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摘要三相同步发电机运行仿真与GUI设计摘要同步发电机广泛应用于诸多领域。随着科技进步，自动化程度在不断地提高，因此同步发电机也需要不断改进来适应日益提高的自动化程度的需求，而同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，它的突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍，这种情况下对电机本身和相关电气设备都可能带来严重影响，所以从技术和安全上考虑直接进行试验可能性很小。因此，对同步发电机运行进行仿真具有很大的必要性。本设计是借助MATLAB的强大实验仿真功能和GUI设计功能，通过编写同步发电机某些故障状态下的M文件进行仿真实验得到仿真结果，并通过GUIDE来创建并进行设计仿真系统的登录界面以及仿真实验的主界面，从而更好地实现实验时的人机交互，清晰显示了个故障状态下的仿真波形，有利于大家掌握同步发电机故障状态下的各个性能指标。关键字：同步发电机；运行仿真 ；MATLAB ；M文件；图形用户界面IAbstractThree-phase Synchronous Generator Running Simulation and GUI DesignABSTRACTSynchronous generators are widely used in many fields.As the science and technology advancing,the level of automation is gradually improved,synchronous generators also need to be meliorated to adapt to the demand of constantly improvement of automation level.But synchronous generators are the most important and complex elements in the Power Systems.Their impulse current may reach more than ten times of the rated current when they suddenly short-circuited,which may bring serious impact to the machine themselves and the related electric equipments.Considering from the technical and safety ,it unlikely to do this kind of test directly .Therefore,it is quite essential to simulate of the running synchronous generators.This design is by means of the powerful simulation functions and GUI design tools of MATLAB, by analysing some kinds of trouble states of a synchronous generator to get appropriate M-file to simulate to get simulation results,and through GUIDE to create and design simulation system login interface and simulation experiment host interface.Thus, we can easier to achieve the human-computer interaction during the experiments.According to be showed with each trouble state simulation waveform, we can pay less efforts to master the synchronous generators fault conditions of each performance