电气工程及其自动化专业【毕业设计 文献综述 开题报告】工厂供电系统仿真和谐波分析----三相全桥仿真和谐波分析.doc

电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】工厂供电系统仿真和谐波分析-三相全桥仿真和谐波分析 （20_ _届）本科毕业设计工厂供电系统仿真和谐波分析-三相全桥仿真和谐波分析摘 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，GUIElectric power system simulation and harmonic analysis- three-phase full-bridge simulation and harmonic analysisAbstract With the continuous development of power electronic technology, more 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 harmonic 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 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 harmonic various parameters.Keywords: harmonic，simulink，fourier，GUI目录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1 谐波的基本概念11.2 谐波产生的原因21.3 国家谐波标准22 MATLAB电力系统仿真简介42.1 MATLAB特点42.2 Simulink工具箱42.3 SimPowerSystems电力系统模块库53 工厂供电系统电路仿真63.1 三相桥式全控整流电路简介63.2 整流电路对电网的影响分析63.3 电路的仿真73.3.1 系统的建模和参数设置73.3.2 系统的仿真参数设置143.3.3 系统仿真结果的输出及分析153.3.4 小结174 傅立叶计算及分析184.1 利用离散傅立叶进行谐波分析原理184.2 数据采集204.3 傅立叶分析214.4 供电质量分析225 GUI设计235.1 GUI设计235.1.1 设计原则235.1.2 设计忌讳245.1.3 设计步骤255.2 使用GUIDE创建GUI对象255.2.1 启动GUIDE255.2.2 添加控件组件265.2.3 设置控件组件的属性265.2.4 编写相应的程序代码275.2.5 运行GUI对象285.3 小结29结论30参考文献31致谢32附录33附录33附录34附录35附录361 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。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n50Hz，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n60Hz。（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。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（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 6K1 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、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2 MATLAB电力系统仿真简介MATLAB MATrix LABoratory,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, 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： 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）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 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。3 工厂供电系统电路的仿真对三相桥式全控整流电路带直流电动机负载进行仿真主要使用SimPowerSystems工具箱，建立好合适的仿真模型后通过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有关信号波形序列。 对三相桥式全控整流电路带直流电动机负载进行仿真的系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。3.1 三相桥式全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相、12相整流电路等几类。