陽極的三相半波可控整流電路和一組共陰極的三相半波可控整流電路串聯(lián)而成，控制角完全相同，在感性負載時有：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　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

36、的控制角，可以獲得的直流電壓?？刂平堑母淖兎秶鸀椤?lt;/p><p>　　因為整流電路輸出電壓的波形是脈動的，因此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而成。因為負載只需要直流分量，為了消除交流分量，應該在電樞回路中串聯(lián)一個平波電抗器，其目的是保證整流電流的波形在較大范圍內比較光滑。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，所以在直流側串聯(lián)平波電抗

37、器，使輸出電流的波形比較光滑。</p><p>　　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量的快速增長，整流裝置對電網以及電網上的其他負載的危害也在不斷加大。</p><p>　　在整流電路中，變壓器元件的電流在大多數情況下，即使在理想的情況下也是有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和負載電流的平均值，它也和控制角有關，高次諧波電流將

38、導致電網電壓波形的畸變，這個畸變的電壓波形會影響電網上的其他負載，因此必須予以解決。</p><p>　　抑制諧波措施有以下幾種方法：</p><p>　　a) 增加整流電路的相數，可知諧波中最低次的頻率在不斷增高，其幅值也越來越小，能夠極大減少諧波的影響；</p><p>　　b) 在整流裝置輸入端使用LC濾波器進行濾波；</p><p>

39、<b>　　c) 減小控制角。</b></p><p>　　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)部門提高生產技術水平、改善生產過程和提高經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量的不斷增大，電網中諧波的含量大大增加，造成了電力系統(tǒng)污染嚴重。</p><p>　　變流裝置實質上是一個非線性系數，交流側電流是變流裝置對

40、直流電流進行調制的結果，直流側電壓是變流裝置對交流電壓進行調制的結果。兩個結果相互作用，相互影響，變流裝置兩端的高次諧波就是在這種情況下產生的。</p><p>　　2.2使用Matlab進行建模仿真</p><p>　　2.2.1 總體框架設計</p><p>　　Matlab仿真圖的設計思路是三相交流電經全橋整流電路整流后帶直流電動機負載，此時產生的諧波對原來三

41、相交流電的影響。中間包括對通用橋的設計和驅動電路模塊的連接?？傮w框架如圖2-2。</p><p>　　圖2-2仿真圖總體設計</p><p>　　2.2.2各模塊及其參數設置</p><p>　　三相橋式全控整流電路由三相對稱交流電壓源，晶閘管通用橋，驅動電路和直流電動機等相關部分組成。</p><p>　　(1)三相對稱交流電源的建模和參數

42、設置</p><p>　　SimPowerSystems庫提供的交流電源模塊圖標如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 交流電源模塊</p><p>　　我們需要的是三相交流對稱電源，所以使用的是3個電源，在format工具欄下使用翻轉工具，將電源擺正，再從連接器模塊中選取“Guound”接地原件和“Bus Bar”原件組成三相對稱電源，如圖2-4所示。&l

43、t;/p><p>　　圖2-4 三相對稱電源模型</p><p>　　在Matlab界面雙擊電源模塊可以更改電源參數，修改電源幅值為380v，初始相角每相相差120°，及B相落后A相120°，C相落后A相240°。修改頻率為50Hz，選擇電壓為可測量，其它為默認值，如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 電源電壓參數設置</p

44、><p>　?。?） 通用橋模塊及參數設計</p><p>　　SimPowerSystems庫提供了通用橋式電路模塊，如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6通用橋式電路模塊</p><p>　　通用橋式電路模塊有5個電氣接口和一個輸入接口。電氣接口A，B，C用于連接三相電源接入，電氣接口“+” ，“-”是輸出直流接口。輸入接口g接觸法信

45、號。雙擊通用橋式電路模塊，彈出該模塊的參數對話框。修改橋臂個數為3，緩沖電阻值為，緩沖電路電容值為無窮大，選擇晶閘管，如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 通用橋電路模塊參數設置</p><p>　?。?）驅動電路模塊及參數設置（同步6脈沖發(fā)生器）</p><p>　　同步6脈沖發(fā)生器（Synchronized 6-Pulse Generator）用于產生

