1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 工厂供电系统仿真和谐波分析 -三相全桥仿真和谐波分析 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着电力电子技术的不断发展 ,越来越多的大容量可控硅整流设备、各种变流器和变频器在工业生产中被 广泛应用。这些非线性负载一方面向电网注入谐波电流 ,另一方面又是工厂供电系统中的终端用户。这些谐波电流进入国家电网，严重威胁着用电安全，并消耗大量电能。本文通过对三相桥式全控整流电路带直流电动机负载的仿真，调整设定供电电源参数、直流电动机参数及其他相关参数后输出有关信号波形。在仿真的基础上，进行谐波分
2、析，并利用傅立叶计算分析出各谐波的参数。最后设计一个简单的 GUI（图形用户界面），用户可以通过键盘输入相关的参数，通过鼠标选择、激活这些对象，就可得到谐波的各个参数。 关键词： 谐波，仿真，傅立叶， GUI II Electric power system simulation and harmonic analysis - three-phase full-bridge simulation and harmonic analysis Abstract With the continuous development of power electronic technology, more
3、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 power supply system. The state grid, the h
4、armonic 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 machines parameters and other related parameters
5、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 selection, activate these objects, can get h
6、armonic various parameters. Keywords: harmonic， simulink， fourier， GUI III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 谐波的基本概念 . 2 1.2 谐波产生的原因 . 2 1.3 国家谐波标准 . 2 2 MATLAB 电力系统仿真简介 . 4 2.1 MATLAB 特点 . 4 2.2 Simulink 工具箱 . 4 2.3 SimPowerSystems 电力系统模块库 . 5 3 工厂供电系统电路仿真 . 6 3.1 三相桥式全控整流电路简介 . 6 3.2 整流电路对电网的影
7、响分析 . 6 3.3 电路的仿真 . 7 3.3.1 系统的建模和参数设置 . 7 3.3.2 系统的仿真参数设置 . 14 3.3.3 系统仿真结果的输出及分析 . 15 3.3.4 小结 . 17 4 傅立叶计算及分析 . 18 4.1 利用离散傅立叶进行谐波分析原理 . 18 4.2 数据采集 . 20 4.3 傅立叶分析 . 21 4.4 供电质量分析 . 22 5 GUI 设计 . 23 5.1 GUI 设计 . 23 5.1.1 设计原则 . 23 5.1.2 设计忌讳 . 24 5.1.3 设计步骤 . 25 5.2 使用 GUIDE 创建 GUI对象 . 25 5.2.1 启
8、动 GUIDE. 25 5.2.2 添加 控件组件 . 26 5.2.3 设置控件组件的属性 . 26 5.2.4 编写相应的程序代码 . 27 5.2.5 运行 GUI对象 . 28 IV 5.3 小结 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 31 致谢 . 32 附录 . 33 附录 . 错误 !未定义书签。 附录 . 34 附录 . 35 附录 . 36 工厂供电系统仿真和谐波分析 -三相全桥仿真和谐波分析 1 1 绪论 “谐波”一词起源于声 学。有关谐波的数学分析在 18世纪和 19世纪已经奠定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
9、电力系统的谐波问题早在 20世纪 20年代和 30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。 1945 年 J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。 到了 50 年代和 60 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。 70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交 通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电
10、设备谐波的标准和规定。 我国对谐波问题的研究起步较晚。 吴竞昌 1等人 1988年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。夏道止 2等人 1994年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波则对谐波分析和一只提出了一些优化算法。而张直平 62001 年出版的城市电网谐波手册则是一本内容广泛又结合实际 的工具书。至于准同步采样算法 12则是由戴先中首先提出，其后，准同步采样就被用于谐波测量。 1.1 谐波的基本概念 国际上公认的谐波 1含义是： “ 谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率为基波频率的整数倍。 ” 在中华人民共和国国家标准中，谐波的定义是： “ 谐波是对周
11、期性的交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率大于 1 的整数倍分量 ” 。从定义中可以看到：（ 1）谐波次数必须是个正整数。例如我国电力系统的额定频率是 50Hz，则 n 次谐波的频率为 n 50Hz，有些国家电力系统的额定频率为 60Hz，则其基波频率为60Hz， n 次谐波的频率为 n 60Hz。（ 2）间谐波、次谐波和分数谐波不属于以上定义的谐波范围。按照 IEC（ International Electrotechnical Commission）有关文件中定义的间谐波（ inter-harmonics）是指频率不是基波频率的整数倍的谐波分量；次谐波（ sub-harmonics)为频率
12、低于基波频率的间谐波；分数次谐波（ fractional-harmonics）则是指频率不是基波频率整数倍的分量。由于间谐波、次谐波和分数谐波的频率都不是基波频率的整数倍，所以不应列入 谐波的范围，本文将不讨论这类谐波。 工厂供电系统仿真和谐波分析 -三相全桥仿真和谐波分析 2 1.2 谐波产生的原因 向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源 。电网中的 谐波 主要 来自于 3个方面： 一是发电源质量不高产生谐波 ； 二是输配电系统产生谐波 ； 三是用电设备产生的谐波 。 谐波产生的原因主要有：（ 1）电网本身存在着周期性的非
