В этом разделе вы:
Узнайте, как моделировать трехфазную систему питания, содержащую электрические машины и другие трехфазные модели.
Моделируйте энергосистему и наблюдайте ее динамические характеристики при помощи и сравнение результатов Непрерывного и Phasor Simscape™ Electrical™ Специализированные типы моделирования Энергосистем (непрерывный и дискретный).
В библиотеке Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Machines можно использовать три типа машин: упрощенные синхронные машины, детализированные синхронные машины и асинхронные машины. Вы соединяете эти машины с линейными и нелинейными элементами, такими как трансформаторы, нагрузки и выключатели, чтобы изучить переходную стабильность источника бесперебойного питания с помощью дизельного генератора.
Двухмашинная система, показанная на этой однолинейной схеме, представляет дизель-генератор и асинхронный двигатель в распределительной сети:
Дизель-генератор и асинхронный двигатель в распределительной сети
Эта система состоит из установки (шины B2), моделируемой резистивной нагрузкой 1 МВт и нагрузкой двигателя (ASM), питаемой при 2400 В от распределительной системы 25 кВ через трансформатор 6 МВА, 25/2,4 кВ, и от аварийного синхронного генератора/дизельного двигателя (SM).
Система 25 кВ моделируется простым R-L эквивалентным источником (уровень короткого замыкания 1000 МВА, коэффициент качества X/R = 10) и нагрузкой 5 МВт. Асинхронный двигатель имеет номинальную мощность 2250 л.с., 2,4 кВ, синхронная машина имеет номинальную мощность 3,125 МВА, 2,4 кВ.
Эта система моделируется в power_machines пример.
Параметры ПЛ и модели дизельного двигателя и регулятора основаны на ссылке [1].
Изначально двигатель развивает механическую мощность 2000 л.с. и дизель-генератор находится в резерве, не давая активной мощности. Поэтому синхронная машина работает как синхронный конденсатор, генерирующий только реактивную мощность, необходимую для регулирования напряжения B2 шины 2400 В при 1,0 pu. В t = 0.1 s, в системе 25 кВ происходит трехфазное замыкание на землю, что приводит к открытию автоматического выключателя 25 кВ при t = 0.2 s и внезапное увеличение нагрузки генератора. В течение переходного периода, следующего за отказом и отключением системы мотор-генератора, синхронная система возбуждения машины и регулятор скорости дизеля реагируют на поддержание напряжения и скорости на постоянном уровне.
При первом моделировании этой системы обычно не известно, каковы начальные условия запуска SM и ASM в устойчивом состоянии.
Этими исходными условиями являются:
Блок SM: Начальные значения отклонения скорости (обычно 0%), угол ротора, величины и фазы токов в обмотках статора и начальное напряжение поля, необходимое для получения требуемого напряжения на клемме при заданном потоке нагрузки.
Блок ASM: Начальные значения скольжения, угла ротора, величины и фазы токов в обмотках статора.
Откройте блоки Синхронная машина (Synchronous Machine) и Асинхронная машина (Asynchronous Machine). Все исходные условия установлены на 0, за исключением начального напряжения поля SM и проскальзывания ASM, которые установлены на 1 pu. Откройте три области контроля сигналов SM и ASM и напряжения B2 шины. Начните моделирование и проверьте первые 100 мс перед применением отказа.
При запуске моделирования следует отметить, что три тока ASM начинаются с нуля и содержат медленно затухающую составляющую постоянного тока. Для стабилизации скорости машины требуется гораздо больше времени из-за инерции систем двигатель/нагрузка и дизель/генератор. В нашем примере ASM начинает вращаться в неправильном направлении, потому что крутящий момент запуска двигателя ниже приложенного крутящего момента нагрузки. Остановите моделирование.
Чтобы начать моделирование в установившемся состоянии с синусоидальными токами и постоянными скоростями, все состояния машины должны быть правильно инициализированы. Это трудная задача для выполнения вручную, даже для простой системы. На вкладке «Сервис» диалогового окна блока powergui нажмите кнопку Load Flow Analyzer. Используйте приложение Load Flow Analyzer для инициализации компьютеров.
[1] Yeager K.E. и Willis J.R. «Моделирование аварийных дизельных генераторов на атомной электростанции мощностью 800 мегаватт». Транзакции IEEE по преобразованию энергии. Vol.8, No.3, сентябрь 1993 года.
При увеличении сложности сети за счет добавления дополнительных линий, нагрузок, трансформаторов и машин необходимое время моделирования увеличивается. Кроме того, если вы заинтересованы в медленных режимах электромеханических колебаний (обычно от 0,02 Гц до 2 Гц в больших системах), вам может потребоваться имитация в течение нескольких десятков секунд, что может привести к длительному времени моделирования. Поэтому обычный способ непрерывного или дискретного решения не является практичным для исследований стабильности, включающих низкочастотные режимы колебаний. Для этих исследований используйте метод фазора (см. Введение метода моделирования фазора).