46、三相橋式整流電路晶閘管的觸法脈沖，其模塊圖如2-8所示。</p><p>　　圖2-8 同步6脈沖發(fā)生器模塊圖標</p><p>　　同步6脈沖發(fā)生器模塊有5個輸入端和一個輸出端。輸入端alpha_deg是移相控制角輸入端。輸入端AB，BC，CA用于接入線電壓Vab，Vbc，Vca的同步測量信號。Block是使能端，設置為0時有脈沖輸出，1時沒有脈沖輸出。輸出端Pulse輸出晶閘管6個觸法

47、脈沖。雙擊修改同步電壓頻率為50Hz,雙脈沖寬度設置為10，如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9同步6脈沖發(fā)生器模塊參數設置</p><p>　?。?）直流電機模塊及參數設置</p><p>　　SimPowerSystems庫中直流電機模塊的圖標如圖2-10所示。</p><p>　　圖2-10直流電機模塊圖標</p>

48、<p>　　直流電機模塊有1個輸入端子，一個輸出端子和4個電氣連接端子。電氣連接端子F+和F-與直流電機勵磁繞組相連。A+和A-與電機電樞繞組相連。輸入端子TL是電機負載轉矩的輸入端。輸出端子（m）輸出一系列的電機內部信號，由4路信號組成。雙擊直流電機模塊，可以修改參數，設置電樞電阻值，勵磁電阻和電感，轉動慣量的一系列參數如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11直流電機參數設置</p

49、><p><b>　　（5）波形顯示模塊</b></p><p>　　Simulink和SimPowerSystems庫中分別提供了scope和Multimeter原件，其電路模型如圖2-12所示。</p><p>　　圖2-12 scope和Multimeter電路模型</p><p>　　Scope的參數設定如圖2-13

50、所示，可以更改接口端子數目等參數。</p><p>　　圖2-13 scope參數設置</p><p>　　雙擊“Multimeter”模塊，在Mltimeter模塊中我們可以隨意添加仿真電路中單個原件的電壓電流參數的測量，使用方便靈活。其參數的添加如圖4-14所示。</p><p>　　圖2-14 Multimeter 模塊參數的添加</p><

51、;p>　　（6）平波電抗器和電阻的建模和參數設置</p><p>　　首先從元件模塊中選取“Series RLC Branch”模塊，然后打開平波電抗器參數設置對話框，參數設置如圖2-15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。平波電抗器的作用是使整流有輸出的直流波形更加平滑，平波電抗起的電抗值選的越大輸出的波形就越平滑。</p><p>　　圖2-15

52、平波電抗器的參數設置</p><p>　?。?）總體仿真電路的搭建圖見附錄一。</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)的仿真參數設置</p><p>　　在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，進行“configuration Parameters”設置，如圖3-12所示 。單擊“configuration Parameters”菜單后，得到仿真參數設

53、置對話框，仿真時間為0到10s。</p><p>　　圖2-16仿真參數設置對話框及參數設置</p><p>　　2.3仿真結果的輸出</p><p>　　在Matlab模型窗口點擊仿真按鈕，等仿真結束時雙擊scope可以清晰可見各個被測量的波形圖。整流后電源電壓波形如圖2-17所示，晶閘管電壓電流波形如圖2-18所示，整流后直流輸出電壓如圖2-19所示，電動機內部

54、內部信號波形如圖2-20所示，6脈沖觸發(fā)波形如圖2-21所示。</p><p>　　圖2-17整流后電源電壓波形</p><p>　　圖2-18 晶閘管電壓電流波形</p><p>　　圖2-19整流后直流輸出電壓</p><p>　　圖2-20 電動機內部信號波形</p><p>　　圖2-21 6脈沖觸發(fā)器波形&l

55、t;/p><p><b>　　3數據的計算</b></p><p>　　3.1傅立葉分析原理</p><p>　　傅立葉變換對數據分析非常重要，它可以將信號轉變?yōu)椴煌l率的正弦曲線的組合。例如：對于采樣的矢量，可以應用快速傅立葉變換（DFT）進行分析。快速傅立葉變換更是一個高效率的計算DFT的算法，傅立葉變化不僅不局限于對離散數據的分析，也可以應用