indicators.Keyword: Synchronous Generator;Running Simulation;MATLAB;M-file ;GUI II目录目录第一章 绪论.11.1选题的依据及意义.11.2同步发电机的研究现状和发展趋势.21.3 本课题的主要工作.21.3.1掌握同步发电机工作原理和工作特性.21.3.2 使用MATLAB设计一个系统登录界面.21.3.3编写同步发电机各运行状态M文件，并完成GUI的设计.3第二章 同步发电机基本理论.42.1同步发电机的类型和结构.42.2 同步发电机的电枢反应.52.3同步发电机的运行特性.52.3.1 同步发电机的空载特性52.3.2 同步发电机的短路特性62.3.3 同步发电机的外特性62.3.4 同步发电机的调整特性.72.4 同步发电机空载时三相突然短路的分析.7第三章 三相同步发电机的MATLAB仿真.103.1 MATLAB简介.103.2 GUI概述及设计要求.113.2.1 GUI概述.113.2.2 GUI设计要求.123.2.3 GUI设计的一般步骤.123.3 同步发电机的数学模型.123.3.1 同步发电机的原始方程.123.3.2 派克变换和d、q、0坐标系统.133.3.3用d、q、0坐标系统表示的同步发电机方程式.15第四章 仿真系统设计思路.184.1 同步发电机各状态下M文件编写思路.184.2 仿真界面设计思路.214.2.1 仿真主界面各组件的选择和布局.214.2.2 仿真主界面与各项目子界面的的连接.214.2.3 子界面的控件选择和布局.224.3 仿真系统登录界面设计思路.22第五章 仿真结果分析.245.1登录界面.245.2 仿真系统主界面.245.3 功角特性仿真结果及分析.255.4 同步发电机空载建立电压仿真结果及分析.265.5同步发电机突然单相短路仿真结果.265.5.1 同步发电机突然单相短路有阻尼仿真结果.265.5.2同步发电机突然单相短路无阻尼仿真结果.275.5.3 同步发电机突然单相短路仿真结果分析.275.6同步发电机三相突然短路仿真结果.275.6.1同步发电机三相突然短路有阻尼仿真结果.275.6.2同步发电机三相突然短路无阻尼仿真结果. 275.6.3同步发电机三相突然短路仿真结果分析.285.7 同步发电机突然两相空载短路仿真结果.285.7.1 同步发电机突然两相空载短路有阻尼仿真结果.285.7.2 同步发电机突然两相空载短路无阻尼仿真结果.285.7.3同步发电机突然两相空载短路仿真结果分析.285.8 转子绕子短路，定子突加对称电压仿真结果.295.8.1转子绕子短路，定子突加对称电压有阻尼情况下仿真结果.295.8.2转子绕子短路，定子突加对称电压无阻尼情况下仿真结果.295.8.3转子绕子短路，定子突加对称电压仿真结果分析.29第六章 结论.306.1 主要工作回顾.306.2待改进的地方.30致谢.31参考文献.32附录A 英文翻译原文.33附录B 英文翻译译文.42附录C登录界面程序源代码. 49附录D 仿真主界面程序源代码 .52附录E各子界面及同步发电机各状态微分方程源程序.54V第一章 绪论1.1选题的依据及意义电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备。在公元1831年英国法拉第将一个封闭电路中的导线通过电磁场，导线转动有电流流过电线，从而发现了电磁感应原理。他建造了第一座发电机原型，其中包括了在磁场中迥转的铜盘，此发电机产生了电力。就在法拉第发现电磁感应原理的第二年，受法拉第发现的启示，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U 形磁铁（通过手轮和齿轮使其旋转）的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N 极和S 极，并将线圈导线引出。这样，摇动手轮使磁铁旋转时，由于磁力线发生了变化，结果在线圈导线中就产生了电流。1967年，德国发明家韦纳冯西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁（即永久磁铁），而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流，从而做出了第一台具有实用价值的发电机，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。