单相可控整流电路只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控整流电路和三相全控整流电路两类。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阴极的三相半波可控整流电路与一组共阳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： 3-1 输出整流电压的波形是两组半波整流电压的波形叠加。通过改变晶闸管的控制角，可以获得的直流电压。控制角的改变范围为。由于整流电路输出电压的波形是脉动的，所以输出电流的波形也是脉动的，可以看成一个恒定的直流分量和一个包含高频成分的交流分量组合。因为负载只需要直流分量，为了消除负载电流中的交流分量，应在电枢回路中串联一个平波电抗器，保证整流电流的波形在较大范围内比较光滑。对于直流电动机负载，过大的交流分量会使电机的换相恶化和损耗增大，因此应该在直流侧串联平波电抗器，使输出电流的波形比较光滑。3.2 整流电路对电网影响分析随着整流装置容量的不断增大和技术水平的不断提高，各工业部门应用的整流装置数量的快速增长，整流装置对电网以及电网上的其他负载的危害也在不断加大。在整流电路中，变压器元件的电流在大多数情况下，即使在最理想的情况下也是一定形状的方波或阶梯波，电流的波形和幅值取决于整流电路的形式和负载电流的平均值，也与控制角有关，高次谐波电流会引起电网电压波形的畸变，这个畸变的电压波形会影响电网上的其他负载，因此必须予以处理。抑制谐波措施大致有一下几种方法： 1 增加整流电路的相数，可知谐波中最低次的频率在不断增高，其幅值也越来越小，能够显著减少谐波的影响； 2 在整流装置输入端使用LC滤波器进行滤波； 3 减小控制角。各种晶闸管和其他电力电子器件的迅速发展与广泛应用，对于各个工业部门提高生产技术水平、改善生产过程和提高经济效益都有很大的作用。但是必须同时看到，随着各种电力电子设备应用数量的不断增大，电网中谐波的含量大大增加，造成了电力系统污染严重。变流装置实质上是一个非线性系数，交流侧电流是变流装置对直流电流进行调制的结果，直流侧电压是变流装置对交流电压进行调制的结果。两个结果相互作用，变流装置两端的高次谐波就是在这种情况下产生的。3.3 电路仿真3.3.1 系统的建模和参数设置 1 主电路的建模和参数设置三相桥式全控整流电路的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、同步6脉冲触发器、示波器等部分组成。 三相对称交流电压源的建模和参数设置首先从电源模块组中选取三个交流电压源模块，并将模块标签分别改为“Va”、“Vb”、“Vc”，即为A相、B相、C相，然后从连接器模块组中选取“Ground”元件和“Bus Bar”元件进行连接。双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在A相交流电源参数设置中，幅值取311.13V，初相位设置成0，频率为50Hz，其他为默认值，如图3-1所示。B、C相交流电源参数设置方法与A相基本相同，除了将初相位设置成互差120外，其他参数与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。 图3-1 A相电源参数的设置 晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”，然后双击模块图标，打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图3-2所示。当采用三相整流桥时，桥臂数取3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子元件选择晶闸管。参数设置的原则如下，如果是针对某个具体的交流装置进行参数设置，对话框中的Rs、Cs、Ron、Lon、Vf应取该装置中晶闸管元件的实际值，如果是一般情况，不针对某个具体的变流装置，这些参数可先取默认值进行仿真。若仿真结果理想，就可认可这些设置的参数，若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。这一参数设置原则对其他环节的参数设置也是适用的。 图3-2 晶闸管整流桥参数设置 平波电抗器和电阻的建模和参数设置。首先从元件模块中选取“Series RLC Branch”模块，并将模块标签改为“平波电抗器”，然后打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图3-3所示，平波电抗器的电感值和电阻的阻值是通过仿真试验后得到的优化参数。 图3-3 电源内阻参数设置 直流电动机的建模和参数设置。首先从电动机系统模块组中选取“DC Machine”模块，并将模块标签改为“直流电动机”。直流电动机的励磁绕组“F+F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可以从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，电枢绕组“A+A-”经平波电抗器和电阻接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL端口接恒转矩负载。