1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 工厂供电系统仿真和 GUI 设计及谐波分析 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 随着现代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、交通等各种领域得到广泛应用， 也使 得 电力电子装置成为 最大的谐波源。 本次设计，通过使用 Matlab 软件，对厂用带直流电动机负载进行仿真，在仿真的基础上，通过数学手段对谐波进行分解，利用傅立叶计算分析出各谐波参数。重点设计了图形用户界面对仿真的结果显示，清楚显示了与国家标准谐波的对比，用户既能一目了然地获得各谐波信息。 关键词： 仿真，谐波分
2、析，图形用户界面，傅立叶 II Electric power system simulation and GUI design and harmonic analysis Abstract With the rapid development of modern power electronics, power electronic devices in electric power systems, industrial, transportation and other fields are widely used, but also makes power electronic devi
3、ces become the largest harmonic source.The design, by 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 design of GUI on the simul
4、ation results show a clear indication of harmonic contrast with the national standard, the user can not only get the harmonics of information at a glance. Keywords: simulink, harmonic analysis, fourier,GUI III 目录 摘 要 . Abstract . 1 绪论 . 1 1.1 电力系统谐波 . 1 1.1.1 谐 波的产生 . 1 1.1.2 谐波的危害 . 2 1.1.3 谐波的检测及防
5、治 . 2 1.1.4 国家谐波标准 . 3 1.2 Matlab 在电力系统仿真简介 . 3 1.2.1 Matlab 仿真软件简介 . 3 1.2.2 Matlab 在电力系统仿真初探 . 4 2 交流供电系统的仿真 . 6 2.1 三相桥式全控整流电路原理 . 6 2.2 使用 Matlab 进行建模仿真 . 8 2.2.1 总体框架设计 . 8 2.2.2 各模块及其参数设置 . 8 2.2.3 系统的仿真参数设置 . 14 2.3 仿真结果的输出 . 15 3 数据计算 . 18 3.1 傅立叶分析原理 . 18 3.2 数据的采集及 workspace 数据处理 . 20 3.3
6、供电质量分析 . 22 4 GUI 设计 . 23 4.1 GUI 简介 . 23 4.2 GUI 设计原则 . 23 4.3 GUI 在此次仿真中的运用 . 24 结论 . 29 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录一 . 32 附录二 . 33 附录三 . 33 附录四 . 33 附录五 . 34 IV 1 绪论 1 1 电力系统谐波 电力电子技术 近几年快速 发展，使电力电子装置 使用广泛 ，也使 其成为 最大的谐波源 ， 给 电网 环境带来了 很大 的影响。非线性负载 是 电力系统谐波产生的根本原因。电流流经负载时，与 其 所加的电压不 呈 线性关系
7、 ，于是 形成非正弦电流，谐波 就此 产生 了 。谐波 的 频率是基波频率的整倍数，傅立叶 (M Fourier)分析原理证明，任何波形都可以分解为含有基波和一系列为基波 整数 倍的正弦波分量。谐波是具有不同的频率，幅度与相角 的 正弦波 合成 。 理想的公用电网 是指那些 提供的电压该是单一 并且有 固定频率以及规定电压幅值 的电网 。谐波的出现， 是 对公用电网 一种威胁 ，它 可以 使用电设备所处环境恶化， 并削弱 周围电力 电子设备 的耐电能力 ， 之前 人们对谐波 的 危害进行过一些研究，并 有所 认识， 但是 那时谐波污染还没有 得到 足够的重视。近 四五十年来，各种电力电子 设备
8、迅猛 发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，谐波引起的各种事故也不断发生，谐波危害的严重性 已经 引起 了 人们 的 高度 关注 。 1.1.1 谐波的产生 在电力系统中，电压和电流波形理论上应是 完全 正弦波， 没有一点畸变，但实际的波形总 是存在 非正弦畸变。任何 连续的 周期波形都可以展开为傅里叶级数， 于是 ，对周期 为 T=2/ 的非正弦电压 (t)及 电流 i(t)，在满足狄里赫利条件下可以展开成傅里叶级数 。 国际上公认的谐波定义就是 指 一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍。 应为 谐波的频率是基波频率的整数倍， 于是 通常又被称为高次谐波。 但是 在实际的电网中还
