1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 工厂供电系统仿真 三相半桥仿真和谐波分析 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 III 摘要 随着生产力的不断发展 ， 人们对电能质量的要求越来越高，而同时由电力电子装置带来的谐波问题危害着电力系统的安全 、稳定和经济运行。本文通过对三相半桥可控整流电路带直流电动机负载仿真来模拟工厂供电系统，设好电动机的参数和供电电源的参数。在仿真的基础上，对仿真波形进行谐波分析，利用快速傅里叶计算出各谐波参数，并与国家标准作比较。最后设计一个简单的 GUI，用户只需点击鼠标就能清楚知道各个数据。 关键词 ：仿真，傅里叶
2、计算， GUI IV Electric power system simulation three-phase half-bridge rectifier circuit and harmonic analysis Abstract With the development of prolificacy, people have become increasingly demanding power quality, while the harmonic problems which resulted from power electronic devices will endanger th
3、e power system security, stability and the economy operations. Based on simulation of the three-phase half-bridge rectifier circuit with DC motor load, after setting the parameters of DC motor load and power supply .On the basis of simulation, harmonic analysis of the simulation waveform, use Fourie
4、r to calculate the harmonic parameters, compared with the National standards. Finally , design a simple GUI, users only click the mouse will be able to know all the harmonic parameters at a glance. Key Words : Simulation, Fourier, GUI V 目 录 摘要 Abstract 引言 1 1 绪论 2 1.1 电力系统谐波 .2 1.1.1 谐波的基本概念 2 1.1.2
5、 电力系统谐波产生的 原因 3 1.1.3 国家谐波标准 3 2 MATLAB电力系统仿真简介 .4 2.1 MATLAB的特点 4 2.2 Simulink 工具箱 5 2.3 SimPowerSystems 电力系统模块库 .5 3 三相半桥可控整流电路的仿真 6 3.1 三相半桥可控整流电路简介 .6 3.2 整流电路对电网影响分析 .6 3.3 实验仿真 .7 3.3.1 系统的建模和模型参数设置 7 3.3.1.1 主电路的建模和参数仿真 .7 3.3.1.2 控制电路的建模和参数仿真 .14 3.3.2 系统的仿真参数设置 14 3.3.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 1
6、5 3.4 小结 .18 4 傅里叶分析 .19 4.1 离散傅里叶谐波分析原理 .19 4.2 采集数据 .20 4.3 傅里叶分析 .21 4.4 供电质量分析 .22 4.5 小结 .24 5 GUI设计 .24 5.1 GUI设计 .24 5.1.1 GUI设计原则 .24 5.1.2 设计禁忌 25 5.1.3 设计步骤 .25 5.2 GUI实现 .26 5.2.1 组件的布局 26 5.2.2 属性的编辑 .26 5.2.3 回调函数 .26 5.3 使用 GUIDE 创建 GUI对象 .26 5.3.1 启动 GUIDE .26 5.3.2 添加控件组件 .27 5.3.3 设
7、置控件组件的属性 28 VI 5.3.4 编写相应的程序代码 29 5.3.5 运行 GUI对象 .29 5.4 小结 .30 结论 .31 参考文献 .32 致谢 .33 附录 34 附录 35 附录 36 附录 37 工厂供电系统仿真 三相半桥仿真和谐波分析 1 引言 一个理想的 电力系统 是以单一恒定频率与规定幅值的稳定电压供电的。但实际上， 随着微电子、电力电子、抗干扰等技术的迅速发展， 电力系统及其设备日益朝着高电压、大容量、系统化和自动化的方向发展，系统的组成和结构越来越复杂。同时在实际的电网中，由于大量电力电子元件（大都是非线性的）的投入使用，使得电压和电流已不再是固定频率和 幅
8、值，而是含有一定的谐波波形。对电力系统造成了很大的危害。 谐波存在于电力系统已经很多年了， 国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍。” 谐波频率与基波频率的比值（ n=fn/f1）称为谐波次数 。 谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。 当前 电力系统 中谐波源是多种多样的。主要有以下 3种 ： a)、铁磁饱和型 :各种铁芯设备 ,如变压器、电抗器等 ,其铁磁饱和特性呈现非线性。 b)、电子开关型 :主要为各种交直流换流装置 (整流器、逆变器 )以及双向晶闸管可控开关设备等 ,在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用