56、到連續(xù)時間系統(tǒng)的傅立葉分析。特別是應用和信號及圖形處理領域，如濾波的設計，頻率分析和頻譜分析等。</p><p>　　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。</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　當電力系統(tǒng)的電壓和電流都含有n次諧波，且都是周期性函數時，則電壓電

57、流可表示為各次諧波分量的迭加。電壓電流可以表示為傅立葉級數的形式，通過變換能得到各次諧波的幅值、相位如下:</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中、—n次諧波電壓、電流的有效值；</p><p>　　、—n次諧波電壓、

58、電流的初相角；</p><p><b>　　—基波角速度；</b></p><p>　　根據傅立葉級數理論，可以得到</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?/p>

59、3-6）</b></p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　令U(n)、I(n)為：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>

60、　　可得</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p>&l

61、t;p>　　其離散傅立葉變換(DFT)為</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　3.2數據的采集及workspace數據處理</p><p>　　在Matlab中數據的處理都在workspace處理，to wor

62、kspace模塊將仿真的數據與Matlab處理數據緊密聯(lián)系，將仿真的數據傳到workspace中進行處理。To workspace模塊圖如3-1所示。</p><p>　　圖3-1 to workspace模塊圖</p><p>　　雙擊to workspace 可以修改變量的名稱將變量名稱改為Vs以及是否可以傳遞等參數，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-

63、2 to workspace參數的修改</p><p>　　當仿真結束后在workspace中自動形成變量Vs數據信息如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 變量Vs的數據信息</p><p>　　保存變量Vs里的數據信息，將信息存儲成名為data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，使其能利用此數據對Vs的一個周期數據進行時域

64、分析，M文件程序如附錄二所示。其輸出圖形如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 Vs變量的一個周期波形</p><p>　　在利用已保存的數據編寫一個M文件對其快速傅里葉變換，其程序如附錄三所示。波形如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 Vs快速傅立葉變換結果</p><p><b>　　3.3供電質量分析<

65、/b></p><p>　　從本次仿真過程中已知參數的情況下，從DFT變換結果可知，基波為50HZ，幅值為340V。檢測波形中只含有奇次諧波，從圖形中得到如下結論：5次和7諧波的幅值超出，其他基本為零。根據《電能質量公用電網諧波》來判斷諧波是否超出允許范圍。5次諧波幅值為40V，7次諧波幅值也為40V。</p><p>　　5次諧波含量=7次諧波含量=40/340=0.12</

66、p><p>　　編寫一個M文件，程序如附錄四所示。運行此程序，得到諧波分量和標準對比情況如圖3-6所示?？梢郧宄弥?次諧波超出范圍。</p><p>　　圖3-6 諧波分量與標準對比</p><p><b>　　4 GUI設計</b></p><p>　　4.1 GUI簡介 </p><p>　

67、　GUI即為圖形用戶界面。Matlab中提供了幾個用于編寫應用程序界面的工具。用戶界面是應用程序中很重要的一部分，是指人與計算機之間相互作用的工具和方法，如鍵盤，鼠標，話筒等都可以成為與計算機交換信息的接口。對于使用程序的用戶而言，界面就是應用程序，他們感覺不到正在幕后運行的代碼。無論用戶花多少時間和精力來編制和優(yōu)化代碼，應用程序的可用性仍然依賴于界面。圖形用戶界面是由窗口，光標，鍵盤，菜單，文字說明等對象構成的一個界面。用戶通過一定的

68、方法選擇，激活這些圖形對象，是計算機產生某種動作或變化，比如實現(xiàn)計算或繪圖等。</p><p>　　用戶界面編輯工具包括下面5個：屬性編輯，控制面板，事件過程編輯器，對其工具，菜單編輯器。</p><p>　　4.2 GUI設計的原則</p><p>　　由于具體要求不同，設計出的界面也就千差萬別。但是，自從人們開始設計圖形界面以來，界面設計的評判標準基本沒變，包括

