Способы моделирования силовой электроники в Engee

Вебинар демонстрирует возможности платформы Engee. Ознакомьтесь с ней заранее!

О вебинаре

Силовая электроника — это основа современных преобразователей и источников питания. При проектировании таких устройств важно заранее проверять работу схем, выбирать оптимальные параметры и оценивать эффективность.

Engee — современная облачная платформа для моделирования электротехнических и энергетических систем, позволяющая создавать модели силовой электроники с различной степенью детализации и анализировать их работу в отложенном или реальном времени.

На вебинаре вы узнаете:

моделирование и доступ к проектам из любой точки

выбирайте баланс между скоростью и точностью

графики токов, напряжений, тепловых процессов

готовые библиотеки и элементы силовой электроники

Кому будет полезно

Инженерам-проектировщикам и разработчикам силовой электроники

Преподавателям и студентам электротехнических специальностей

Специалистам, работающим с моделированием энергосистем, преобразователей и источников питания

Силовая электроника в Engee

Поддерживаются мультидоменные модели (электрические, механические, тепловые), автоматизация через скрипты и интеграция с комплексом РИТМ для HIL-тестирования в реальном времени

Engee помогает моделировать и отлаживать системы силовой электроники:

Спикер

Илья Бердышев

Регистрация в Engee

Текстовая версия вебинара

Рассматриваемые темы

Возможности Engee для моделирования силовой электроники

Для физического моделирования также имеется разнообразный набор блоков, есть возможность мультидоменного моделирования, в первую очередь тут нас больше всего интересует электричество.

Поскольку большинство преобразователей нуждается в системе управления, то нужны блоки для её реализации. В Engee имеется широкий набор различных математических блоков: блоки сравнения, сложения, умножения, интеграторы, дифференциаторы, передаточные функции, блоки пространства состоянии, блоки для интеграции C и Engee кода.

В контексте модельно-ориентированного проектирования модели обеспечивают трассируемость требований, позволяют выполнить симуляции и раннюю верификацию, а также автоматизировать генерацию кода. Благодаря этому ошибки выявляются раньше, уменьшается количество регрессий и повышается предсказуемость результата. В итоге, V-цикл дает контролируемый процесс разработки и более высокое качество продукта.

Данный материал сфокусирован на этапе создания системной модели и физическом моделировании. Прежде чем переходить непосредственно к теме нашей статье, немного познакомимся с библиотекой блоков в Engee.

Engee обеспечивает полный цикл методологии модельно-ориентированного проектирования. V-цикл в модельно-ориентированном проектировании — это методология разработки, где этапы проектирования зеркально соответствуют этапам тестирования и валидации. Слева мы формируем требования, моделируем систему и прорабатываем детальные модели компонентов. Справа реализуем код, проводим модульные, интеграционные и системные тесты, сопоставляя их с исходными моделями.

В Engee есть разные блоки для моделирования полупроводников одного типа. Например, блоки идеальный MOSFET и N-канальный MOSFET моделируют один и тот же N-канальный MOSFET транзистор. Вы можете выбрать блок с достаточной степенью детализации моделирования для ваших задач. Важно не использовать модели с более высокой точностью моделирования, чем необходимо, поскольку они замедляют моделирование и сложнее поддаются параметризации.

Правильный выбор блока зависит от уровня детализации, который необходим для достижения цели моделирования. Идеальные полупроводники имеют кусочно-линейную вольт-амперную характеристику, не учитывают внутренние емкости и опционально поддерживают тепловую модель. Данные модели подходят для разработки алгоритмов ШИМ, анализа гармонических составляющих, оценки поведения системы в целом. Продвинутые полупроводники имеют на выбор кусочно-линейную вольт-амперную характеристику или модель на основе физических уравнений, учитывают емкости переходов и имеют подробные тепловые модели. Данные модели подходят для разработки драйверов транзисторов и анализа переходных процессов в схемах.

В Engee имеются блоки готовых сборок различных преобразователей, таких как DC-DC, AC-DC и выпрямители. В некоторых из них можно выбрать степень детализации модели.

Среди электрических блоков имеются специализированные электроэнергетические блоки, такие как синхронные генераторы, трансформаторы, линии электропередач, силовая электроника и блоки управления.

Техники моделирования DC/DC преобразователей

Для моделирования данного преобразователя используем готовый блок повышающего-понижающего преобразователя. Данный блок позволяет настроить тип используемых переключателей. Мы сосредоточимся на двух типах — идеальный полупроводниковый переключатель и усреднённый переключатель.