9、 ,并正在蓬勃发展 ;在系统内部 ,如直流输电中的整流阀和逆变阀等。 c)、电弧型 :各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间 ,其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性 ,使电流不规则的波动。 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。 同时，谐波的危害也是很大的，主要有以下几种： a）引起串联谐振和并联谐振，放大谐 波，造成危险的过电压或过电流。 b）产生谐波损耗，使发电、变电和用电设备效率降低 c）加速电气设备绝缘老化，使其容易击穿，从而缩短他们的使用寿命 d）使设备（电机、继电保护、自动装置等）运转不正常或不能正确操作 e）干扰通讯系统，降低信号的传输质量，破坏
10、信号的正确传递，甚至损坏通信设备。 电力系统 中的谐波的出现，对于 电力系统 运行是一种污染。它们降低了系统电压正弦波形的质量，不但严重地影响了 电力系统 自身，而且还危害用户和四周的通信系统 。 因此对 电力系统 谐波的研究对于改善电能质量，抑制和消除谐波具有十分重要的意义 。 工厂供电系统仿真 三相半桥仿真和谐波分析 2 1 绪论 1.1电力系统谐波 早在 19 世纪末， 人们就发现了电压、电流的波形畸变问题，并研究如何才能使畸变限制在可接受的范围内。在此，法国科学家傅里叶为谐波计算奠定了良好的基础。 而 电力系统谐波问题的研究大约起源于 20 世纪五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流
11、输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。进入 70年代后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重，从而引起世界各国的高度重视。 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家国际学术组织都制定了限制电力系统和用电设备的标准和规定 。 我国对 谐波问题的研究起步较晚，吴竞昌、夏道止、张直平等人分别对我国的电力系统谐波问题进行研究并著写了一些著作。 我国国家技术监督局于 1993年颁布了国家标准 GB T14549 93电能质量公用电网谐波，标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。 1.1.1 谐波的基本概念 国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气
12、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。” 而我们自己国家也有标准， 在中华人民共和国国家标准中，谐波的定义是：“谐波是对周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”。 从定义中我们可以看到： （ 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。谐波次数不能为非整数，因此也不能有非整数次谐波。 （ 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 Elec
13、trotechnical 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（ subharmonics) 为 频 率 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， 所以本文不予讨论。 1.1.2 电力系统谐波产生的原因 在电力系统中，通常是以正弦波方式进行供电的，这不但给电力系统的分析设计带来方便，而且使系统及用电设备的运行处于最佳状态。在理想的交流电供工厂
14、供电系统仿真 三相半桥仿真和谐波分析 3 电系统中，三相交流电压是平衡的，其方均根值和频率都应该是不变的，电压和电流的波形为正弦无畸变， 然而谐波的存在却使电压、电流的波形产生了畸变。 谐波产生的原因是由谐波源造成的， 当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。 当前 ,电力系统的谐波源主要有三大类：（ 1）、铁磁饱和型 :各种铁芯设备 ,如变压器、电抗器等 ,其铁磁饱和特性呈现非线性。（ 2）、电子开关型 :主要为各种交直流换流装置 (整流器、逆变器 )以及双向晶闸管可
15、控开关设备等 ,在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广 泛使用 ,并正在蓬勃发展 ;在系统内部 ,如直流输电中的整流阀和逆变阀等。（ 3）、电弧型 :各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间 ,其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性 ,使电流不规则的波动。 1.1.3 国家谐波标准 我国国家技术监督局于 1993年颁布了国家标准 GB T14549 93电能质量公用电网谐波，并于 1994年 3月 1号开始实施。此标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值， 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。表 1-