电能是我们现代人类赖以生存的资源。我国的电网是建立在高压的基础上，并不断推行智能电网的发展。发电机并网要求满足准同期条件,并网要求准确、快速。准确可以保障安全和减少并网对发电机引起的冲击,而快速则能够减小发电机的空载损耗。因此，随着电网自动化水平的不断提高，发电机也需要不断改进来适应自动化水平的发展需求。发电机的种类有很多,分为直流发电机和交流发电机两大类,后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流电流励磁,既能提供有功功率，也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。异步发电机由于没有独立的励磁绕组，其结构简单，操作方便，但是不能向负载提供无功功率，而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联，或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围，只能较多地应用于小型自动化水电站。城市电车、电解、电化学等行业所用的直流电源，在20世纪50年代以前多采用直流发电机。但是直流发电机有换向器，结构复杂，制造费时，价格较贵，且易出故障，维护困难，效率也不如交流发电机。故大功率可控整流器问世以来，有利用交流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机的趋势。同步发电机按所用原动机的不同分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机 3种。它们结构上的共同点是除了小型电机有用永久磁铁产生磁场以外，一般的磁场都是由通直流电的励磁线圈产生，而且励磁线圈放在转子上，电枢绕组放在定子上。因为励磁线圈的电压较低，功率较小，又只有两个出线头，容易通过滑环引出；而电枢绕组电压较高,功率又大，多用三相绕组,有3个或4个引出头，放在定子上比较方便。发电机的电枢(定子)铁心用硅钢片叠成，以减少铁耗。转子铁心由于通过的磁通不变，可以用整体的钢块制成。在大型电机中，由于转子承受着强大的离心力，制造转子的材料必须选用优质钢材。同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，它的突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍，这种情况下对电机本身和相关电气设备都可能带来严重影响，所以从技术和安全上考虑直接进行试验可能性很小。为了使在同步发电机发生故障是能准确、迅速的排除故障，恢复电机及其他相关设备的正常运行，最大限度地减少故障产生的危害，操纵人员必须掌握同步发电机故障状态下的各个性能指标。因此，对同步发电机运行进行仿真具有很大的必要性。一个界面友好的GUI，可以使用户更好的掌握所陈列的知识内容。所以，对于整个仿真系统而言，设计一个好的GUI与编写正确的可执行的故障状态程序同等重要。1.2同步发电机的研究现状和发展趋势电网使用的是交流电，因此发电厂一般都采用交流发电机。电网中的负荷大部分都是感性负载，所以必须由发电机提供无功功率，假如发电机为异步发电机，则其在并网后必然大量吸收无功功率，造成系统电压降低，电网无功缺额过大，无法维持合格的电压，而同步发电机既可以输出有功功率，也可以发出无功功率，因此同步发电机是一种常用的发电机。我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完成。第二代产品是在进行了大量实验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平。1979年开始进行TFW系列三相无刷同步发电机和TFDW系列单相无刷同步发电机的统一设计，1982年10月通过了样机鉴定工作，并推广生产，此两系列主要性能指标达到或接近当时的国际先进水平。随着电机行业的不断发展，电机产品的外压和内涵也不断拓展，并且电机的通用性逐渐向专业性方向发展，打破了过去同一类电机分别用于不同性质、场合的局面。电机正向专业性、特殊性、个性化方向发展。目前，随着现代化工业生产规模的逐渐增大，与之配套的生产设备也向着大型化、高速运转的方向发展，因而高电压等级、高功率、大容量、高性能电机发展方向是最重要的方向之一，这促使电机生产企业纷纷向高压电机行业靠拢，以提高企业、行业的竞争力。由于同步发电机具有别的电机无法比拟的优点，目前世界各国均在研究、生产和应用。