Начнем с модели инвертирующего DC-DC преобразователя. Напряжение на его выходе регулируется управлением коэффициента заполнения. От коэффициента заполнения зависит какое время транзистор будет включен или выключен. Чтобы преобразовать коэффициент заполнения в сигналы широтной импульсной модуляции, коэффициент заполнения сравнивается с несущим треугольным сигналом большей частоты.

Все типы переключателей, кроме усредненного, являются полными моделями, то есть они моделируют переключения напрямую.

У данного подхода следующие плюсы:

• простота использования в модели, 
• приём ШИМ, 
• учёт параметров элементов электроники.

Минусы:

• максимальный шаг расчёта до 30−35 мс. 
• при работе на больших шагах расчёта появляются искажения формы тока. 

При выборе усреднённого переключателя преобразователь можно представить как два управляемых источника тока, расположенных на входе и выходе преобразователя. При этом внутри блока заданы уравнения, описывающие его динамику. 

Данный способ имеет следующие плюсы

• Возможность работы на шаге расчёта свыше 200 мс. 
• Быстрая работа блока
• Подходит для быстрого тестирования алгоритмов систем управления. 

Минусы:

• Принимает только опорный сигнал вместо ШИМ.
• Не моделирует гармоники. 
• Не учитывает параметры элементов электроники. 

Сейчас мы перейдем в Engee и более подробно посмотрим на модель DC-DC преобразователя. 

Внутри подсистемы, которая подключена к управляющему порту второго варианта преобразователя, имеется прием по метке ШИМ-сигнала, и затем этот ШИМ-сигнал подается на блок Скользящая средняя. При этом его частота 20 кГц, это значит, что период усреднения равен 50 микросекундам.

Внутри модели имеется счетчик со сбросом, который формирует опорный сигнал в виде пилообразного сигнала. Он считает от нуля до заданного значения, в данном случае это 99, а затем обнуляется, и данная операция повторяется снова и снова. Период дискретизации равный -1 означает, что блок будет работать с периодом, заданным в решателе модели. В данном случае значение шага расчёта модели равно 10 микросекундам, то есть каждые 10 микросекунд счётчик будет увеличиваться на единицу. Таким образом данный блок генерирует пилообразный сигнал с частотой 1 кГц. Затем этот сигнал с помощью оператора сравнения сравнивается с заданным коэффициентом заполнения и подается на выход блока. Затем ШИМ-сигнал также передается в другие части модели.

В преобразователе с идеальным переключателем ШИМ-сигнал подается напрямую на блок. Это можно видеть по подключенному блоку передачи по метке, который подключен к управляющему порту преобразователя.

В остальных вариантах к управляющему порту подключены подсистемы. Посмотрим на них.

В модели также имеется подсистема управления. В ней задано значение коэффициента заполнения 0,4. С помощью блока прием по метке значение передается в другую часть модели. А для генерации ШИМ-сигнала здесь присутствует еще одна подсистема генератора ШИМ.

Вот мы переместились в Engee, модель DC-DC преобразователя уже открыта. Сначала покажу вам где взять эту модель. В Engee имеется сообщество, куда люди могут выкладывать свои примеры моделей и скриптов. Здесь присутствует очень много примеров, вы можете самостоятельно их изучить, а нас интересуют примеры по электроэнергетике. Слева можно отсортировать эти примеры. Выберем электроэнергетику. И среди примеров по электроэнергетике присутствует как раз модель по сравнению техник моделирования DC-DC преобразователей.

Здесь вы можете ознакомиться с данным примером, а также с помощью кнопки «Открыть в Engee» самостоятельно подгрузить этот пример к себе в репозиторий. В данной модели показаны три различные техники моделирования DC-DC преобразователей. 

Первая техника моделирования — это подробная модель с использованием идеального переключателя. В этом случае на управляющий вход преобразователя подаются ШИМ-сигналы со значением либо 0, либо 1. 0 соответствует отключенному состоянию, 1 — включенному состоянию. 

Вторая техника моделирования — это преобразователи с усредненным переключателем. Это означает, что переключатель заменяется двумя источниками тока на входе и выходе преобразователя, а внутри моделируется динамическое поведение преобразователя. На управляющий вход преобразователя может подаваться сигнал в диапазоне от 0 до 1, где 0 — полностью выключена, 1 — полностью включена. Во втором варианте преобразователя на его вход подается ШИМ-сигнал с уменьшенной в 5 раз частотой. 

Третья техника моделирования — это преобразователь с усреднённым переключателем и подачей на его управляющий вход коэффициента заполнения. Это означает, что ток на выходе преобразователя будет пропорционален коэффициенту заполнения, поданному на управляющий вход. 

