Выполнение анализа гармоник в режиме онлайн с помощью блока анализатора спектра Simscape

Гармоническое искажение

Нелинейные нагрузки создают искажение мощности в виде гармоник, то есть напряжений и токов, кратных основной частоте. Гармонические колебания могут приводить к потерям энергии за счет рассеяния тепла и снижению качества энергии. Они также могут привести к неисправности или повреждению оборудования. Организации по разработке стандартов, такие как Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Международная электротехническая комиссия (IEC), определяют рекомендуемые пределы гармонического содержания в электроэнергетических системах.

В этом примере показано, как исследовать гармонические искажения в модели с помощью автономного, то есть после моделирования, и оперативного, то есть во время моделирования, анализа. Офлайновый анализ использует аналитические функции гармоники Simscape™ Electrical™ и помогает Вам определить параметры настройки конфигурации для и проверить результаты, анализ онлайн. Онлайн-анализ использует блок Simscape Spectrum Analyzer.

Предпосылка

В этом примере требуется переменная журнала моделирования в рабочей области MATLAB ®. Модель в этом примере настроена для регистрации данных Simscape для всей модели в течение всего времени моделирования.

Сведения о том, как определить, настроена ли модель для регистрации данных моделирования, см. в разделе Изучение конфигурации регистрации данных моделирования модели.

Выполнение автономного анализа гармоник

Откройте модель. В командной строке MATLAB введите:
```
model = 'ee_composite_rectifier';
open_system(model)
```
Пример модели содержит трехфазный выпрямитель. Модель также содержит блок селектора, который выводит только фазу из трехфазного сигнала тока, который он принимает от блока PS-Simulink Converter.
Моделирование модели.
```
sim(model)
```
Просмотр результатов во временной области. Откройте блок «Область».

Анализ временной области показывает, что выпрямитель преобразует напряжение, но не включает никакой информации о частотах в сигнал.
Определите параметры конфигурации и рассчитайте ожидаемые результаты для анализа гармоник в режиме онлайн. Выполните автономный анализ гармоник.
1. Функции гармонического анализа Simscape Electrical требуют использования решателя с фиксированным шагом. Определите тип решателя и время образца для модели. Чтобы включить выделение времени образца, в строке меню редактора Simulink ® выберите «Отладка» > «Информационные наложения» > «Время образца» > «Цвета».
  
  Модель работает с дискретной скоростью, поэтому она использует решатель с фиксированным шагом, с временем выборки 1e-4 с.
2. Используйте ee_getHarmonics функция для вычисления гармонического порядка, гармонической величины и основной частоты на основе токов источника напряжения.
  [harmonicOrder,harmonicMagnitude,fundamentalFrequency] = ... ee_getHarmonics(simlog_ee_composite_rectifier.Voltage_Source.I);
3. Для оперативного анализа гармоник с использованием блока Spectrum Analyzer необходимо указать значение максимального гармонического порядка и разрешающей способности (RBW). RBW зависит от основной частоты.
  Извлеките и отобразите максимальный гармонический порядок и основную частоту:
  disp(['Maximum Harmonic Order = ', num2str(max(harmonicOrder))]) disp(['Fundamental Frequency = ', num2str(fundamentalFrequency)])
  Maximum Harmonic Order = 30 Fundamental Frequency = 60
4. Определите пиковое значение основной частоты. Это значение полезно для фильтрации незначительных гармоник и для проверки результатов автономных анализов.
  fundamentalPeak = harmonicMagnitude(harmonicOrder==1); disp(['Peak value of fundamental = ', num2str(fundamentalPeak),' A']);
  Peak value of fundamental = 1945.806 A
5. Фильтрация малых гармоник путем идентификации и сохранения гармоник, которые превышают тысячную часть основной пиковой частоты.
  threshold = fundamentalPeak ./ 1e3; aboveThresold = harmonicMagnitude > threshold; harmonicOrder = harmonicOrder(aboveThresold)'; harmonicMagnitude = harmonicMagnitude(aboveThresold)';
6. Отображение гармонических данных в таблице MATLAB.
  harmonicRms = harmonicMagnitude./sqrt(2); harmonicPct = 100.*harmonicMagnitude./harmonicMagnitude(harmonicOrder == 1); harmonicTable = table(harmonicOrder,... harmonicMagnitude,... harmonicRms,... harmonicPct,... 'VariableNames',{'Order','Magnitude','RMS','Percentage'}); display(harmonicTable);
  harmonicTable = 10×4 table Order Magnitude RMS Percentage _____ _________ ______ __________ 1 1945.8 1375.9 100 5 218.86 154.75 11.248 7 105.83 74.835 5.439 11 85.135 60.2 4.3753 13 57.599 40.729 2.9602 17 50.417 35.65 2.5911 19 37.612 26.596 1.933 23 33.859 23.942 1.7401 25 26.507 18.743 1.3622 29 23.979 16.955 1.2323
7. Рассчитайте процент полного гармонического искажения (THD) с помощью ee_calculate_ThdPercent функция.
  thdPercent = ee_calculateThdPercent(harmonicOrder,harmonicMagnitude); disp(['Total Harmonic Distortion Percentage = ' num2str(thdPercent),' %']);
  Total Harmonic Distortion percentage = 14.1721 %