不管是从高速发展的电力工业以适应国民经济飞跃发展的需要还是从提高发电机的效率降低运行成本着眼，都要求增大发电机的容量。为了降低电枢电流，还使用一些电气配套设备易于制造，或省去发电机的升压设备，这就要把同步发电机的额定电压提高到20KV以上，因此相应研究也在展开。世界能源需求的不断攀升和自然资源的日益枯竭，对能源供应商、工业企业及消费者都提出了新的挑战，尽可能以高效和可持续的方式使用能源成为了当务之急。风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕，能提供源源不绝，稳定的能源。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。用同步发电机发电是目前较普遍的发电方式之一，特别是变频器的广泛使用，解决了风力机转速和电网频率之间的耦合问题。通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机的转矩，从而控制风力机转速稳定，使之在最佳状态运行。相同条件下，同步电机比异步电机调速范围要更宽一些，运行要更可靠一些。但同步发电机也有不足之处，比如说它的永磁材料价格偏高，变流器为全功率变流技术，容量大、体积大、价格高、系统成本高。国内变流器技术处于研究试验和小批量应用阶段，技术要成熟还有待不断提高。今后，这两种技术在国内会并存发展，之后同步电机会成为主流，因为它代表了风电产业未来的发展方向。三相同步发电机行业的技术发展展望：(1) 全密封低噪声和地振动的精密轴承;(2) 先进的导磁材料（如以冷代热）。1.3 本课题的主要工作1.3.1掌握同步发电机工作原理和工作特性分析同步发电机的工作原理，了解同步发电机的空载特性、短路特性、外特性以及调整特性。并分析同步发电机在不正常状态下的影响，罗列相应的数学模型。1.3.2 使用MATLAB设计一个系统登录界面系统登录界面需要输入用户名以及密码，通过验证正确才可以进入仿真系统。密码输入必须不可见，及使用“*”覆盖。1.3.3编写同步发电机各运行状态M文件，并完成GUI的设计通过分析同步发电机运行状态的数学模型，编写相应的M文件。开辟一个GUI，罗列各运行状态的类型供用户选择，当点击选择相应的实验类型时，能够进入仿真界面并运行。第二章 同步发电机基本理论2.1同步发电机的类型和结构同步发电机的分类有各种方法，按结构特点来分，有凸极式的和隐极式的；立式的和卧式的。按通风方式分，有开启式、防护式、封闭式（循环通风）的。按冷却方式来分，有空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却方式。按原动机来分，有汽轮发电机、水轮发电机和其他原动机带动的发电机（如柴油发电机）。图2-1 同步发电机示意图同步发电机由定子部分和转子部分组成，具体为（1） 定子（静止部分）同步发电机定子与异步电机类似，更加强通风冷却效果。导磁的定子铁心是由冲槽叠片叠成，以减少定子铁心的铁损耗。定子铁心沿轴向长度上，每隔 3-6cm，留有通风沟，增加定子铁心的散热面积。在叠装时，把每层的接缝错开，以减少铁心的涡流损耗。定子铁心内圆开有槽，槽中放入三相对称绕组，定子铁心固定在机座上。定子绕组是由许多线圈联结而成，每个线圈又是由多股铜线绕制而成（水内冷电机用空心导线），绕制多股线时，为了减少集肤效应引起的附加损耗，在这些股线之间需要进行换位。换位一般在线圈的直线部分进行，定子绕组像异步电机一样，按60相带A、B、C三相空间对称分布。放在定子槽的导体是靠槽楔来压紧固定，其端部用支架固定。机座构成通风路径，机座的作用是为了固定定子铁心，因此要求它应有足够的机械强度和刚度，以承受加工、运输以及运行过程中的各种的作用力，一般汽轮发电机的机座是由钢板拼焊而成。同步发电机的定子输出电功率，并产生旋转磁场。（2） 转子转子分为凸极式的和隐极式的，凸极式的特点是有明显磁极，气隙不均匀，一般对数大于1，即用于低速发电机。隐极式的特点是转子相直流电机的旋转电枢，转子槽型都做成开口槽 ，槽中放入励磁绕组，有时也在槽底或侧面开有通风沟，励磁绕组的固定是一个很重要的问题，在槽里的导体用槽楔来压紧；端部的导体用护环来固定，励磁绕组通过在转子上的集电环与电刷装置才能与外面的的直流电源构成回路。隐极式的转子从外形来看，没有明显的凸出的磁极，它的气隙较均匀，一般极对数等于1，一般应用于高速电机。2.2 同步发电机的电枢反应电枢磁动势的基波在气隙中使得气隙磁通的大小及位置均发生变化这种影响称为电枢反应。