Моделируйте динамику упрощенной трехфазной синхронной машины
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электрические Машины
Блок Simplified Synchronous Machine моделирует как электрические, так и механические характеристики простой синхронной машины.
Электрическая система для каждой фазы состоит из источника напряжения последовательно с импедансом RL, который реализует внутреннее импеданс машины. Значение R может быть нулем, но значение L должно быть положительным.
Блок Simplified Synchronous Machine реализует механическую систему, описанную
где
Β ω = Изменение скорости относительно скорости операции
H = константа инерции
Tm = механический крутящий момент
Te = электромагнитный крутящий момент
Kd = коэффициент затухания, представляющий эффект обмоток демпфера
ω (t) = механическая скорость ротора
ω 0 = скорость операции (1 p.u.)
Хотя параметры могут быть введены в единицах СИ или по модулям в диалоговом окне, внутренние вычисления выполняются в единицах модуля. Следующий блок иллюстрирует, как реализована механическая часть модели. Модель вычисляет отклонение относительно скорости операции; а не сама абсолютная скорость.
Коэффициент демпфирования Kd моделирует эффект обмоток демпфера, обычно используемых в синхронных машинах. Когда машина соединяется с бесконечной сетью (нулевой импеданс), изменение дельты угла степени машины (и), возникающее в результате изменения механической степени (Pm), может быть аппроксимировано следующей передаточной функцией второго порядка:
где
δ | Дельта угла степени: угол внутреннего напряжения E относительно терминального напряжения, в радианах |
Пополудни | Механическая степень в pu |
ωn | Частота электромеханических колебаний = в рад/с |
ζ | Коэффициент затухания = |
ωs | Электрическая частота в рад/с |
Pmax | Максимальная степень в pu, переданное через реактивное сопротивление X при терминальном напряжении Vt и внутреннем напряжении E. P max = VtE/ X, где Vt, E и X находятся в pu |
H | Константа (ы) инерции |
Kd | Коэффициент демпфирования (pu_of_torque/ pu_of_speed) |
Эта приблизительная передаточная функция, которая была получена, приняв sin (δ) = δ, действительна для маленьких углов степени (δ <30 степеней). Из предыдущего выражения и следует, что значение Kd, требуемое для получения заданного коэффициента
В библиотеке Machines можно выбрать между модулями СИ или модулями измерения Simplified Synchronous Machine блоками, чтобы задать электрические и механические параметры модели. Эти два блока моделируют точно такую же упрощенную модель синхронной машины; единственное различие заключается в том, как вы вводите модули измерения параметра.
Укажите количество проводов, используемых в трехфазном соединении Y: трехпроводное (нейтраль недоступен) или четырехпроводное (нейтраль доступна). По умолчанию это 3-wire Y
.
Выберите механическую степень, приложенную к валу, или скорость ротора в качестве Simulink® вход блока или для представления вала машины с помощью Simscape™ вращающегося механического порта.
Выберите Mechanical power Pm
(по умолчанию), чтобы задать механический вход степени, в W или в pu, и изменить маркировку входного сигнала блока на Pm
. Скорость машины определяется машиной Inertia J (или постоянной инерции H для машины pu) и различием между Tm механического крутящего момента, возникающей из-за приложенной механической Pm степени, и внутренним электромагнитным крутящим моментом Te. Знак для механической степени, когда скорость положительная, положительный механический сигнал степени указывает режим генератора, и отрицательный сигнал указывает режим мотора.
Выберите Speed w
чтобы задать вход, в рад/с или в pu, и изменить маркировку входа блока на w
. Скорость машины налагается, и механическая часть модели (постоянная инерции H) игнорируется. Использование скорости в качестве механического входа позволяет моделировать механическую связь между двумя машинами.
Следующий рисунок показывает, как смоделировать жесткое соединение вала в наборе генераторов, когда крутящий момент трения проигнорирован в машине 2. Выход скорости машины 1 (двигатель) связан с входом скорости машины 2 (генератор), в то время как машина, которую 2 электромагнитных крутящих момента произвели Te, применена к механическому Tm входа крутящего момента машины 1. Коэффициент Kw учитывает модули скорости обеих машин (pu или рад/с) и отношение коробки передач w2/w1. Коэффициент KT учитывает модули крутящего момента как машины (pu или N.m), так и номинальные значения машины. Кроме того, поскольку J2 инерции проигнорирована в машине 2, J2, относящаяся к скорости машины 1, должна быть добавлена к J1 инерции машины 1.