9、 有 一些频率小于基波频率整数倍的正弦分量，但 是主流 研究的还是电网中存在的整数次谐波。 公用电网中 导致 谐波产生原因主要 与 以下两方面有关 ： (1)电源本身 和 输配电系统产生的谐波。在发电机制作上 ， 由于三相绕组很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致 ，这些 制造和结构上的原因， 导致 电源在发出基波电势的同时 将 会产生谐波电势，但由于其值很 微小 ，在分析电力系统谐波 问题时可以 将它 忽略。在输配电系统 过程 中 ， 主要是 由于 变压器产生谐波， 当它的铁芯饱和时，磁化曲线 呈现出 非线性，相当于非线性器件， 当其 饱和程度越深时 波形畸变也就越严重，再加上设计时出
10、于经济性考虑，生谐波电流。 虽然 电源和输配电系统 都会 产生谐波，但这两方面产生的谐波所占的比例都很小。 (2)电力系统负荷端大量的调压装置和大功率换流设备的广泛 使 用 也会 产生谐波，如电弧炉、荧光灯、家用电器 、 变频设备等。这些用电设备具有非线性特 性 ， 工厂供电系统仿真和 GUI 设计及谐波分析 2 即使供给 他们 的是标准 理想 正弦波电压，也 将 会产生谐波电流注入 到 系统 中 ，给电网 带来 大量的谐波 。 用电设备产生的谐波所占比例很大， 它 是电网 的 主要谐波源。 1.1.2 谐波的危害 谐波电流和谐波电压的存在，很大 程度上 污染 了 公用电网，破坏了用电设备的使
11、用 环境， 可能会 导致一系列的故障 ， 事故，严重威胁电力系统的安全运行。谐波的危害是多方面的，主要表现 为 以下几个方面： (1)谐波会引起谐振 ， 放大谐波电流 是 为了补偿负载的无功功率，提高功率因数， 此时 常会在系统中装设电容器， 在 工频下，电容器的容抗比系统的感抗大 很 多， 此时 不会发生谐振。但 是当谐波 存在 时，对谐振频率来说，感抗大大增加而容抗大大减小，就 很 有可能产生谐振，谐振 将 会 使谐波电流放大几倍甚至 达到 几十倍， 将会 使电容器出现过电流 或 过负荷， 导致 温度增高，易 使 电容器等设备被烧 坏 。 据 统计数据显示，在谐波引起的事故中约 有 75是
12、 由于 电容器和与之串联的电抗器被烧毁。 (2) 在电力系统中谐波影响系统的稳定运行和电网的供电质量，使用各种继电保护装置和自动控制装置来 确保 在故障情况下线路与设备的安全 运行 ， 但是 谐波 的存在 会对这些装置产生扰 动 ， 产生 误动或拒动，严重威胁 着电网 系统的稳定与安全运行。另外，在三相四线制配电 电 网供电时， 在 荧光灯、调光灯、计算机等负载 作用时 会产生大量的奇次谐波，尤以 3 次谐波 含量 最 多，使相线上 3 的整数倍谐波在中性线上叠加，造成过负荷。而且， 由于 谐波电流的存在， 大大 增加了电网中发生谐振的可能性，极易产生很大的过电压 或 过电流，引发事故， 灾难
13、， 增加 了 附加损耗，降低 了 供电效率和设备利用率。 (3)谐波 还 影响 了 各种电气设备和电子设备的正常工作 ， 如对电动机 来说将 会引起附加损耗，降低 其 效率，引起电动机 过流过热，当谐波电流频率接近定子部件的固有振动频率时，还会使电动机产生 巨 烈的机械振动，发出很大的噪声。对于电力变压器 而言 ，谐波会使铜耗、铁耗 大大增加 ，引起局部过热， 烧坏设备 。谐波干扰 还 会产生多个过 零问题， 威胁 电子装置和控制电路的正常运行，计算机等工业电子设备的功能会因为谐波干扰产生失真 ， 遭到破坏。 1.1.3 谐波的检测及防治 电力系统谐波问题的研究面很广， 例 如谐波检测、谐波源
14、分析、畸变波形分析、谐波抑制等，其中 最 重要的一个方面就是谐波检测，它是解决其他谐波问题的基础。由于电力系统的谐波受到非平稳性、随机性、分布性等多方面因素影响，要进行实时准确的检测 是很苦难的 ，因此，随着交流电力系统的发展， 也就 形成了多种谐波检测方法，如模拟滤波、小波变换、基于瞬时无功功率理论的检测方法、基于傅氏变换的频域分析法、神 经网络等。 工厂供电系统仿真和 GUI 设计及谐波分析 3 谐波治理 最有效的方法是 在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流 。 无源滤波器 是 现在 最为 广泛采用的滤波器，另外 还 有利用时域补偿原理制作的 有源滤波器，能做到适时补偿，且不
15、增加电网的容性元件 是 这种滤波器的优点，但 其 造价较高。无源滤波装置， 容易 吸收高次谐波， 但是 所有滤波支路对基波呈现容性， 恰 好满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法简便、经济， 在 国内外广泛采用。 1.1.4 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 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
16、、 110KV 及以下的公用电网及其供电的电力用户。 表 1-1 各级电网谐波产生的电压限值 电网标准电压 /Kv 电压总谐波畸变率 % 各次谐波电压含有率 /% 奇次 偶次 0.38 2.6 2.1 1.1 6 2.2 1.8 0.9 10 2.2 1.8 0.9 35 1.9 1.5 0.7 66 1.9 1.5 0.7 110 1.5 1.2 0.6 1.2 Matlab 在电力系统仿真简介 1.2.1 Matlab 软件简介 Matlab由 MathWork公司推出的 ，使 数学 建 模变得便捷 、 轻松，为科学和工程技术人员节约了精力，并赢得了时间。 Matlab凭借其强大的矩阵运算