当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布。它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与负载情况有关。当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电压降低；当负载呈电容性时,电枢反应磁场起助磁作用,会使发电机的输出电压升高。 2.3同步发电机的运行特性2.3.1 同步发电机的空载特性当同步发电机被原动机拖动到同步转速，在同步发电机的励磁绕组里通入励磁电流，就会在气隙里产生磁通。电枢绕组切割气隙磁通，产生对称的三相电动势，定子绕组开路，不接负载的情况为同步发电机的空载运行。空载运行时电枢绕组感应电动势称为发电机的空载电动势，这时等于定子端电压U，改变励磁电流 即可得到不同的和，从而可绘出在同步电机额定转速 下，与的关系曲线，即，此曲线则为同步发电机图2-2 同步发电机的空载特性曲线 的空载特性曲线。空载特性曲线的纵坐标是电动势,它是定子一相绕组中感应电动势的有效值，它基本上是气隙中基波磁通密度感应产生的（气隙中谐波磁通密度感应的谐波电动势，通过定子绕组的短距、分布被消弱，变得很小了）。空载特性的横坐标是实际的励磁电流，它产生的磁动势是实际的磁动势，而不是基波磁动势。空载特性虽然是在同步发电机空载的情况下得到的，但由于它表达的是励磁磁动势感应电动势的能力，所以在发电机负载的情况下仍能使用。2.3.2 同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性是发电机在同步转速下，将同步电机定子绕组出线端短路后，定子电流随励磁电流变化的特性。做同步发电机短路实验时，把定子三相出线端短接，将电机拖动到同步转速，在励磁绕组中通入励磁电流，这时电枢绕组中产生短路电流，改变励磁电流，可以得到不同的短路电流，由此可以得到同步发电机短路特性曲线，如图2-3所示：短路特性是一条直线，下面以隐极同步发电机为例说明理由。短路时定子绕组出线端电压U=0，气隙电动势为 （2-1）图2-3 同步发电机短路特性电流I在漏阻抗上的压降较小，是较小，气隙磁通密度也较小，电机磁路处于不饱和状态，合成磁动势也较小。由于电阻压降IR更小因此可以忽略，电枢反应磁动势与励磁磁动势方向相反，起直轴去磁作用。这时合成磁动势为两个磁动势的差值。因此当短路电流增大时，电枢反应磁动势会正比增加，气隙电动势也正比增加，由于磁路不饱和，使得合成磁动势也正比增加，从而造成励磁磁动势也正比增加，励磁电流也正比增加，因此电路电流与励磁电流会成直线关系。2.3.3 同步发电机的外特性图2-4 同步发电机的外特性同步发电机的外特性是指电机的转速为同步速不变，励磁电流和负载功率因数均为常数的条件下，改变负载电流I时，端电压U的变化曲线。图2-4表示不同功率因数负载下同步发电机的外特性。从图中可以看出，纯电感负载时，随负载电流增加端电压降落较少，电感性负载时，随负载电流增加端电压降落较多，而在电容性负载时，随负载电流增加端电压反而会升高。发电机的功率因数一般规定为0.8（滞后），在较大的电机中，也有规定为0.85或0.90.额定功率因数是由电力系统的需要情况而定。电机制造部门就按照所要求的额定功率因素进行设计。电机在额定电流下进行时的功率因数不宜低于额定值，否则转子电流将会发热，使它过热。当发电机投入空载的长输电线时，相当于发电机接电容负载，这种操作称为对输电线充电。发电机的充电电流是当励磁电流为零，端电压为额定值时的定子电流。从外特性也可以求出发电机的调整率，电压调整率用表示，=，它是表示同步发电机运行性能的重要数据之一，电压调整率大的电机，当负载变化时，会引起电网电压值的波动。现代同步发电机大多数装有快速自动调节励磁装置，使负载变化时，电网电压维持不变，对发电机的电压调整率要求已经放宽，但只是为了防止因故障跳闸切断负载时电压上升太多而击穿绝缘，要求小于50%，近代凸极同步发电机实际值约为18-30%以内。2.3.4 同步发电机的调整特性图2-5 同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性是指发电机的转速为同步速不变，负载的功率因数不变，当负载电流变化时，维持端电压不变，励磁电流的变化曲线，表示在图2-5上，从图可以看到，带纯电阻负载或电感性负载时，随负载电流增加励磁电流必须增加，才能维持端电压不变，此时称发电机在过励状态下运行。