Выберите Mechanical rotational port
добавить в блок механический вращательный порт Simscape, который позволяет соединять вал машины с другими блоками Simscape, имеющими механические вращательные порты. Вход Simulink, представляющий механическую Pm степени или скорость w
Затем машину удаляют из блока.
Следующий рисунок показывает, как соединить Идеальный Исходный блок Крутящего момента из библиотеки Simscape с валом машины, чтобы представлять машину в режиме двигателя или в режиме генератора, когда скорость ротора положительная.
Когда этот флажок установлен, выходы измерения используют имена сигналов для идентификации меток шины. Выберите эту опцию для приложений, которые требуют, чтобы метки сигналов шины имели только алфавитно-цифровые символы. Значение по умолчанию сброшено.
Когда этот флажок снят, выходы измерения используют определение сигнала для идентификации меток шины. Метки содержат неалфавитно-цифровые символы, которые несовместимы с некоторыми приложениями Simulink.
Номинальная видимая степень Pn (VA), частота fn (Гц) и линейное напряжение RMS Vn (V). Вычисляет номинальный крутящий момент и преобразует модули СИ в pu. По умолчанию это [187e6 13800 60]
.
Инерция (J в kg.m2 или H в секундах) коэффициент затухания (Kd) и количество пар полюсов (p). Коэффициент демпфирования должен быть указан в (pu крутящего момента )/( pu скорости) в обоих диалоговых окнах машины (в pu и в СИ). По умолчанию это [3.7 0 20]
для pu и [3.895e6 0 20]
для СИ.
Сопротивление R (В или В) и реактивное сопротивление L (В или В) для каждой фазы. По умолчанию это [0.02 0.3]
для pu и [0.0204 0.8104e-3]
для СИ.
Начальное отклонение скорости (% от номинального), угол ротора ( степеней), линии токовые величины (A или pu) и углы фазы ( степеней). Эти значения автоматически вычисляются утилитой потока нагрузки блока Powergui. По умолчанию это [ 0,0 0,0,0 0,0,0 ]
.
Задает шаг расчета, используемое блоком. Чтобы наследовать шаг расчета, заданное в блоке Powergui, установите этот параметр равным −1
. По умолчанию это −1
.
Чтобы включить вкладку Advanced, установите параметр Simulation type блока powergui равным Discrete и на вкладке Preferences очистите параметр Automatically handle discrete solver and Advanced tab solver settings of blocks.
Задает метод интегрирования, используемый блоком. Выбор следующий Trapezoidal non iterative
(по умолчанию), Trapezoidal robust
, и Backward Euler robust
.
Когда вы выбираете параметр Automatically handle discrete solver and Advanced tab solver settings of blocks в блоке powergui, дискретная модель решателя автоматически устанавливается на Trapezoidal robust
.
Trapezoidal non iterative
требует, чтобы вы добавили незначительную нагрузку шунта на терминалах машины, чтобы поддерживать стабильность симуляции, и симуляция может не сходиться и не остановиться, когда количество машин увеличивается в модели.
Trapezoidal robust
и Backward Euler robust
позволяют устранить необходимость использования паразитарных нагрузок. Чтобы исключить топологические ошибки машин, подключенных к индуктивной схеме (для примера, выключатель, соединенный последовательно с машиной), машина моделирует незначительную внутреннюю нагрузку 0.01
% номинальной степени.
Trapezoidal robust
немного точнее Backward Euler robust
, особенно, когда модель моделируется в большие шаги расчета. Trapezoidal robust
может привести к легким демпфированным численным колебаниям напряжения машины в условиях отсутствия нагрузки, в то время как Backward Euler robust
предотвращает колебания и поддерживает точность.
Для получения дополнительной информации о том, какой метод использовать в вашем приложении, смотрите Симуляция дискретизированных электрических систем.