69、簡單性（Simplicity）,一致性（Consistency）及習慣性（Familiarity）。</p><p>　?。?）簡單性：設計界面時，應該達到簡潔，直接，清晰地體現(xiàn)出界面的功能和特征。那些可有可無的功能應盡量刪除，保持其界面的整潔。設計的圖形界面更要直觀，盡量避免數值的表示方法。設計界面應盡量減少窗口數目，盡量避免在不同窗口之間進行來回切換。 </p><p>　　（2）一致

70、性：所謂的一致性有雙層含義：一是讀者自己開發(fā)的界面風格要盡量一致；二是新設計的界面要與其他已有的界面風格不要截然相反。例如，圖形顯示區(qū)習慣安排在界面的左半邊，而按鈕等控制區(qū)被排在右側。</p><p>　　（3）習慣性：設計新界面時，應盡量使用人們所熟悉的標志和符號。用戶可能并不了解新界面的具體含義及操作方法，但他完全可以根據熟悉的標志做出正確的猜測，自學入門。</p><p>　?。?）

71、其他考慮因數：除了以上對界面的靜態(tài)要求外，還應該注意界面的動態(tài)性能。如界面用戶操作的響應要迅速，連接：對持續(xù)時間較長的運算，要給予等待時間提示，并允許用戶中斷運算。</p><p>　　界面制作包括界面設計和程序實現(xiàn)，具體步驟如下：</p><p>　　分析主要功能，確定設計任務；</p><p>　　在草稿上畫出界面草圖，站在使用者角度審查草圖；</p>

72、;<p>　　按構思的草圖，上機制作界面，并檢查；</p><p>　　編寫界面動態(tài)功能程序，對其進行逐項檢查。</p><p>　　4.3 GUI在此次仿真中的運用</p><p>　　首先，在Matlab菜單中新建一個Blank GUI，就可以直接進入圖形用戶界面設計。在GUI界面里，存在擁有各種工具的一個控制面板，可分為三個區(qū)域，既控件區(qū)，菜單區(qū)

73、和繪圖區(qū)。GUI界面圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 GUI界面圖</p><p>　　在GUI窗口中單擊窗口左邊的的Push button按鈕時，即可繪制按鈕圖形，push button在此次設計中的功能相當于開關，開啟仿真波形圖。雙擊Push button可以改變屬性，例如按鈕的功能名稱等。類似地我們需要添加兩個坐標軸，兩個錄檢開關，錄檢開關的功能是可以改變輸出波形的顏

74、色和曲線線條的類型，雙擊錄檢開關即可改變其屬性。單擊復選框，便可繪制按鈕圖形，復選框的作用是是否顯示坐標軸和打開網絡線。各個元件的屬性設置見表4-1，選取好元件之后，我們要根據用戶的需要，按照簡潔，明了，方便的原則，站在用戶的角度布局，經過實踐證明，合理的布局圖如圖4-2所示。</p><p>　　表4-1 屬性值的修改</p><p>　　圖4-2 各個控件的合理布局圖</p>

75、;<p>　　編寫相應的程序代碼：</p><p>　　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。其主要內容包括：</p><p>　　a）創(chuàng)建GUI M文件；</p><p>　　b）打開GUI M文件；</p><p>　　c）在回調函數間共享數據；</p><p><

76、;b>　　d）識別回調函數。</b></p><p>　　第一次保存或運行GUI時，GUI會生成一個函數式M文件，它包含每個控件通常要用到的回調函數的框架，以及一些初始化代碼，一個初始函數回調和一個輸出函數回調。在所有M文件中，初始化函數是首先調用的?；卣{函數如圖4-3所示。點擊函數工具可以選擇每個按鈕的回調函數。</p><p><b>　　圖4-3 回調函數

77、</b></p><p>　　編寫的M文件程序如附錄五所示。點擊M文件的運行按鈕，其運行結果如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 GUI運行結果</p><p>　　單擊push button 按鈕，Matlab會自動調用前面步驟中編寫的程序代碼，可以實現(xiàn)此次仿真的結果顯示，運行結果如圖4-5所示。</p><p>　　