Со стороны входа каждого из преобразователей подключен источник постоянного напряжения, равный 48 В. На выходе преобразователя подключена резистивная нагрузка в 2 Ом. Значения напряжений и сопротивлений одинаковы для всех вариантов преобразователя. За счет этого мы можем сравнить, как работают данные техники моделирования. 

Очевидно они одинаковы для всех преобразователей.

На графике видно, что наиболее точную форму имеет ток первого преобразователя с подробной моделью. Форма тока второго преобразователя совпадает с формой тока подробной модели, однако имеет меньше точек и немного отстаёт от него. По форме тока жёлтого графика, который соответствует третьему преобразователю, видно, что преобразователь не осуществляет никаких переключений, а форма тока пропорциональна коэффициенту заполнения. Далее идёт график входных напряжений.

В третьем варианте преобразователя к управляющему порту напрямую подается значение коэффициента заполнения 0,4.

У каждого из преобразователей имеются подсистемы для измерения токов и напряжений. Внутри этих подсистем для большей компактности спрятаны датчики токов и напряжений. Токи и напряжения измеряются с входа и выхода преобразователей. Запустим модель для того, чтобы посмотреть на результаты расчета. Внизу видно, что расчет закончен. Открываем графики.

Синей линией показан ШИМ-сигнал, подаваемый на первый преобразователь, который имеет значение либо 0, либо 1. Оранжевый сигнал, подаваемый на второй преобразователь, очень близок к форме ШИМ-сигнала, но немного отстает от него из-за использования блока скользящего среднего. Желтый сигнал, подаваемый на третий преобразователь, имеет постоянное значение 0,4. Теперь посмотрим на график входных токов. Также приблизим его.

Я заранее настроил отображение сигналов. На первом графике показаны управляющие сигналы, подаваемые на каждый из преобразователей. Приблизим.

Подробная модель преобразователя с шагом расчёта 10 микросекунд имеет среднее выполнение 62 секунды. При этом время выполнения в модели задано 10 секунд для всех моделей. Модель со временем шага 50 микросекунд выполнилась в среднем за 19 секунд и модель шагом расчета 100 микросекунд выполнялась в среднем за 10 секунд. Мы видим, что время выполнения модели обратно пропорционально шагу расчета модели. Перейдем к следующему примеру.

Графики выходных токов и напряжений одинаковы по форме и отличаются только амплитудой из-за использования активного сопротивления в роли нагрузки. 

Теперь сравним скорость выполнения каждого из вариантов преобразователей. Я разбил модель с DC-DC преобразователями на 3 разные модели. В каждой из моделей находится преобразователь со своей техникой моделирования. 

• В первой модели находится преобразователь с полной моделью и он имеет шаг расчета 10 микросекунд. 
• Во второй модели находится преобразователь с усредненным переключателем, он имеет шаг расчета 50 микросекунд. 
• Третья модель с усредненным переключателем и управлением коэффициентом заполнения имеет шаг расчета 100 микросекунд.

Я заранее подготовил Engee-скрипт, в котором выполняется замер скорости выполнения каждой из трёх моделей. Каждая модель запускается по 5 раз и затем считается среднее время выполнения. Посмотрим на результаты. 

Техники моделирования AC/DC преобразователей

Это трёхфазный AC-DC преобразователь. Фазное напряжение на его выводах также регулируется коэффициентами заполнения, которые изменяются по синусоиде. Для моделирования преобразователя используем готовую сборку, в которой имеется возможность выбрать тип переключателя.

В нашей модели мы будем использовать идеальный полупроводниковый переключатель и усреднённый переключатель, так же как в DC-DC преобразователе в предыдущей модели.

Здесь сигналы ШИМ напрямую подаются на управляющий вход преобразователя. Посмотрим на управляющие сигналы второго преобразователя.

Внутри генератора модулируемая синусоида сигнала, сравнивается с несущим треугольным сигналом. В случае, когда значение синусоиды больше, чем значение треугольного сигнала, на выходе получается 1, иначе на выходе сигнал 0. Сгенерированные сигналы синусоиды передаются с помощью блока прием по метке в другие части модели. Возвращаемся в модель. Посмотрим на управляющие сигналы, подаваемые на первую модели.

Сначала задаётся амплитуда выходного сигнала, равная половине напряжения питания 50 вольт, затем он умножается на коэффициент модуляции равный 0,8.Затем сигнал умножается на синусоиду промышленной частоты единичной амплитуды. Затем сверху сигнал проходит нормализацию делением на половину напряжения питания. Тем самым получается сигнал для управления усредненным переключателем. Внизу находится генератор ШИМ.

В данной модели представлены три различные техники моделирования AC-DC преобразователей. 

