湖北民族學(xué)院 張 俊 完顏幸幸 邢潤(rùn)國(guó) 陳坤燚 譚必?zé)?/p>

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字仿真技術(shù)也逐漸發(fā)展起來(lái)，目前已經(jīng)成為研究電力系統(tǒng)的有效手段之一，MATLAB/simul ink為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真提供了便捷的平臺(tái)。迄今，有許多學(xué)者利用simul ink作了大量的電力系統(tǒng)仿真研究，然而，這些研究多是以解決某一特殊問(wèn)題而設(shè)計(jì)的仿真模型，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，不適合用于電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。利用圖形用戶界面的直觀性、可調(diào)性、便捷性可以很好地向?qū)W生們展示電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程。從以上分析來(lái)看，本文借助MATLAB/simul ink方便、快捷的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真能力以及MATLAB/GUI的界面制作功能來(lái)研制具有通用性、直觀性、系統(tǒng)性的電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有重要意義。

1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。用戶通過(guò)主界面選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，仿真平臺(tái)切換至相應(yīng)的GUI實(shí)驗(yàn)界面，在這個(gè)GUI界面上有一些實(shí)驗(yàn)所要用到的模塊。編輯框用來(lái)儲(chǔ)存simul ink參數(shù)的值和顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)部分，坐標(biāo)系則用來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的圖形部分，“電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)simul ink模型”和“電力電子實(shí)驗(yàn)simul ink模型”用來(lái)儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)所需要的simul ink模型，按鈕是運(yùn)行整個(gè)界面的開(kāi)始鍵，點(diǎn)擊按鈕，GUI界面首先會(huì)將編輯框內(nèi)的數(shù)據(jù)賦給simul ink模型，然后調(diào)用并運(yùn)行該模型，運(yùn)行結(jié)束后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將顯示在坐標(biāo)系和編輯框內(nèi)，其縮放比例可以通過(guò)修改用戶界面的編輯框內(nèi)的值來(lái)進(jìn)行調(diào)整。為便于對(duì)圖像進(jìn)行更多的后期處理，本平臺(tái)還將自動(dòng)創(chuàng)建了f igure處理框。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于MATLAB/GUI的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

2.1 功能界面設(shè)計(jì)

在明確系統(tǒng)功能后，搭建完成主界面框圖。在這個(gè)界面中設(shè)計(jì)了兩個(gè)坐標(biāo)系：上方坐標(biāo)系用來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)的原理圖，下方坐標(biāo)系用來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖；設(shè)計(jì)了靜態(tài)文本框，用來(lái)顯示控件功能說(shuō)明；設(shè)計(jì)了按鈕，用于開(kāi)始運(yùn)行simul ink模型；設(shè)計(jì)了編輯框，用于對(duì)simul ink模型中相應(yīng)元件賦值和顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；建立一級(jí)菜單“電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”、“電力電子實(shí)驗(yàn)”，并在相應(yīng)菜單下建立子菜單項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于兩類實(shí)驗(yàn)的各個(gè)子實(shí)驗(yàn)。由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)和輸出結(jié)果都不同，一個(gè)界面難以滿足所有實(shí)驗(yàn)需求，所以每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都需要搭建獨(dú)有的界面，這些界面可以通過(guò)點(diǎn)擊一級(jí)菜單下的子菜單來(lái)相互切換。

2.2 界面控件的功能實(shí)現(xiàn)

界面搭建完成后會(huì)生成相應(yīng)的m文件，通過(guò)在m文件中編寫(xiě)函數(shù)來(lái)給相應(yīng)控件賦予相應(yīng)的功能。

（1）電壓、電阻、電抗編輯框的功能實(shí)現(xiàn)。將simulink中的元件值賦成變量，例如為k，則用：k=str2num(get(handles.edit1,’string’));語(yǔ)句將GUI界面中編輯框中的的值賦值給k，這樣就可以隨意在GUI界面更改simulink模型里的各個(gè)元件參數(shù)值，也因此可以獲得不同參數(shù)值下的輸出結(jié)果。這里我們已經(jīng)設(shè)定了其初始值。

（2）功率曲線結(jié)果圖，控制信號(hào)結(jié)果圖按鈕的功能實(shí)現(xiàn)。使用options = simset(‘SrcWorkspace’,

‘current’);sim(‘fengli’,[],options);會(huì)在按鈕激活時(shí)運(yùn)行名為guangfu的simulink模型，并通過(guò)plot（tout，yout）和plot（tout，yout1）繪圖函數(shù)將所得結(jié)果顯示在相應(yīng)的坐標(biāo)系中。

（3）測(cè)量值編輯框功能實(shí)現(xiàn)。其功能是將莫一時(shí)刻運(yùn)行的結(jié)果值顯示到編輯框內(nèi)，回調(diào)函數(shù)為：

w=q/3.5591e-004;

e=round(w);

y=yout(e);

set(handles.edit4,’string’,y);

