Создание и настройка Simscape Electrical специализированные модели энергосистем

Введение

Simscape™ Electrical™ Специализированные Энергосистемы обеспечивает широкий набор моделей. Это может произойти, однако, что необходимо соединить интерфейсом собственной моделью со стандартными моделями, предоставленными в библиотеке Simscape Electrical Specialized Power Systems. Эта модель могла быть простым нелинейным сопротивлением, симулирующим дугу или варистор, насыщаемый индуктор, новый тип двигателя, и т.д.

В следующих разделах простая насыщаемая индуктивность и нелинейное сопротивление служат примерами.

Моделирование нелинейной индуктивности

Считайте индуктор 2 Генри спроектированным, чтобы действовать при номинальном напряжении, Vnom = 120-вольтовая RMS и номинальная частота, fnom = 60 Гц. От нуля до 120-вольтовой RMS индуктор имеет постоянную индуктивность, L = 2 H. Когда напряжение превышает свое номинальное напряжение, индуктор насыщает, и его индуктивность уменьшается до Lsat = 0.5 H. Нелинейная текущая потоком характеристика построена на следующем рисунке. Теките и текущие шкалы находятся в на модули. Номинальное напряжение и номинальный ток выбраны в качестве базовых значений для системы на модуль.

Текущая потоком характеристика нелинейной индуктивности

Ток i текущий в индукторе являюсь нелинейной функцией потокосцепления ψ, который, в свою очередь, является функцией v, появляющегося через его терминалы. Эти отношения даны следующими уравнениями:

$\begin{array}{l} v = L \cdot \frac{d i}{d t} = \frac{d ψ}{d t} или ψ = \int v \cdot d t \\ i = \frac{ψ}{L (ψ)} \end{array}$

Модель нелинейной индуктивности может поэтому быть реализована как управляемый текущий источник, где текущий i - нелинейная функция напряжения v, как показано.

Модель нелинейной индуктивности

Реализация Нелинейной Индуктивности показывает схему с помощью 2 нелинейной индуктивности H. Нелинейная индуктивность соединяется последовательно с двумя источниками напряжения (блок AC Voltage Source RMS на 120 вольт, 60 Гц, и блок DC Voltage Source) и резистор на 5 Ом.

Все элементы, используемые, чтобы создать нелинейную модель, были сгруппированы в подсистеме под названием Нелинейная Индуктивность. Терминалы индуктора помечены In и Out. Выход Simulink^®, возвращающий поток, был добавлен к подсистеме. Можно соединить этот выход с блоком Scope, чтобы наблюдать поток.

Нелинейная модель использует блок Voltage Measurement, чтобы считать напряжение на терминалах индуктивности и блоке Controlled Current Source. Направление стрелки текущего источника ориентировано от входа, чтобы вывести согласно модели, показанной выше.

Блок Integrator вычисляет поток из входа напряжения, и блок 1-D Lookup Table реализует характеристику насыщения i = f (ψ) описанный Текущей Потоком Характеристикой Нелинейной Индуктивности.

Реализация нелинейной индуктивности

Два блока Fourier из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Control & Measurements> Measurements используются, чтобы анализировать основной компонент и компонент DC тока.

Используя блоки Simscape Electrical Специализированные Энергосистемы и Библиотеки Simulink, создайте схему, показанную выше. Чтобы реализовать i =f (ψ) отношение, задайте следующие векторы в 1D блоке Lookup Table:

Точки останова 1 (поток)	[-1.25 - 1 1 1.25] * (120sqrt (2) / (2pi*60))
Табличные (текущие) данные	[-2 - 1 1 2] * (120sqrt (2) / (4pi*60))

Установите следующие параметры для этих двух источников:

Источник переменного тока
	Пиковая амплитуда	`120*sqrt(2)`
	Фаза	`90 degrees`
	Частота	`60 Hz`
Источник постоянного тока
	Амплитуда	`0 V`

Настройте время симуляции к 1.5 s и выберите ode23tb алгоритм интегрирования параметрами по умолчанию. Запустите симуляцию.

Как ожидалось ток и поток являются синусоидальными. Их пиковые значения соответствуют номинальной стоимости.

$P e a k C u r r e n t = \frac{120 \cdot \sqrt{2}}{2 \cdot 2 π \cdot 60} = 0.225 A$

$P e a k F l u x = \frac{120 \cdot \sqrt{2}}{2 π \cdot 60} = 0.450 V \cdot s$

Теперь измените напряжение постоянного тока в 1 В и перезапустите симуляцию. Заметьте, что ток искажен. 1-вольтовое напряжение постоянного тока теперь интегрировано, вызвав смещение потока, которое заставляет поток ввести в нелинейную область текущей потоком характеристики (ψ> 0.450 V.s). В результате этого насыщения потока ток содержит гармоники. Увеличьте масштаб последних трех циклов симуляции. Пиковое значение тока теперь достигает 0,70 А, и основной компонент увеличился до 0,368 А. Как ожидалось компонент DC тока является 1 V/0.5 Ω = 0.2.