• Первая техника — это полная модель преобразователя с идеальными переключателями. 
• Вторая техника — это преобразователь с усреднёнными переключателями. В данном случае преобразователь представляется источником ЭДС со стороны переменного тока и источником тока со стороны постоянного тока. Внутри блока моделируется динамическое поведение преобразователя. На вход преобразователя подается шим уменьшенной частоты. 
• Третий преобразователь также имеет усреднённые переключатели и управляется напрямую модуляцией синусоиды. В модели имеются подсистемы для измерения токов и напряжений. Внутри них спрятаны датчики токов и напряжений. 

Все три модели имеют одинаковые характеристики блоков. Питаются от источников напряжения напряжением 100 Вольт. В роли нагрузки выступает активно-индуктивная нагрузка с сопротивлением 1 Ом и индуктивностью 1 мГн. Нагрузка имеет изолированную нейтраль. Со стороны постоянного тока преобразователь подключен к земле через среднюю точку между двумя конденсаторами. Зайдём в подсистему управления и посмотрим, как формируются управляющие сигналы. 

И на последнем графике выходного тока, мы видим, что ток изменяется во всех трех случаях по синусоиде, однако видно, что первый и второй преобразователь имеют гармонические составляющие, а третий преобразователь не имеет гармонических составляющих, поскольку управляется напрямую модулируемой синусоидой, которая не имеет гармоник.

Теперь сравним скорости выполнения моделей всех трех техник моделирования. Я подготовил три модели, в каждой из которых содержится свой преобразователь. Первая модель это полная модель преобразователя с шагом расчета 10 микросекунд. Затем вторая модель это преобразователь с усредненными переключателями и шагом расчета 50 микросекунд. И третья модель усредненный переключатель с модуляцией синусоидой и шагом расчета 100.

Видим, что желтый график первого преобразователя имеет самую точную форму сигнала. Синий график второго преобразователя повторяет форму полной модели, но имеет меньше точек и немного отстает от него. А форма тока третьего преобразователя вообще не имеет переключения ключей. На графике напряжения на стороне постоянного тока, здесь те же самые закономерности. И на выходе преобразователя напряжение первого и второго преобразователя имеет ступенчатый характер, похожий на меандр. Напряжение третьего графика изменяется по синусоиде пропорционально модулируемому сигналу.

В эту подсистему напрямую приходят 3 модулируемые синусоиды. Затем они нормализуются, а также добавляются сигналы для нижних ключей. Теперь запустим модель и посмотрим на результаты моделирования. Модель выполнилась. Откроем графики. Я добавил график управляющих сигналов, чтобы сравнить их.

Видим, что первый сигнал темно-синего цвета соответствует сигналам ШИМ, который имеет значение либо ноль, либо единица. Фиолетовый сигнал, который поступает на второй преобразователь, также имеет форму похожую на сигналы ШИМ, но с небольшим запаздыванием из-за использования блока скользящего среднего. И третий сигнал, светло-голубого цвета, имеет форму модулируемой синусоиды. Теперь посмотрим на график тока со стороны источника постоянного тока.

Так же я подготовил скрипт для измерения времени выполнения каждой из моделей. В этом скрипте каждая из моделей запускается 5 раз. При этом измеряется время выполнения каждого запуска и затем рассчитывается среднее время выполнения модели. Время моделирования в каждой из моделей выставлено на 10 секунд. По результатам тестирования получилось, что среднее время выполнения подробной модели 91 секунда. Время выполнения модели шагом расчета 50 микросекунд 26 секунд. И среднее время выполнения модели с шагом 100 микросекунд 14 секунд. Здесь мы также видим обратную зависимость времени выполнения модели от шага расчета.

Рассмотренные техники моделирования AC-DC и DC-DC преобразователей можно применять следующим образом. Детальная модель применяется для финального этапа разработки или для моделирования в реальном времени на комплексе полунатурного моделирования РИТМ с использованием ПЛИС. Усредненная модель с усреднением ШИМ — компромиссный вариант между точностью и скоростью моделирования, можно применять на этапе разработки устройства и системы управления или для моделирования в реальном времени на РИТМ с использованием центрального процессора.

Усредненная модель с модуляцией синусоиды — самый быстрый способ моделирования, но и наименее точный с точки зрения переходных процессов. Его можно применять на этапе разработки устройств и систем управления или для моделирования в реальном времени на ритме с использованием центрального процессора.

Тестирование модели трёхфазного инвертора на соответствие требованиям ГОСТ

Посмотрим более подробно как устроены DC-DC преобразователь и AC-DC преобразователь.