电动机的参数设置步骤如下，双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数对话框，直流电动机的参数设置如图3-4所示。参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。图3-4 直流电动机参数设置 同步脉冲触发器的建模和参数设置。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可从附加控制子模块组获得。6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。输入端Block为触发器模块的使能端，用与触发器模块的开通与封锁操作，触发器开关信号为“0”时，开放触发器，开关信号为“1”时，封锁触发器。“alpha_deg”是移相控制角信号输入端，单位为度（）。该输入端可与“常数”模块相连，也可与控制系统中的控制器输出端相连，从而对触发脉冲进行移相控制。输入端AB、BC、CA是同步线电压的输入端，同步线电压就是连到整流桥的三相交流电压线电压。本设计中的移相控制电压触发脉冲是从60开始的，因为触发脉冲要与三相交流电源的线电压同步，必须将角度减去60才能与三相交流电源的线电压同步（Uct与Ua同相位，Uab相位落后Uct 60）。同步6脉冲触发器参数设置对话框如图3-5所示，在该例中设置同步电压频率为50Hz，脉冲宽度为10。图3-5 同步脉冲触发器参数设置 波形显示模块建模数设置首先从电力电子模块组中选取“scope” 模块，“Demux” 模块和“Multimeter”模块，将它们连接起来，如图3-6所示。 图3-6 波形显示模块双击“scope”模块图标，打开示波器的波形显示图，在工具栏点击，打开示波器参数对话框，参数设置如图3-7所示。这里可以设置显示波形数目，时间范围等，根据自己的要求进行修改。图3-7 示波器参数设置双击“Demux”模块，打开参数对话框，如图3-8所示。根据示波器显示波形数目的多少进行设置。图3-8 Demux参数设置双击“Multimeter”模块，打开对话框，如图3-9所示。电气元件框中显示可测量的电气量，根据仿真的要求，把需要测量的量添加到右侧的被选测量框中。 其他附加模块如在电源侧加电阻，作为线路上的电阻。电源两端的电压需用电压表测量，电压表直接接示波器，就能观察电压波形。图3-9 万用表元件参数设置晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可以输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为500N/m。参数为500 N/m，谐波在电源侧的影响较明显。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，我们可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。将主电路和控制电路的仿真模型按照晶闸管直流调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接，即可得图3-10所示的三相桥式全控整流电路带直流电动机负载的仿真模型。图3-10 三相桥式全控整流电路仿真模型3.3.2 系统的仿真参数设置在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“configuration Parameters”设置，如图3-11所示。图3-11 仿真参数设置单击“configuration Parameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图3-12所示，仿真中选择的算法为ode23。由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法，可通过仿真实践进行比较选择。仿真“Start time”一般设为0，“Stop time”根据实际情况而定，这里取10s，因为电动机的启动过程很慢，需要一段时间后才能在恒定速度下转动。 图3-12 仿真参数设置对话框3.3.3 系统的仿真参数设置当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。在MATLAB的模型窗口点击仿真按钮，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。双击示波器，通过示波器模块观察仿真输出波形，如图3-14（a）、（b）、（c）、（d）所示。图3-13 a 三相电源电压波形图3-13 b 晶闸管电压波形图3-13 c 电动机电枢电压波形图3-13 d 直流电动机各参数波形从图3-14可以得出以下结论： 从触发角时的情况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点：每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同1相的晶闸管。导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管导通时，它就不承受压降。 6触发脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次相差120。