13、正弦独立电源，这些电源注入线性时不变系统后，输入的畸变直接造成了输出的畸变。（ 2）工频电压或电流直接作用于非线性负载，产生倍频谐波分量。（ 3）电力系统时变负载的作用产生奇数次 、偶数次、非整数次的谐波，甚至会使工频基波消失。（ 4）可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用 , 晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。（ 5）设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争 , 对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。图 1 为三相六脉动整流装置原理接线图 , 此时交流侧电流的傅里叶级数展开式为： . . . )1313111s i
14、 n1117s i n715s i n51( s i n32 tttttIi d （ 1-1） 图 1-1 三相整流装 置原理接线图 可见交流侧电流含有谐波 , 谐波次数为 (6K 1)次 , 各次谐波含有率为 1/n。 电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形 , 电网瞬时变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴 ; 谐波与不是工频整倍数的次谐波 (频率低于工频基波频率的分量 ) 和分数谐波 (频率非基波频率整倍数的分数 ) 有定义上的区别。 1.3 国家谐波标准 我国谐波国家标准（ GB/T14549-93)电能质量公用电网谐波是国家技术监督局于 1993 年 7 月
15、 31 日发布， 1994 年 3 月 1 日起实施的。制定谐波国家 标准的目的是把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以保证供电电能质量，防工厂供电系统仿真和谐波分析 -三相全桥仿真和谐波分析 3 止谐波对电网和用户的各种电气设备造成危害，保证电网及用户安全经济运行。标准适用的范围是交流 50Hz、 110KV 及以下的公用电网及其供电的电力用户。对于 220KV 电网及其供电的电力用户，可参照标准对 110KV 电网的规定执行。 表 1-1 各级电网谐波产生的电压限值 工厂供电系统仿真和谐波分析 -三相全桥仿真和谐波分析 4 2 MATLAB 电力系统仿真简介 MATLAB(MATrix L
16、ABoratory,即矩阵实验室 )是美国 Mathworks 公司 1984年推出的高性能的数值计算和可视化软件产品 ,历经 20 多年的发展与竞争 ,现已成为国际公认的优秀的工程应用开发环境。 MATLAB 是一种数值计算型科技应用软件 , 它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体 , 具有极高的编程效率 , 而且还可方便地产生各种信号 , 进行各种变换、统计。 在科学技术飞速发展的今天 ,计算机已应用到人类生活的各个方面。利用计算机对控制系统进行仿真和分析 , 是目前进行控制系统设计的重要方法。MATLAB 作为面向科学与工程计算的高级语言 , 由于其强大的功能 ,
17、已在控制系统设计中扮演着越来越重要的角色。 电力系统的动态 仿真研究不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。但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。 2.1 MATLAB 的特点 Matlab是目前非常流行的具有很强科学计算和图形界面的软件系统，在工程技术领域已得到了广泛应用。 MATLAB 系统由 MATLAB 开发环境、 MATLAB数学函数库、 MATLAB 语言、 MATLAB 图形处理系统和 MATLAB 应用程序接口（ API）五大部分构成。使用 Matlab 软件进行电力系统数字仿真，具有以下突出优势：
18、(1)电力系统仿真工具箱（ Simpower）功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建适合的元件模型。 (2)强大的 Matlab平台。 Matlab提供的信号处理工具箱（ Signal Processing Toolbox）、数字信号处理模块（ DSP Block)、滤波器设计工具箱（ Filter Design Toolbox）、小波分析工具箱（ Wavelet Toolbox）和神经网络工具箱（ Neural Network Toolbox） ,为 经过电力系统仿真后的数据提供了功能齐全的分析手段。 (3)友好的界面。从电力系统仿
19、真到数值计算、图形处理，再到信号分析，Matlab提供的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是这些技术的使用变得尤为轻松简单。 2.2 Simulink 工具箱 SIMULINK 是一个交互式动态系统建模、仿真和分析图形 环境，可用于基于模型的嵌入式系统开发。 SIMULINK 它具有两个显著的功能： SIMU（仿真）工厂供电系统仿真和谐波分析 -三相全桥仿真和谐波分析 5 与 LINK（链接），可以针对控制系统、信号处理系统 和通信系统等进行系统建模、仿真和分析等工作。具有模块化、可重载 、 可封装，面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真和可靠性； 同时进一步扩展了 MATLAB
20、的功能，可实现多工作环境间文件互用和数据交换 。 SIMULINK 提供了友好的图形用户界面（ GUI），模型由模块组成的框图来表示，用户建模 可通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。 SIMULINK 的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，其中有连续系统（ CONTINUOUS）、离散系统（ DISCRETE）、非线性系统（ NONLINEAR）等几类基本系统构成的模块，以及连接、运 算模块。而输入源模块（ SOURCES）和接收模 块（ SINKS）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。 2.3 SimPowerSystems 电力系统模块库 MATLAB 中的电力系统模块 PSB(
21、Power System Blockset)是一种针对电气系统的可视化建模与仿真工具 ,可用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真 ,电力系统模块 PSB 在 Simulink 环境下使用 ,通过点击和拖拉等操作 ,可以很快的构建系统的仿真模型。 Matlab PSB 以 Simulink 为运行环境 ,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用 的基本元件和系统得仿真模型 ,它主要由 6 个子模块库组成： (1) 电源模块库 :包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源、可控电流源等 ; (2) 基本元件模块库 :包括串联 (并联 ) RLC/ 负载 / 支路、变压器等 ; (3) 电力电子模块库 : 包括二极管、晶闸管、 GTO、 MOSFET 和理想开关等 ; (4) 电机模块库 :包括励磁装置、异步电动机、同步电动机等 ; (5) 测量仪器库 :包括电流测量和电压测量； (6) 连接模块库。 在这 6 个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合、封装出常用的更为复 杂的模块，添加到所需模块库中去，为电力研究者带来了更大的便利。