17、能力、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱 、 简便的绘图功能，己成为科研和工程技术人员 强 有力 的 开发工具。它将数值分析、图形图象处理 、 仿真 和 矩阵计算等诸多强大功能集成在一个交互式环境中，为工程设计 、 科学研究以 及有效数值计算工厂供电系统仿真和 GUI 设计及谐波分析 4 等 众多学科提供了一种高效率 有力 的编程工具，集自动控制、科学计算、神经网络、信号处理、图象处理等于一体。 Matlab具有三大特点 ： 1界面友好，语言自然。 MATLAB以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近。 2功能强大。包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统
18、一处理，离线和在线计算。3开放性强 MATLAB有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用。用它容易地编写各种通用或专用应用程序。 MATLAB有许多工具 Toolbox，这些工具箱大致可分为两 类：学科性工具箱 和 功能性工具箱。前者专业性较强，如各种工具箱，使 MATLAB在线性代数、矩阵分析、数值计算及优化，数理统计和随机信号分析、电路与系统、系统动力学、信号和图像处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、建模和仿真、通信系统、财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用；而后者主要用来扩充 MATLAB的符号计算功能、视图建模功能和文字处理功能以及与硬件实时交互功能。
19、 1.2.2 Matlab在电力系统仿真初探 Matlab/Simulink 可以实现虚拟实验与计算机仿真设计，设计与实验可以 同时 进行， 实验 过程中 所 涉及的 元器件种类和数量不受限制，可 以 方便地对电路参数进行修改和调试，很好地解决电力电子器件的变化 与 实验室的装置 不能 即时更新的矛盾。利用 其 仿真的优越性，将一些目前还无法实现的实验装置用计算机来模拟。利用 MATLAB/SIMULINK 模拟工具代替实际元件在计算机上进行仿真， 不用 担心元器件损坏，也没有任何 人生 危险，可以在无人指导的情况下、在计算机上自行完成电力电子线路仿真实验。在此基础上，再进行 可靠的 真实性实
20、验， 不但 激发了学生的学习兴趣，更重要的是提高发现问题、解决问题和实际动手的能力 ， 将 会收到事半功倍的实训效果。 Simulink仿真链接模块库和 SimPowerSystems电力系统模块库是 Matlab电力系统仿真中用到最多的两个模块库。 Simulink模块中的原件多用于测量输出，而电力系统模块则是与电力系统仿真紧密相连的其图分别为图 1-1，图 1-2。 工厂供电系统仿真和 GUI 设计及谐波分析 5 图 1-1Simulink模块库 图 1-2 SimPowerSystem模块库 工厂供电系统仿真和 GUI 设计及谐波分析 6 2 交流供电系统的仿真 2.1 三相桥式全控整流
21、电路原理 目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图 2-1 所示，习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管（ VT1， VT3，VT5）成为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管（ VT4， VT6， VT2）成为共阳极组。三相桥式全控整流电路实际上是由两个三相半波可控整流电路组合而成的。此为，通常将 6 个晶闸管按图示序列编号，既共阴极组中与 a， b， c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1， VT3,VT5,共阳极组中与 a,b,c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4,VT6,VT2.这种编号方式看似无序，然而从分析方法中将会看到，按此编
22、号，晶闸管导通的顺序刚好是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。实现了将三相交流整流成直流。 naTbc负载u di aV T 1V T 2V T 3V T 4V T 5V T 6图 2-1 三相桥式全控整流电路原理图 可控整流电路可分为单相可控整流电路、三相可控整流电路以及大功率 6相、 12 相整流电路等几类。单相可控整流电路适用 于 负载功率较小的场合，当负载功率较大时， 需要 考虑三相负载的平衡，应采用三相可控整流电路。三相可控整流电路分为三相半控整流电路和三相全控整流电路。三相半控整流电路一般只采用三个晶闸管，只需要三套触发电路，不需要宽脉冲或双脉冲触发，因此在要求不高的 场合中，可采用三相半控整流电路。本课题要求适应负载的范围比较宽，所以采用三相桥式全控整流电路。 三相桥式全控整流电路是由一组共阳极的三相半波可控整流电路和一组共阴极的三相半波可控整流电路串联而成，控制角 完全相同，在感性负载时有：