3.3.4 小结在系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行。在对晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置进行参数设置时，如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话框中的有关参应取该装置的实际值；如果不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。若仿真结果理想，可认可这些设置的参数；若仿真结果不理想，则通过仿真试验，不断进行参数优化，最后确定其参数。给定信号的变化范围、调节器的参数等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真实验，不断进行参数优化。具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小值进行仿真，弄清他们对系统性能影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。由于仿真时间根据实际情况而定，以能够仿真出完整的波形为前提。由于实际系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用那一种算法更好，这需要通过仿真实践，从仿真能否进行、仿真速度、仿真精度等方面进行比较选择。4 傅立叶计算及分析傅立叶分析在信号处理领域有着广泛应用，显示生活中大部分信号都包含多个不同频率组件，这些信号组件频率会随着时间或快/或慢的变化。傅立叶系列和傅立叶变化是用来分析周期或者非周期信号的频率特性的数学工具。从时间的角度来看，傅立叶分析包括连续时间和离散时间的傅立叶变换，总共有四种不同的傅立叶分析类型：连续时间的傅立叶系列、连续时间的傅立叶变换、离散时间的傅立叶变换和离散傅立叶变换/系列等。本文主要采用离散傅立叶变换。4.1 利用离散傅立叶进行谐波分析原理在离散采样的基础上，利用傅立叶变换法计算各次谐波，是当今电力系统中谐波分析最有效的方法之一。 4-1 当电力系统的电压和电流都含有n次谐波，且都是周期函数时，则电压电流可表示为各次谐波分量的迭加。当u t 和i t 满足“狄利克雷条件”时，根据傅立叶级数收敛定理，电压电流可以表示为傅立叶级数的形式，通过变换能得到各次谐波的幅值、相位如下: 4-2 4-3 式中、n次谐波电压、电流的有效值； 基波角速度； 、n次谐波电压、电流的初相角；可见只要求出了、，就能求出第n次谐波的幅值和相位，从而使问题得到解决。根据傅立叶级数理论，可以得到 4-4 4-5 4-6 4-7 因,设U n 、I n 如下： 4-8 4-9 恰好这两式就是u t 和i t 的傅立叶变换公式。根据等的傅立叶公式，可得 4-10 4-11 4-12 4-13 由此可见，确定等得关键在于傅立叶变换的求解，求得、后，可求出各次谐波的有效值 4-14 4-15 由于计算机只能进行离散的数值计算，因此对周期连续函数u t 在基波周期T内进行N点的等间隔同步采样，得到电压和电流的序列 u k ， i k ，其离散傅立叶变换 DFT 为 4-16 4-17 4.2 数据采集在Matlab中数据的处理都在workspace处理，to workspace模块将仿真的数据与Matlab处理数据紧密联系，将仿真的数据传到workspace中进行处理。首先从元件模块组中选取“to workspace”模块，如图4-1所示。然后双击该图标，打开参数对话框，如图4-2所示。再把“to workspace”模块接到产生电源侧的电压波形上。再次运行仿真模型，workspace界面中就产生了两组数据，一组是时间的输出（tout），还有一组是时间对应的值的输出（simout）。将这些数据保存起来，用于调用。 图4-1 to workspace模块然后双击该图标，打开参数对话框，修改是否可以传递等参数选项，如图4-2所示。 图4-2 to workspace模块参数设置4.3 傅立叶分析当仿真结束后在workspace中自动形成变量simout数据信息, 保存变量simout里的数据信息，将信息存储成名为shuju的MAT-file文件以便傅立叶变换所需。编写一个程序用M文件保存，使其能利用此数据对simout的一个周期数据进行时域分析，M文件程序如附录所示。其输出图形如图4-3所示。 图4-3 simout变量的一个周期波形利用已保存的数据编写一个M文件对其快速傅里叶变换，其程序如附录所示。波形如图4-4所示。 图4-4 simout快速傅立叶变换结果4.4 供电质量分析从本次仿真过程中已知参数的情况下，从DFT变换结果 图4-4 可知，基波为50HZ，幅值为275V。检测波形中只含有奇次谐波，从图形中得到如下结论：7次谐波的幅值大小为60V,其他基本为零。根据电能质量公用电网谐波来判断谐波是否超出允许范围。表4-1各级电网谐波产生的电压限值7次谐波含量 从上式可知，7次谐波含量远远超出允许值。新建一个M文件，编写程序，程序如附录所示。运行该程序，得到如图4-5所示的图形。该界面可以直观的让用户了解谐波分量与标准对比情况。图4-5 谐波分量与标准对比情况5 GUI设计 GUI，英文全名Graphical User Interface,直译为图形用户界面，它实际上是指这样的程序：用户可以在前台界面中通过一系列鼠标、键盘操作，指挥后台程序实现某些功能。