78、圖4-5 GUI運行結果</p><p>　　更改各個按鈕可以實現(xiàn)曲線顏色的改變和曲線線條的變化，達到了人機交互界面的實現(xiàn)。其界面圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 GUI改變屬性后顯示波形</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　Matalb其強大的仿真和設計功能在此次仿真設計中體現(xiàn)

79、地淋漓盡致，不僅提供了強有力的控制算法，它的Simulink模塊提供了幾乎所有電力系統(tǒng)的各個模塊，使得電力系統(tǒng)仿真得以輕松實現(xiàn)，最后Matlab提供的圖形用戶界面將仿真推向了制高點。</p><p>　　在此次設計中，在仿真的基礎上實現(xiàn)GUI的設計，在仿真的時候先建立了仿真模型，三相交流電經全橋整流電路整流之后，帶非線性負載直流電動機，將產生諧波，本次設計仿真的目的就是分析此非線性負載產生的諧波，對電網電壓的影響

80、及快速傅立葉變換并與國家標準比較，觀察其是否在允許標準范圍內。在建立仿真圖的過程中，合理選擇電氣設備是關鍵，修改電氣設備的參數是難點。在設計全橋整流電路的時候，其驅動電路6脈沖觸發(fā)器的控制是必須要突破的難關。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張伏生，等。電力系統(tǒng)諧波分析的高精度Fourier算法的[J].中國電機工程學報，19

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87、160;.Nabae A.Instantaneous reactive power compensators comprising devices without energy storage components.IEEE  Trans on IA,1984,20(3:625-630</p&

88、gt;<p><b>　　附錄一</b></p><p><b>　　附錄二</b></p><p>　　load data;</p><p>　　y=Vs(35558:35953,1);</p><p><b>　　plot(y);</b></p>

89、<p><b>　　附錄三</b></p><p>　　close all;</p><p>　　t=1:1:2447;</p><p>　　xn(t)=Vs(t);</p><p>　　N=length(xn);</p><p>　　WNnk=dftmtx(N);</p>

90、<p>　　Xk=2*xn*WNnk/2447;</p><p><b>　　figure;</b></p><p>　　subplot(1,2,2);</p><p>　　aaa=abs(Xk);</p><p>　　plot(t(1:40)*10,aaa(1:40));</p><p

91、>　　title('xn的DFT變換結果');</p><p><b>　　附錄四</b></p><p>　　y=[114,0,0,0,0,0,16];</p><p>　　subplot(2,2,1)</p><p>　　bar(y,'group')</p><

92、;p>　　title 'XN的諧波分量'</p><p>　　y=[0,0,0,0,0,0,0.14];</p><p>　　subplot(2,2,2)</p><p>　　bar(y,'group')</p><p>　　title '諧波電壓含量'</p><p&

93、gt;　　y=[0,0.02,0.04,0.02,0.04,0.02,0.04];</p><p>　　subplot(2,2,3)</p><p>　　bar(y,'group')</p><p>　　title '公用電網諧波電壓限值'</p><p>　　y=[0,0;0,0.02;0,0.04;0,0.

94、02;0,0.04;0,0.02;0.14,0.04];</p><p>　　subplot(2,2,4)</p><p>　　bar(y,1.5)</p><p>　　title '仿真結果與標準比較'</p><p><b>　　附錄五</b></p><p>　　functi

95、on varargout = untitled(varargin)</p><p>　　gui_Singleton = 1;</p><p>　　gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...</p><p>　　'gui_Singleton', gui_Singleton, ...&l

96、t;/p><p>　　'gui_OpeningFcn', @untitled_OpeningFcn, ...</p><p>　　'gui_OutputFcn', @untitled_OutputFcn, ...</p><p>　　'gui_LayoutFcn', [] , ...</p><p

97、>　　'gui_Callback', []);</p><p>　　if nargin && ischar(varargin{1})</p><p>　　gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});</p><p><b>　　end</b></p

98、><p>　　if nargout</p><p>　　[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});</p><p><b>　　else</b></p><p>　　gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});<

99、/p><p><b>　　end</b></p><p>　　% --- Executes just before untitled is made visible.</p><p>　　function untitled_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)</p>&l