其中q值我們所需測(cè)量的時(shí)間值。由于y=yout(e)語(yǔ)句是取第e步的輸出值，所以需要將q值轉(zhuǎn)換為步長(zhǎng)，既w=q/3.5591e-004 ，通過(guò)assignin(‘base’,’valueX’,tout);函數(shù)將基本工作空間里的tout值以valueX名字保存到workspace空間，進(jìn)而可以獲得每步的時(shí)間3.5591e-004。此外還要對(duì)其取整e=round(w)；注意的是，由于simulink取得是變步長(zhǎng)，所以得到的y值并不為十分精確的值。

(4)“可更改坐標(biāo)軸”編輯框的功能實(shí)現(xiàn)。有時(shí)候我們只需要研究某一段時(shí)間內(nèi)的結(jié)果圖，因此就需要根據(jù)我們的要求限定返回圖形的x、y軸的坐標(biāo)上下限。因?yàn)樽鴺?biāo)限定函數(shù)axis[k1，k2，k3，k4]中k的值必須都為有效值，不能為空，當(dāng)只需限定x軸或者y軸時(shí)該函數(shù)就會(huì)報(bào)錯(cuò)。而xlim和ylim函數(shù)只允許單獨(dú)對(duì)x、y坐標(biāo)的限定，當(dāng)我們沒(méi)有給出有效值時(shí)，該函數(shù)會(huì)出錯(cuò)。因此在這里可以將xlim、ylim和axis函數(shù)相結(jié)合，使用try——catch——end結(jié)構(gòu)可以使其功能得以兼顧優(yōu)化，既:

try

axis([k1,k2,k3,k4]);

catch

try

xlim([k1 k2]);

catch

ylim([k3 k4]);

end

2.3 錯(cuò)誤提示框、關(guān)閉提醒框的設(shè)計(jì)

當(dāng)坐標(biāo)軸的范圍值超出仿真時(shí)長(zhǎng)或者編輯框輸入格式不正確時(shí)，GUI界面就不會(huì)運(yùn)行，此時(shí)就需要顯示錯(cuò)誤類型并提醒用戶更改參數(shù)，將顯示錯(cuò)誤輸入框。一般的GUI界面關(guān)閉時(shí)沒(méi)有任何提示，為了防止錯(cuò)誤關(guān)閉設(shè)計(jì)了提醒框，關(guān)閉時(shí)會(huì)提醒是否關(guān)閉當(dāng)前界面，避免了錯(cuò)誤關(guān)閉。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析界面設(shè)計(jì)

當(dāng)需要對(duì)結(jié)果圖進(jìn)行保存或者對(duì)圖形做更多的處理時(shí)，可以在仿真按鈕函數(shù)下添加h=fi gure;plot(tout,yout)語(yǔ)句，運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出fi gure處理框，在這里面可以對(duì)圖形做更多的處理。

2.5 simulink模型的搭建

GUI界面運(yùn)行時(shí)會(huì)調(diào)用運(yùn)行“電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)simulink模型”和“電力電子實(shí)驗(yàn)simulink模型”中的模型，其運(yùn)行結(jié)果將會(huì)顯示在GUI界面中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)simulink模型。以“電力電子實(shí)驗(yàn)simulink模型”中的太陽(yáng)能發(fā)電最大功率點(diǎn)的simulink模型為例，此模型意在用采用爬山法實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的MPPT自動(dòng)控制（為簡(jiǎn)化過(guò)程，光伏電池可用電壓源+內(nèi)阻模型代替），并將輸出功率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近，最終搭建完成總模型。

圖2 沒(méi)有使用爬山算法時(shí)的功率輸出圖

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行效果分析

在進(jìn)行用爬山法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有使用爬山算法模型時(shí)，其功率輸出如圖2所示。橫坐標(biāo)顯示時(shí)間，縱坐標(biāo)顯示系統(tǒng)輸出功率的大小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，輸出功率曲線隨時(shí)間表現(xiàn)為一條先上升后下降的曲線，最終功率不能穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近。由圖可知，此系統(tǒng)的輸出功率不能穩(wěn)定在最大發(fā)電功率下。在使用爬山法模型后的功率輸出結(jié)果如圖3所示。此系統(tǒng)的輸出功率就可以穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的附近。綜上所述，此平臺(tái)的輸出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)本身結(jié)果一致。

圖3 使用爬山法模型后的功率輸出圖

4 結(jié)束語(yǔ)

這個(gè)平臺(tái)擁有較為完善的電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和電力電子實(shí)驗(yàn)仿真模型，在使用時(shí)可以直接調(diào)用，并且參數(shù)修改方便，所得結(jié)果也很清晰明確，節(jié)省了大量時(shí)間，有很好的教學(xué)實(shí)用性，直觀的結(jié)果圖還方便大家理解。后期還可以進(jìn)一步擴(kuò)展開(kāi)發(fā)其他的實(shí)驗(yàn)功能和添加工程實(shí)例，增加實(shí)驗(yàn)的多樣性有效性。

此界面可生成獨(dú)立于MATLAB之外的可執(zhí)行程序，使其運(yùn)行可以不依賴于MATLAB軟件的有無(wú)，使其具有的功能滿足了大部分情況下的教學(xué)要求。

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