这是一种大大提高程序易用性、交互性的计算机编程方法。 在MATLAB中，GUI编程和M文件编程相比，除了要编写程序功能的内核代码外，还需要编写前台界面。MATLAB的图形用户界面程序的前台界面由一系列交互组件组成，这包括按钮、单选框、文本框、标签文字、滑动条等。MATLAB把实现程序功能的内核代码和这些交互组件的鼠标或键盘事件关联起来，即通过设置这些交互组件的回调函数，来完成特定交互事件下后台程序完成的功能。5.1 GUI设计在GUI设计程序前，首先考虑设计对象的结构和开发流程。开发前的思考、开发文档的编辑对于理清编程者的思路、提高开发效率有十分重要的作用。这也是软件工程思想所需要的基本要求。不同的要求，设计出来的GUI也千差万别。一个优秀的界面基本上符合下面的标准：易用性、统一性、规范性和合理性。5.1.1 设计原则 1 关注用户的需求，以用户为主我们所要设计的界面是为用户服务的，所以，界面需要去适应用户，而不是要用户去适应界面，被界面所控制。用户扮演的是主动角色，而不是被动角色。用户对于软件的操作具有一定的目的和期待，这些应该是GUI设计者需要抓住的重点，它是用户与软件产品进行良好互动的桥梁。如果设计者只关注软件功能的添加而忽略了用户的兴趣和目的，有可能造成所增加的功能不能完全满足用户的需求，用户很少甚至几乎不使用这些功能的问题。用户需要软件符合他们的职业思维方式、行为方式和任务需求，GUI的设计要尽可能的提供给用户所熟悉的工作方式和任务结构。 2 完成用户所需要的所有功能 作为一个设计良好的GUI，最主要，也是最核心的目标是能够完成用户所需要的所有功能，用户通过界面操作就可以实现所需要功能，无论怎样的界面优化都需要在此基础上进行 。在满足用户功能需求的前提下，应尽量提高系统对用户操作的响应时间，同时降低用户操作的出错率，提高系统的容错率。用户并不了解系统设计的具体细节和内部结构，所以最初通过GUI对软件进行的操作也几乎完全是凭借自己的直觉与行为习惯来完成的。虽然有些软件也会对用户进行操作培训并附加操作手册，但对于培训学习的效果却并不能保证。还应该考虑到用户对界面的探索兴趣，从尝试和错误中进行学习的情况。所以，这就需要GUI设计者在设计过程中尽可能用一些布局方式将用户行为引导在一个正常操作的范围内，使他们遵守操作规范。即便是用户出现了一些违规操作，系统也能及时的做出判断并给予响应 ，显示友好的提示信息，自动做出容错处理 。 3 统一的界面语言，一致的界面风格GUI设计者们发现，给用户带来操作的困难很大程度上是来源于系统操作和显示的复杂性。所以，为了尽量避免这一问题，保持界面与操作的一致性，将界面设计简洁化，避免复杂而过多的操作步骤，同时采用一些有助于记忆的设计方案 ，符合用户的视觉期待和视觉过程。例如将重要信息的显示设置在同一方位; 使用用户所熟悉的词汇;采用菜单和图标操作来代替使用键盘输入命令的方式，使得用户可以使用鼠标操作这些图形化符号;界面结构和菜单结构应当一致;按钮、图标功能与用户直觉应尽量保持一致等。这些都可以在很大程度上减少用户的记忆负担和认知负担，以及用户对于系统的任务与操作之间的转换负担，进一步提高系统的可操作性。 4 屏蔽系统内部设计的复杂性整个GUI设计要能集中用户的注意力于自己的任务行动中，让用户按照自己的个人行为对软件进行操作，而不必去考虑软件系统内部结构和操作过程，不被系统的推理过程和行为过程分心，为用户屏蔽掉系统内部设计的复杂性。例如采用多窗口功能使用户立即启动一个操作任务而不需要考虑整个系统当前所处的任务状态.用户的操作行为是受其思维动机的牵引而随时转变的，但计算机的运行过程则不然，它只能从一种状态连续的过度到另一种状态，不能跳跃进行。很多时候，用户在对系统进行操作时总会顾虑到计算机的状态是如何转换的，以及一些计算机辅助操作是如何进行的，致使用户的操作行为受到限制。5.1.2 设计忌讳在GUI的设计规则中，不可不提到GUI设计的一些禁忌，在这里举例说名一些GUI设计上的细节但却是常见的错误问题。 1 页面设置问题将复选框用作单选按钮使用;无初始值的多选一设置;单选按钮之间的间隔太大;属性标记对齐方式不一致;使用容易被忽略的图片链接;需要向下滚动才能看到当前页面中的重要信息;无意义的虚假进度条等等。这些都是在GUI页面设计中应尽量避免出现的错误。 2 功能实现问题同一页面包含重复功能的链接或按钮;窗口的标题和调用的命令不一致;当前无效的控件不充分置灰显;取消按钮无法真正取消操作:返回按钮不能达到预期的目的;在同一个窗体上，命令按钮超过六个;图片按钮对鼠标按下操作没有视觉上的变化等等。这些系统功能实现上出错的问题，对于GUI的设计者来说是不能忽略的 。 3 面向用户的显示问题显示对用户无意义的错误提示;只显示只读数据而无任何说明;要求用户输入随机数据而无制约性提示;没不考虑用户可能的人为错误输入;不同类型的页面窗口显示相同的标题;具有相似功能却有不同显示的用户操作界面等等。这些显示问题会严重影响到用户与系统交互的质量 。除上述的问题之外，认为漂亮的GUI就是好的GUI;忽略了GUI的易用性; 标注不够简洁，存在冗余的词语;整体设计过于花俏，失去了视觉平衡性，隔离了系统与用户之间的互动交流等等。作为GUI设计者来说，这些容易被忽略的细节问题也要尽量避免。