Выполнение оперативного анализа гармоник

В редакторе Simulink, содержащем ee_composite_rectifier замените блок Scope блоком Spectrum Analyzer из библиотеки утилит Simscape:
1. Удалите блок «Scope».
2. Щелкните левой кнопкой мыши в пределах блок-схемы.
3. После появления значка поиска введите spec, а затем в списке выберите Spectrum Analyzer от Utilities библиотека.
4. Подключите блок анализатора спектра к выходному сигналу подсистемы i.
Сконфигурируйте блок Spectrum Analyzer с помощью панели Spectrum Settings.
1. Откройте анализатор спектра.
2. Откройте панель «Параметры спектра». На панели инструментов Spectrum Analyzer нажмите кнопку Spectrum Settings.
3. Настройте параметры на панели «Основные параметры».
  1. Сконфигурируйте блок для отображения среднеквадратичного значения частоты. В раскрывающемся меню «Тип» выберите RMS.
  2. Определите значение для полосы пропускания разрешения (RBW), используя следующее уравнение:
    
    $RBW \frac{= NENBW}{} *$ fN,
    где,
    
    NENBW - нормализованная эффективная полоса пропускания шума, коэффициент используемого метода оконной обработки. Окно Ханнинга (Ханна) имеет значение NENBW приблизительно 1,5.
    f - основная частота.
    N - количество периодов.
    RBW - пропускная способность разрешения в Гц.
    
    Для основной частоты 60 Гц в течение 10 периодов, используя окно Ганна,
    
    $RBW \frac{= 1,5 *}{} 60Hz10$ = 9Hz
    Для RBW (Гц) укажите 9.
4. Разверните панель «Параметры Windows» и укажите перекрытие (%) 90.
5. Укажите максимальное количество пиков для отображения анализатора. В строке меню выберите Инструменты > Измерения > Поиск пиков. Либо на панели инструментов Spectrum Analyzer нажмите кнопку Peak Finder. На панели «Peakfinder» в разделе «Settings» для параметра «Max Num of Peaks» введите 30. Это значение основано на максимальном гармоническом порядке, как указано автономным анализом.
6. Задайте количество гармоник для измерения гармонических искажений. Укажите число, фиксирующее наибольший гармонический порядок, зафиксированный автономным анализом. В панели меню выберите Инструменты> Измерения> Измерения Искажения. Либо на панели инструментов «Область» нажмите кнопку «Измерения искажений». Выполните прокрутку для просмотра панели «Измерения искажений».
  На панели «Измерения искажений» для параметра «Количество гармоник» снова введите 30.
Моделирование модели.
```
sim(model)
```
Процент THD составляет 14,17%, а основная пиковая мощность составляет 1375,89 В· с при 0,06 кГц (60 Гц). Эти результаты согласуются с результатами оффлайн-гармонического анализа.