带电容性负载时，随负载电流增加励磁电流可能减少此时称发电机在欠励状态下运行。从调整特性可以知道，发电机运行在一定的功率因数下，维持端电压不变，负载电流可以到多大而不使励磁电流超过制造厂的规定，对运行人员是很有用的。2.4 同步发电机空载时三相突然短路的分析 (1)突然短路瞬间定子的感应电势设短路瞬间转子位置如图2-6(a), 将该瞬间取为时间零点，容易推导出定子三相绕组感应电势为： (2-2)(2)电枢电流的周期分量形成的磁场突然出现的对称三相电流必产生突然出现的旋转磁场，转速为同步速，转向与转子相同,所以，相对于转子位置不变，忽略电阻的影响，则电流落后于电势90度。同时，在时空相矢量图中三相合成磁势与A相电流相量在同一方向上，如图2-6(b)。显然电枢磁势轴线与励磁磁势矢量在同一轴线（d轴）上，但方向相反。 (a) (b)图2-6 同步发电机空载突然短路后的时空相矢量图 电枢电流形成的旋转磁场的磁力线如图2-7(a)所示，可以看出：它试图穿过闭合的阻尼绕组与励磁绕组，使其中的磁力线增加。自然，在励磁绕组与阻尼绕组中会产生感应电势与感应电流阻碍其增加，两者作用的结果，使得励磁绕组与阻尼绕组闭合回路中的磁通在短路瞬间不发生突变，因此，电枢磁场的磁力线只能走漏磁路。使磁阻很大，磁导很小，电抗很小。(3)电枢突然短路电流初始值从定子绕组的出线端向电机内部看的等效电抗，就相当于三绕组变压器第二、第三个绕组短路忽略电阻后所表现出的等效电抗，称为直轴超瞬态电抗。如图2-7(b)所示。图中， ,与依次为同步电机的电枢反应电抗、励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗。据图2-7(b)所示等效电路容易得到直轴超瞬态电抗的表达式(2-3) (a) (b)图2-7 电枢电流周期分量形成的旋转磁场的磁路及对应的电抗由于励磁绕组及直轴阻尼绕组漏电抗的值都很小，所以直轴超瞬态电抗的标么值一般只有0.10.15。显然，如果没有阻尼绕组或阻尼绕组不起作用，则等效电抗为 (2-4)称直轴瞬态电抗，标么值0.2左右。得到直轴超瞬态电抗后，与稳态短路时的情况相似，可以根据式（2-2），得到定子瞬态电流的表达式。在稳态短路时有.与稳态短路相比，直轴电抗从变为，所以定子瞬态电流为 （2-5）其初始值为 （2-6）由此可以得到定子瞬态电流周期分量的初始值 （2-7）第三章 三相同步发电机的MATLAB仿真3.1 MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB的特点和优势（1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。（4）出色的图形处理功能图形处理功能MATLAB具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足，实现计算结果和编程的可视化。 （5）应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。为用户提供了大量方便实用的处理工具.（6）实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。 （7）应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。3.2 GUI概述及设计要求3.2.1 GUI概述GUI 是 Graphical User Interface 的简写，即图形用户界面，准确来说 GUI 就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。GUI是由窗口、光标、按键、菜单、文字等说明对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化。GUI 是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人机环境三者作为一个系统进行总体设计。这种面向客户的系统工程设计其目的是优化产品的性能，使操作更人性化，减轻使用者的认知负担，使其更适合用户的操作需求，直接提升产品的市场竞争力。GUI 即人机交互图形化用户界面设计。纵观国际相关产业在图形化用户界面设计方面的发展现状，许多国际知名公司早已意识到 GUI 在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门专门从事 GUI 的研究与设计，同业间也成立了若干机构，以互相交流 GUI 设计理论与经验为目的。