100、t;p>　　handles.output = hObject;</p><p>　　guidata(hObject, handles);</p><p>　　% --- Outputs from this function are returned to the command line.</p><p>　　function varargout = unti

101、tled_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) </p><p>　　varargout{1} = handles.output;</p><p>　　% --- Executes on button press in pushbutton1.</p><p>　　function pushbutton1_Callback(h

102、Object, eventdata, handles)</p><p>　　load ks.mat</p><p>　　axes(handles.axes1);</p><p>　　t=1:1:2447;</p><p>　　xn(t)=simout(t);</p><p>　　str1=getappdata(hand

103、les.figure1,'str1');</p><p>　　str2=getappdata(handles.figure1,'str2');</p><p>　　str=[str2 str1];</p><p>　　plot(t*40,xn,str);</p><p>　　title('時域離散序列x

104、（n）');</p><p>　　% --- Executes on button press in pushbutton2.</p><p>　　function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)</p><p>　　load ks.mat</p><p>　　axe

105、s(handles.axes2);</p><p>　　t=1:1:2447;</p><p>　　xn(t)=simout(t);</p><p>　　N=length(xn);</p><p>　　WNnk=dftmtx(N);</p><p>　　Xk=2*xn*WNnk/2447;</p><

106、;p>　　aaa=abs(Xk);</p><p>　　str1=getappdata(handles.figure1,'str1');</p><p>　　str2=getappdata(handles.figure1,'str2');</p><p>　　str=[str2 str1];</p><p&g

107、t;　　plot(t(1:40)*10,aaa(1:40),str);</p><p>　　title('x（n）的DFT變換結果');</p><p>　　% --- Executes on selection change in popupmenu1.</p><p>　　function popupmenu1_Callback(hObject,

108、 eventdata, handles)</p><p>　　ind=get(hObject,'Value');</p><p>　　switch ind,</p><p><b>　　case 1,</b></p><p><b>　　str3='k';</b>&l

109、t;/p><p><b>　　case 2,</b></p><p><b>　　str3='r';</b></p><p><b>　　case 3,</b></p><p><b>　　str3='g';</b></p

110、><p><b>　　case 4,</b></p><p><b>　　str3='b';</b></p><p><b>　　case 5,</b></p><p><b>　　str3='c';</b></p>

111、<p><b>　　case 6,</b></p><p><b>　　str3='m';</b></p><p><b>　　case 7,</b></p><p><b>　　str3='y';</b></p>&l

112、t;p><b>　　case 8,</b></p><p><b>　　str3='w';</b></p><p>　　otherwise,</p><p><b>　　str3='k';</b></p><p><b>　　en

113、d</b></p><p>　　setappdata(handles.figure1,'str2',str3);</p><p>　　% --- Executes during object creation, after setting all properties.</p><p>　　function popupmenu1_Crea

114、teFcn(hObject, eventdata, handles)</p><p><b>　　if ispc</b></p><p>　　set(hObject,'BackgroundColor','white');</p><p><b>　　else</b></p>&

115、lt;p>　　set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));</p><p><b>　　end</b></p><p>　　% --- Executes on selection change in popupmenu2.</

116、p><p>　　function popupmenu2_Callback(hObject, eventdata, handles)</p><p>　　ind=get(hObject,'Value');</p><p>　　switch ind,</p><p><b>　　case 1</b></p&

117、gt;<p><b>　　str1='-';</b></p><p><b>　　case 2</b></p><p>　　str1='--';</p><p><b>　　case 3</b></p><p><b>　

118、　str1=':';</b></p><p><b>　　case 4</b></p><p>　　str1='-.';</p><p><b>　　otherwise</b></p><p><b>　　str1='-';<

119、;/b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　setappdata(handles.figure1,'str1',str1);</p><p>　　% --- Executes during object creation, after setting all properties.</p

120、><p>　　function popupmenu2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)</p><p><b>　　if ispc</b></p><p>　　set(hObject,'BackgroundColor','white');</p><p&

121、gt;<b>　　else</b></p><p>　　set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));</p><p><b>　　end</b></p><p>　　% --- Execute