Задает шаг расчета, используемое блоком. Чтобы наследовать шаг расчета, заданную в блоке powergui, установите этот параметр равным -1
(по умолчанию).
Параметры потока нагрузки определяют параметры блоков для использования с инструментом Load Flow блока Powergui. Эти параметры потока нагрузки предназначены только для инициализации модели. Они не имеют никакого влияния ни на модель блока, ни на эффективность симуляции.
Строение вкладки Load Flow зависит от опции, выбранной для параметра Generator type.
Укажите тип генератора машины.
Выберите swing
осуществление генератора, управляющего величиной и углом фазы своего терминального напряжения. Ссылки величины напряжения и угол заданы параметрами Swing bus or PV bus voltage и Swing bus voltage angle блока Load Flow Bus, соединенного с клеммами машины.
Выберите PV
(по умолчанию) для реализации генератора, управляющего его выходной активной степенью P и величиной напряжения V. P, задается параметром Active power generation P блока. V задается параметром Swing bus or PV bus voltage блока Load Flow Bus, соединенного с клеммами машины. Можно управлять минимальной и максимальной реактивной степенью, генерируемой блоком, используя параметры Minimum reactive power Qmin и Maximum reactive power Qmax.
Выберите PQ
для реализации генератора, управляющего его выходной активной степенью P и реактивной степенью Q. P и Q заданы соответственно Active power generation P и Reactive power generation Q параметрами блока.
Задайте активную степень, которую вы хотите сгенерировать машиной, в ваттах. Когда машина работает в моторном режиме, вы задаете отрицательное значение. Этот параметр доступен, если вы задаете Generator type следующим PV
или PQ
. По умолчанию это 0
.
Укажите реактивную степень, которую вы хотите сгенерировать машиной, в изменениях. Отрицательное значение указывает, что реактивная степень поглощается машиной. Этот параметр доступен, только если вы задаете Generator type как PQ
. По умолчанию это 0
.
Этот параметр доступен, только если вы задаете Generator type как PV
. Указывает минимальную реактивную степень, которое может генерироваться машиной, сохраняя напряжение на ссылку значении. Это опорное напряжение задается параметром Swing bus or PV bus voltage блока Load Flow Bus, соединенного с клеммами машины. Значение по умолчанию -inf
, что означает отсутствие нижнего предела на выходной реактивной степени. По умолчанию это -inf
.
Этот параметр доступен, только если вы задаете Generator type как PV
. Указывает максимальную реактивную степень, которое может генерироваться машиной, сохраняя напряжение на ссылку значении. Это опорное напряжение задается параметром Swing bus or PV bus voltage блока Load Flow Bus, соединенного с клеммами машины. Значение по умолчанию +inf
, что означает отсутствие верхнего предела на выходной реактивной степени. По умолчанию это +inf
.
Pm
Механическая степень, поданная на машину, в ваттах. Вход может быть постоянным сигналом или может быть соединен с выходом блока Hydraulic Turbine and Governor. Частота внутренних источников напряжения зависит от механической скорости машины.
w
Альтернативный вход блока вместо Pm
(в зависимости от значения параметра Mechanical input) - скорость машины, в рад/с.
E
Амплитуда внутренних напряжений блока. Это может быть постоянный сигнал или он может быть подключен к выходу регулятора напряжения. Если вы используете машину модулей СИ, этот вход должен быть в вольтах от фазы до фазы RMS. Если вы используете машину модули, она должна быть в pu.
m
Выход Simulink блока является вектором, содержащим сигналы измерения. Можно демультиплексировать эти сигналы с помощью блока Bus Selector, предоставленного в библиотеке Simulink. В зависимости от типа маски, которую вы используете, модули указаны в СИ или в pu.