随着中国IT产业，移动通讯产业，家电产业的迅猛发展，在产品的人机交互界面设计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起了制约的作用。3.2.2 GUI设计要求创建MATLAB GUI必须具有以下3个基本元素：（1）组件 在MATLAB GUI中的每一个项目都是一个图形化组件。组件分为3类：图形化控件（按钮、编辑框、列表、滚动条等）、静态元素（窗口和文本字符串）、菜单和坐标系。图形化控件和静态元素由函数uicontrol创建，菜单由函数uimenu和uicontextmenu创建，坐标系经常用于显示图形化数据，由函数axes创建。（2）图形窗口 GUI的每一个组件都必须安排在图形窗口中。在画数据图像时，图形窗口通常会被自动创建。但还可以用函数figure来创建空图像窗口，空图像窗口经常用于放置各种类型的组件。（3）回应 如果用户用鼠标单击或用键盘输入一些信息，那么程序就要有相应的动作。鼠标单击或输入信息是一个事件，如果MATLAB程序运行相应的函数，那么MATLAB函数肯定会有所反应。实现一个GUI的过程包括两个基本任务：一是GUI的组件布局，另一个是GUI组件编程。另外，用户还必须能够保存并发布自己的GUI，使得用户开发的图形用户界面能够得到真正的应用。所用这些功能都能通过图形用户界面开发环境来完成。使用MATLAB创建一个GUI有两种方法：一是利用GUIDE创建GUI，另一个是利用编程创建GUI。GUIDE可以在布局GUI的同时可以生成两个文件：（1）FIG文件。该文件包括GUI的图形窗口和所有子对象（包括用户控件和坐标轴）的完全描述以及所有对象的属性值。（2）M文件。该文件包括用户用来发布和控制界面和回调函数的各种函数。该文件不包含任何组件的布置信息。由于GUI的设计需要遵循以下原则：（1）简单性。设计界面时，力求简洁。清晰地体现界面的功能和特征。删去可有可无的一些设计，保持整洁。图形界面要直观，减少窗口数目，避免在不同的窗口来回切换。（2）一致性。要求界面设计的风格尽量一致，不要和已经存在的界面风格截然相反。（3）习常性。设计界面时，应尽量使用人们所熟悉的标志和符号。（4）其他因素。还要注意界面的动态性能。比如界面的相应要迅速、连续，对长时间运算的要给出等待的时间提示，并允许用户中断运算等。3.2.3 GUI设计的一般步骤界面的制作包括界面设计和程序的实现，其过程不是一步到位的，需要反复修改，才能获得满意的界面。步骤1：分析界面所要求实现的功能，明确设计任务；步骤2：构思草图，从使用者和功能实现的角度出发，并上机实现；步骤3：编写对象的响应程序，对实现的功能进行逐项检查。3.3 同步发电机的数学模型3.3.1 同步发电机的原始方程在研究同步发电机特性时，常采取简化，把同步发电机看成理想同步发电机。同步发电机有六个磁耦合的绕组和相应的六个回路，可用各绕组的此联方程和各回路的电压方程描述。在建立方程之前，首先要选定各变量的正方向。图3-1标出了各绕组电流的正方向，图3-2示出了各回路的电路（只画了自感），其中标明了电压的正方向。根据上述规定，定子、转子各绕组磁链和感应电动势的正方向都符合右手螺旋定律。根据以上规定的正方向。由此可以得出定子和转子各回路的电动势方程：图3-1 同步发电机各绕组示意图 图3-2 同步发电机各绕组回路电路图根据上述规定，定子、转子各绕组磁链和感应电动势的正方向都符合右手螺旋定律，由此可以得出定子和转子各回路的电动势方程： （3-1）其中为磁链对时间的倒数。同步发电机各绕组的磁链是由本绕组的自感磁链和其它绕组与本绕组间的互感磁链组合而成。它的磁链方程为： （3-2）式中，为绕组a的自感系数，为绕组a和绕组b的互感系数；其余由此。由于q轴阻尼绕组Q与励磁绕组f与d轴阻尼绕组D垂直，所以。 （3-3）3.3.2 派克变换和d、q、0坐标系统由于发电机在转子的纵轴向和横轴向的磁导都是完全确定的，为了分析电枢磁势对转子磁场的作用，可以采用双反理论把电枢磁势分解为纵轴分量和横轴分量，这就避免了同步发电机稳态分析中出现改变参数的问题。同步发电机稳态对称运行，电枢磁势幅值不变，转速恒定，相对转子静止。它可以用一个同步转速旋转的矢量来表示。如果定子电流用一个同步旋转地通用相量表示(它是对于定子各相绕组轴线的投影的各相电流的瞬时值)，那么相量与矢量在任何时刻都同相位，而且在数值上成比例，如图3