Можно создать маску, которая задает следующие подсказки, переменные и значения:

Номинальное напряжение (RMS вольт):	`Vnom`	120
Номинальная частота (Гц):	`fnom`	60
Ненасыщенная индуктивность (H):	`L`	2
Характеристика насыщения [i1 (pu) phi1 (pu); i2 phi2;...]:	`sat`	[0, 0; 1, 1; 2, 1.25]

Следующий код в инициализациях маски блока готовит эти два вектора Current_vect и Flux_vect использоваться в блоке Look-Up Table модели.

% Define base current and Flux for pu system
I_base = Vnom*sqrt(2)/(L*2*pi*fnom);
Phi_base = Vnom*sqrt(2)/(2*pi*fnom); 

% Check first two points of the saturation characteristic
if ~all(all(sat(1:2,:)==[0 0; 1 1])),
    h=errordlg('The first two points of the characteristic must 
be [0 0; 1 1]','Error');
    uiwait(h);
end 

% Complete negative part of saturation characteristic
[npoints,ncol]=size(sat);
sat1=[sat ; -sat(2:npoints,:)];
sat1=sort(sat1); 

% Current vector (A)  and flux vector (V.s)
Current_vect=sat1(:,1)*I_base;
Flux_vect=sat1(:,2)*Phi_base;

Когда характеристика насыщения задана только в первом квадранте, три строки кода добавляются, чтобы завершить отрицательную часть характеристики насыщения. Заметьте также, как валидность первого сегмента характеристики насыщения проверяется. Этот сегмент должен быть задан двумя точками [0 0; 1 1] определение 1 pu индуктивности (номинальная стоимость) для первого сегмента.

Моделирование нелинейного сопротивления

Метод для моделирования нелинейного сопротивления похож на то, используемое для нелинейной индуктивности.

Хорошим примером является металлически-окисный варистор (MOV), имеющий следующую характеристику V-I:

$i = I_{0} \cdot {(\frac{v}{V_{0}})}^{α}$

где

v, i =	Мгновенное напряжение и текущий
Vo =	Напряжение защиты
Io =	Ссылочный ток раньше задавал напряжение защиты
α =	Экспонента, задающая нелинейную характеристику (обычно между 10 и 50)

Следующий рисунок показывает, что приложение такого нелинейного сопротивления, чтобы симулировать MOV раньше защищало оборудование в сети на 120 кВ. Чтобы сохранить схему простой, только одна фаза схемы представлена.

Нелинейное Сопротивление, Прикладное в Сети на 120 кВ

Эта модель доступна в power_nonlinearresistor примере.

Модель не использует блок Look-Up Table в качестве в случае нелинейной модели индуктивности. Как аналитическое выражение тока в зависимости от напряжения известно, нелинейное я (V), характеристика реализована непосредственно с блоком Fcn из Библиотеки Simulink.

Эта чисто резистивная модель не содержит состояний. Это производит алгебраический цикл в представлении пространства состояний схемы.

Алгебраические циклы часто ведут, чтобы замедлить времена симуляции. Необходимо повредить цикл с блоком, который не изменяет нелинейную характеристику. Здесь передаточная функция первого порядка H (s) = 1 / (1+Ts) вводится в систему, с помощью малой постоянной времени (T = 0,01 мкс).

Соединение модели с другими нелинейными блоками

Нелинейные модели, реализованные как текущий источник, не могут быть соединены последовательно с индуктором, другим текущим источником или разомкнутой цепью. Такая топология схемы вызывает ошибки в Simscape Electrical Специализированные Энергосистемы.

Точно так же, если ваша нелинейная модель использует блок Controlled Voltage Source, эта модель не могла бы быть закорочена или соединена через конденсатор.

Предположим, например, что вы хотите изучить наплыв, текущий в нелинейном сопротивлении power_nonlinearresistor модели в качестве примера, когда это включено на источнике напряжения:

Топология схемы, вызывающая ошибку

При попытке симулировать эту схему, вы получаете следующее сообщение об ошибке:

Эта топология запрещается, потому что два нелинейных элемента, симулированные текущими источниками, соединяются последовательно: блок Breaker и блок Nonlinear Inductance. Чтобы смочь симулировать эту схему, необходимо обеспечить текущий путь вокруг одного из двух нелинейных блоков. Вы могли, например, соединить большое сопротивление, сказать 1 MΩ через блок Breaker или блок Inductance. В этом случае более удобно выбрать блок Breaker, потому что схеме демпфера серии RC предоставляют модель.

Примечание

Используя индуктивный исходный импеданс (ряд R-L) вместо чисто резистивного импеданса произвел бы другое сообщение об ошибке, потому что текущий источник, моделируя нелинейную индуктивность будет последовательно с индуктивностью, даже с резистивным демпфером, соединенным через прерыватель. В таком случае вы могли добавить или параллельное сопротивление через исходный импеданс или большое сопротивление шунта, соединенное между одним терминалом прерывателя и источником нейтральный терминал.

Документация