Имя | Определение | Модули |
---|---|---|
МСФО | Ток статора is_a | A или pu |
ibs | Ток статора is_b | A или pu |
ics | Ток статора is_c | A или pu |
va | Напряжение на клемме Va | V или pu |
vb | Напряжение на клемме Vb | V или pu |
vc | Напряжение на клемме Vc | V или pu |
EA | Внутреннее напряжение Ea | V или pu |
eb | Внутреннее напряжение Eb | V или pu |
ЕС | Внутреннее напряжение Ec | V или pu |
theta | Угол theta ротора | рад |
w | Скорость ротора wm | рад/с |
Pe | Электрическая степень Pe | W |
Электрическая система Simplified Synchronous Machine блока состоит исключительно из источника напряжения за синхронным реактивным сопротивлением. Все другие само- и намагничивающиеся индуктивности обмоток якоря, возбуждения и демпфирования пренебрегаются. Эффект обмоток демпфера аппроксимируется коэффициентом затухания Kd. Три источника напряжения и RL-импедансные ветви соединены по оси Y (три провода или четыре провода). Возможно, нагрузка не сбалансирована.
Когда вы используете Simplified Synchronous Machine блоки в дискретных системах, вам, возможно, придется использовать небольшую паразитическую резистивную нагрузку, соединенную на клеммах машины, чтобы избежать численных колебаний. Большие шаги расчета требуют больших нагрузок. Минимальная резистивная нагрузка пропорциональна шагу расчета. Помните, что с временным шагом 25 мкс в системе 60 Гц минимальная нагрузка составляет приблизительно 2,5% от номинальной степени машины. Для примера упрощенная синхронная машина 200 MVA в степень системе, дискретизированной с шагом расчета 50 мкс, требует приблизительно 5% сопротивления или 10 МВт. Если шаг расчета уменьшается до 20 мкс, должна быть достаточной резистивная нагрузка 4 МВт.
The power_simplealt
пример использует блок Simplified Synchronous Machine, чтобы представлять 1000 MVA, 315 кВ, 60 Гц эквивалентный источник, соединенный с бесконечной шиной (трехфазный программируемый источник напряжения). Блок Упрощенной Синхронной Машины (Модули СИ) используется в качестве синхронного генератора. Внутреннее сопротивление и реактивное сопротивление устанавливают соответственно на уровне 0,02 пу (1,9845 Ом) и 0,2 пу (X = 19,845 Ом; L = 0,0526 H). Инерция машины J = 168 870 кг.м2, соответствующая постоянной инерции H = 3 с. Электрическая частота - Машина имеет две пары полюсов так, что её синхронная скорость 2 *, * 60/2 = 188,5 рад/с или 1800 об/мин.
Опция Load Flow Powergui использовалась, чтобы инициализировать машину, чтобы начать симуляцию в установившемся состоянии с машиной, генерирующей 500 МВт. Необходимое внутреннее напряжение, вычисленное потоком нагрузки, составляет 1.0149 pu. Поэтому внутреннее напряжение E = 315e3 * 1,0149 = 319 690 Vrms от фазы к фазе задано в блоке Constant, соединенном с входом E. Максимальная степень, которая может быть подана машиной с контактным напряжением Vt = 1,0 pu и внутренним напряжением E = 1,0149 pu, является Pmax = Vt * E/X = 1,0149/0,2 = 5,0745 pu.
Коэффициент демпфирования Kd регулируется так, чтобы получить коэффициент демпфирования Необходимое значение Kd:
Два блока Fourier измеряют угол степени Этот угол вычисляется как различие между углом фазы внутреннего напряжения фазы А и углом фазы терминального напряжения фазы А.
В этом примере выполняется шаг от механической степени, приложенной к валу. Машина первоначально работает в установившемся состоянии с механической степенью 505 МВт (механическая степень, необходимая для выхода электрической степени 500 МВт, учитывая потери сопротивления). На t = 0,5 с механическая степень внезапно увеличивается до 1000 МВт.
Запустите пример и наблюдайте электромеханический переходный процесс на блоке Возможностей, отображающий угол степени в степени, скорость машины в об/мин и электрическую степень в МВт.
Для начальной электрической степени Pe = 500 МВт (0,5 pu) угол нагрузки 5,65 степеней, что соответствует ожидаемому значению:
Когда механическая мощность шагается от 0,5 pu до 1,0 pu, угол нагрузки увеличивается и проходит через ряд под демпфированными колебаниями (коэффициент демпфирования Частота колебаний определяется:
Система возбуждения, Hydraulic Turbine and Governor, powergui, Steam Turbine and Governor, Synchronous Machine SI Fundamental, Synchronous Machine pu Fundamental, Synchronous Machine pu Standard