При исследовании стабильности игнорируются режимы быстрых колебаний, возникающие в результате взаимодействия линейных элементов R, L, C и линий распределенных параметров. Эти режимы колебаний, которые обычно расположены выше основной частоты 50 Гц или 60 Гц, не влияют на медленные режимы машины и постоянные времени регулятора. В методе фазорного решения эти быстрые режимы игнорируются заменой сетевых дифференциальных уравнений набором алгебраических уравнений. Поэтому модель состояния-пространства сети заменяется передаточной функцией, оцениваемой на основной частоте и относящейся к входам (ток, вводимый машинами в сеть) и выходам (напряжения на клеммах машины). Метод фазорного решения использует модель уменьшенного состояния-пространства, состоящую из медленных состояний машин, турбин и регуляторов, что значительно сокращает требуемое время моделирования. Для фазорных моделей доступны два типа решателей: непрерывный и дискретный. Тип решателя задается в блоке powergui путем установки для параметра Тип моделирования значения Phasor (непрерывный) или Discrete phasor. В решении непрерывного фазора используется решатель с переменным шагом Simulink ®. Решатели с непрерывными переменными шагами эффективны в решении этого типа задач. Примером непрерывного решателя с переменным шагом, который можно использовать в этой ситуации, является ode23tb с максимальным временным шагом одного цикла основной частоты (1/60 с или 1/50 с). Discrete phasor использует локальный решатель для дискретизации и решения фазорной модели в указанное время выборки. Discrete phasor метод моделирования позволяет использовать Simulink Coder™ для создания кода и моделирования модели в реальном времени.
Примените метод фазорного решения к моделируемой двухмашинной системе power_machines пример с традиционным способом. Откройте окно power_machines пример.
В блоке powergui установите для параметра Тип моделирования значение Phasor. Укажите основную частоту, используемую для решения уравнений алгебраической сети. Войти 60 в поле Частота. Обратите внимание, что слова Phasor 60 Hz теперь появится на значке powergui, указывающем, что этот новый метод используется для моделирования цепи. Для запуска моделирования в установившемся состоянии необходимо сначала повторить процедуру инициализации машины.
Обратите внимание, что моделирование теперь намного быстрее. Результаты хорошо сравниваются с результатами, полученными при моделировании непрерывного режима.
Можно также попробовать моделирование дискретного фазора. В блоке powergui установите для параметра Тип моделирования значение Discrete phasor и укажите время выборки 4e-3 сек.
Синхронные сигналы машины сравниваются на следующем рисунке для трех типов моделирования:
Сплошной (желтый)
Фазор (непрерывный) (голубой)
Дискретный фазор с временем выборки 4 мс (пурпурный)
Сравнение результатов для методов непрерывного и фазорного моделирования
Обе фазорные модели (непрерывная и дискретная) хорошо сравниваются с непрерывной моделью.
В отличие от непрерывного фазорного решателя, который использует полный набор машинных дифференциальных уравнений для моделирования статорных и роторных переходных процессов, дискретный фазорный решатель использует упрощенные модели машин, где дифференциальные уравнения на стороне статора заменяются алгебраическими уравнениями. Эти модели машин низкого порядка устраняют два состояния (потоки статоров phid и phiq) и дают результаты моделирования, аналогичные коммерческому программному обеспечению стабильности. По сравнению с непрерывным фазорным решателем дискретный фазорный решатель создает более чистые формы сигналов. В этом примере можно заметить, что в модели дискретного фазора исключаются высокочастотные колебания скорости (w) и напряжения на клеммах (Vt) и также устраняется сбой напряжения Vt, наблюдаемый при размыкании прерывателя.
Дискретный фазор-решатель также имеет два дополнительных преимущества:
Этот решатель использует надежный метод решения, который позволяет устранить паразитные нагрузки машины.
Этот решатель позволяет использовать Simulink Coder для создания кода и моделирования модели в реальном времени.
Примечание
Если для параметра Тип моделирования (Simulation type) задано значение Discrete phasor, два блока управления (дизельный двигатель и регулятор и возбуждение) остаются непрерывными и по-прежнему используют ode23tb решатель переменных шагов. Если необходимо смоделировать эту модель в реальном времени, вся модель должна использовать шаги фиксированного времени. Поэтому необходимо заменить решатель с переменным шагом на решатель с фиксированным шагом, использующий то же время выборки, что и электрическая сеть.
Метод фазорного решения проиллюстрирован на более сложных сетях в следующих примерах:
Переходная устойчивость двух машин со стабилизаторами энергосистемы (PSS) и статическим компенсатором var (SVC) (power_svc_pss модель)
Работа трех стабилизаторов энергосистемы на межзонные колебания (power_PSS модель)
Первый пример иллюстрирует влияние PSS и использования SVC для стабилизации двухмашинной системы. Во втором примере сравниваются характеристики трех различных типов стабилизаторов энергосистемы на четырехмашинной двухзонной системе.
Метод фазорного решения также используется для моделей «ФАКТОВ». См. раздел Повышение стабильности переходных процессов с использованием SVC и PSS и управление потоком питания с использованием UPFC и PST.