16、1是我国对 110KV及以下公用电网所做的各谐波产生的电压限值。 表 1-1 各级电网谐波产生的电压限值 2 MATLAB电力系统仿真简介 大家都知道电力系统的动态仿真研究不能在实验室进行电力系统运行模拟实现。所以我们必须要在一个模拟平台上实现。这时， MATLAB发挥了他的强大功能了。 MATLAB是 MathWorks公司于 1984年推出的数学软件，是一种用于科学工程工厂供电系统仿真 三相半桥仿真和谐波分析 4 计算的高效率的高级语言。 MATLAB经过几十年的研究与不断完善，现已成为国际上最流行的科学计算与工程计算软件工具之一，现在的 MATLAB已经不仅仅是最初的“矩阵 实验室”了，
17、它已发展成为一种具有广泛应用前景的、全新的计算机高级编程语言，可以说它是“第四代”计算机语言。而这次设计主要在这个软件中的电力系统工具箱 (SimPowerSystems)中实现。 2.1 MATLAB的特点 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。 MATLAB R2007a除了提供便利的开发环境、提供强大的数学应用功能、编程语言简易高效等功能外还添加了一些新的功能。例如： a） 编 辑器中增强了分隔符匹配，包括语言构造如 for、 if和 switch；浏览器搜索
18、结果中也包括了演示。 b） 增加了新的 inputParser类、新的 assert函数、新的 verLessThan函数； c） 支持多个线性代数和元素方式数值运算的多线程计算、提升了 Windows XP64位平台的性能； 正是由于它的功能强大， 使它获得了对应用学科的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件。 2.2 Simulink工具箱 Simulink 是 MathWorks 公司开 发的又一个产生重大影响的软件产品。它提供了崭新的控制系统模型图形输入与仿真工具。该软件有两个特别明显的功能：simu（仿真）与 link（链接）。
19、也就是说，可以直接利用鼠标在模型窗口中画出所需要的控制系统模型，然后再利用该软件提供的功能来对控制系统直接进行模拟。很明显，这种做法使得一个原来很复杂的系统变得相当容易输入。 Simulink更 提供了一个很人性化的图形用户界面，那就是 GUI，该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）
20、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 SimPowerSystems 库是 simulink下面的一个专用模块库，是在 Simulink环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。该库为电路、电力电子系统、电机系统、发电、输变电系统和配电计算提供了 强有力的解决方法。它含有 130工厂供电系统仿真 三相半桥仿真和谐波分析 5 多个模块，分布在 7 个可用字库中。这 7个子库分别为“应用子库”、“电源子库”、“元件子库”、“附加子库”、“电机子库”、“测量子库”和“电力电子子库”。 在这 7个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合、封装
21、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。 3 三相半波可控整流电路的仿真 三相半波可控整流电路带直流电动机负载仿真的系统主要由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等几部分组成。 三相半波可控整流电路带直流电动机负载 仿真主要使用 Simulink 中的SimPowerSystems工具箱，根据三相半波可控整流电路原理图，建立好合适的仿真模型后，设定直流电动机负载的参数、供电电源参数以及相关参数后输出相关关信号波形。 3.1 三相半波可控整流电路简介 可控整流电路基本可分为单相可控整流电路、三相可控整流电路以及由此发展来的大功率 6
22、相、 12 相整流电路等几类。单相可控整流电路可分为单相半波整流电路和单相全控整流电路两类，这种电路简单、调整方便，只是适用负载功率较小的场合。当负载功率较大时，考虑到三相负载的平衡，应采用三相可控整流电路。三相可控整流电路也分为三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路两类。其中最基本的是三相半波可控整流电路。三相半波可控整流电路只采用三个晶闸管，只需要三套触发电路，不需要宽脉冲或双脉冲触发。本次设计就是采用三相半波可控整流电路来模拟工厂供电系统仿真。 三相半波可控整流电路中的 3个晶闸管采用共阴极接法，即阳极分别接到 a、b、 c 三相交流电源中，他们的阴极连接在一起。采用这种接法是因为他们对应的触发电路有公共端，连线方便。 我们知道只要改变晶闸管触发角 的值，整流电路的工作情况也相应的发生变化。那这触发角的范围有多大呢？我们通过研究电阻负载发现：若 角持续增大，其整流电压将越来越少，直至 =150时，整流输出电压为零，所以 角的移相范围为 0 150。此时，整流电压平均值的计算也要分两种情况： （ 1） 30时，负载电流连续，有 c o s17.1c o s263)(s i n232 1 226562 UUwtw tdUU d （ 3-1） 当 =0时， Ud 最大，为 Ud=1.17U2。