5.1.3 设计步骤为了高效率地开发一个GUI，必须按照一定的开发步骤，而不能“需要即添加”。具体步骤如下： 1 分析界面所要求实现的主要功能，以明确设计任务。 2 在纸上绘出界面草图，并站在使用者的角度审查草图。 3 按照构思的草图上机制作静态界面，并检查它。 4 编写界面动态功能的程序，对功能进行逐项检查。5.2 使用GUIDE创建GUI对象5.2.1 启动GUIDE首先，在MATLAB的工作空间中输入“guide” 就可以进入图形用户界面的导航菜单，打开GUIDE Quick start，它有两个选项，一个是Create New GUI， 一个是Open Existing GUI；在导航菜单中选择Create New GUI里的Blank GUI，就可以进入用户界面的设计。如何是修改以前的模板的话，则进入“Open Existing GUI”选项卡.这里我们选择BlankGUI 空白模板 ，单击OK，可以看到在输出编辑器中打开一个新的GUI设计窗口，如图所示，我们进入了GUI界面编辑系统。该界面与我们经常看到的Windows面向对象的界面一样，它相当于GUIDE各种工具的一个控制面板。这个控制面板大体上可分为三个区域，即控件区、菜单区和绘图区。单击网格区域的右下角并进行拖拉，可以改变用户界面的大小。5.2.2 添加控件组件Matlab7版本的控件区共有13种不同类型的控件，比较常用的分别有 pusbbuton 按钮 、radiobutton 单选框 、togglebutton 开关按键 、checkbox 检录按键 、listbox 列表框 、popupmenu 弹出框 、slidcr 滚动条 、 edit 可编辑文本框 、text 静态文本框 、axes 平面坐标图 和panel 控件区域框 。可通过拖曳的方式将这些控件在绘图区生成。在GUI中添加各种控件，并把它们拖拉到设计区，然后在GUI中添加两个坐标轴、两个弹出菜单、两个按钮、两个检录按钮，按照设计要求排列组合控件。如果控件具有相同的对象，可以用对齐工具将各控件对齐。排列好后的图形界面如图5-1所示。图5-1 组件重新布局后的图形5.2.3 设置控件组件的属性下表列出了控件组件的属性值：表5-1 属性值的修改对象属性名属性值Popup MenuString黑色|红色|绿色|蓝色|青色|品红色|黄色|白色实线|双划线|虚线|点划线CheckboxString打开网络显示坐标轴Value1PushbuttonStringX（n）的波形X（n）的DFT5.2.4 编写相应的程序代码在输出编辑器中完成GUI的设计和属性设置以后，下一步工作就是进行编程。其主要内容包括：a 创建GUI M文件；b 打开GUI M文件；c 在回调函数间共享数据；d 识别回调函数第一次保存或运行GUI时，GUIDE会生成一个函数式M文件，它包含每个控件通常要用到的回调函数的框架，以及一些初始化代码，一个初始函数回调和一个输出函数回调。在所有M文件中，初始化函数是首先调用的。一般用它进行数据初始化和控件默认属性设置。要使回调函数工作，必须在初始框架中添加代码。通过将数据保存到MATLAB hanfles结构中，可以实现回调间的数据共享。GUI中的所有控件使用同一个handles结构。它会传递一个输入变量给GUIDE生成的所有回调函数。GUIDE生成M文件以后，GUIDE将相同的名称指定给FIG文件和M文件。一旦GUIDE创建了M文件，就可以通过在工具栏上的单击M文件按钮来打开MATLAB编辑器。在编辑器中，可以通过单击工具栏上的函数按钮，然后在下拉式列表框中选择目标回调来将光标移动到指定的回调函数，如图5-2所示。 图5-2 在回调列表中选择某个回调函数运行GUI所需m程序如附录M文件工具栏上的运行按钮，MATLAB会自动调用前面步骤中编写的程序代码.运行结果如图5-3所示。 图5-3 GUI运行结果改变弹出菜单中的颜色和线性，点击其中一个按钮，图形的颜色和线性就会发生变化，不去点击，图形的颜色和线性就不会发生变化。5.3 小结本章所做的谐波的傅立叶分析系统是通过GUI中输出控件开发的，主要是通过GUIDE向导来实现系统的设计。本设计分三部分，一是在GUI窗口上布局控件并设置GUI控件的属性；二是GUI编程；三是谐波的傅立叶分析系统的实现。结论MATLAB在提供强大的计算功能的同时，今年来还大力发展了面向对象的图形技术和GUI技术，使用户可以轻松实现数据的交互式显示。MATLAB的图形绘制、图形高级操作以及GUI这些方面的应用日益普遍。使用MATLAB提供的图形设计技术，用户无须了解图形实现的细节内容，有时甚至只需几个简单的函数就可以绘制非常复杂的图形。另外，用户还可以根据需要来规划、设计MATLAB的图形外观，不断调整完善，直至绘图结果完全符合用户要求。总之，利用MATLAB提供的GUI设计工具或编写程序，可以简单、便捷地设计出美观、方便的菜单化和控制式的人机交互界面。本设计利用MATLAB的电力系统仿真元件库中的众多模型，建立了三相晶闸管全桥整流电路带直流电动机负载仿真模型，仿真是本设计的重要任务。在此基础上进行了非线性负荷下的波形畸变情况的仿真研究，分析了整流装置的负载阻抗对电网电压波形的影响，证实了非线性负荷中的参数是造成电网电压畸变的重要因素。利用傅立叶分析计算了畸变波形的各谐波分量，对照中华人民共和国国家标准GB/T 145491993电能质量 公用电网谐波是否超出允许范围。最后设计了一个简单的G