На данном примере мы посмотрим, как использовать показанные техники моделирования силовой электроники и автоматизировать тестирование с помощью командного управления. Тестировать модель инвертора будем по требованиям ГОСТ Р 70 787−2023, технические требования к фотоэлектрическим станциям. Я выделил основные требования к солнечным инверторам по данному стандарту:

• Скорость изменение активной мощности не менее 100% в минуту;
• Изменение частоты электрического тока от 46 до 55 Гц;
• Изменение напряжения от 0,77 от номинального до максимального допустимого;
• Синхронизация при отклонениях частоты и напряжения;
• Выдача максимальной и минимальной реактивной мощности;
• Регулирование заданного напряжения;
• Участие в общем первичном регулировании частоты;
• Устойчивая работа при нормативных возмущениях.

Перейдём в Engee. Посмотрим на модель солнечного инвертора. Из чего она состоит? Она состоит из внешней энергосистемы, воздушной линии, понижающего трансформатора 10 кВ на 0,4 кВ мощностью 1 МВт, инвертор мощностью 1 МВт и DC-DC преобразователь который повышает напряжение с 400 до 900 Вольт. И в роли солнечной панели выступает источник напряжения напряжением 400 Вольт. На высшей стороне трансформатора имеется блок короткого замыкания для осуществления трехфазного короткого замыкания.

DC-DC преобразователь смоделирован на основе усреднённой модели DC-DC преобразователя, который управляется напрямую коэффициентом заполнения. Слева располагается индуктивность Преобразователь имеет систему управления на основе обратной связью. Выходное напряжение измеряется с помощью вольтметра, затем сравнивается с уставкой, ошибка подается на регулятор, который выдает коэффициент заполнения от 0 до 1. Коэффициент заполнения подаётся на блок DC-DC преобразователя.

Теперь посмотрим на DC-AC преобразователь. Он устроен сложнее, поскольку содержит блоки для измерения токов напряжений и мощности, выключатель для синхронизации с сетью, LC фильтр, блок усреднённого преобразователя и систему управления.

Для выполнения различных сценариев тестирования были использованы блоки From Workspace, которые позволяют подгрузить в модель данные из рабочей области. Данные блоки использованы для задания уставки по активной и реактивной мощности.

Первым тестовым сценарием у нас будет изменение активной мощности. Мы будем проверять, сможет ли инвертор изменить активную мощность со скоростью не менее 100% в минуту. В данном сценарии задано изменение активной мощности с 0 до номинального значения за 3 секунды и затем изменение мощности с максимальной до нулевой в момент времени 5 секунд. На графике видно, что мощность инвертора изменялась в точности по графику уставки. При этом полную мощность инвертор набирает менее чем за 1 секунду, что во много раз превосходит требования по скорости изменения мощности.

Смотрим на первый график. На графике активной мощности представлена уставка по активной мощности и фактическая активная мощность инвертора. В самом начале графика виден небольшой скачок активной мощности. Это происходит из-за синхронизации с сетью в 0,5 секунды. Затем в одну секунду уставка изменяется на 0,5 от номинальной мощности и мощность инвертора резко возрастает до этой уставки.

Энергосистема представляет собой трёхфазный управляемый источник напряжения с выходным сопротивлением. Управляемые источники напряжения используются для того, чтобы можно было реализовать различные сценарии изменения напряжения и частоты энергосистемы. Амплитуда и частота энергосистемы также задаются с помощью блоков From Workspace. Посмотрим, как мы будем тестировать модель инвертора по различным требованиям. У нас имеется Engee скрипт, в котором прописаны различные сценарии для тестирования и отображение результатов моделирования.

Моделируется нормальный режим без каких-либо возмущений, в котором осуществляется только синхронизация с внешней сетью и изменение уставки по активной мощности. Данные для настройки уставок по активной мощности, по напряжению и частоте энергосистемы, заданны в переменные, такие как gridVoltageProfile, gridFrequencyProfile и другие. В них мы задаем координаты по времени и по значению. Например, для напряжения энергосистемы временные точки это 0 секунд, 1 и 10 секунд, а значения равны 1, то есть номинальному напряжению 10 кВ. А переменная realPowerrefProfile, которая задает уставку по активной мощности инвертора, также имеет точки по времени 0, 1 и 10 секунд, а значения активной мощности 0, 0.5 и 0.5 относительных единиц от номинальной мощности.

Таким образом, с нулевой по первую секунду мощность инвертора будет нулевой, а в первую секунду мощность изменится ступенчато на 0.5 относительных единиц. Я запустил модель по каждому из сценариев и нам нужно только посмотреть на результаты расчетов.

Внутри системы управления инвертором находится блок фазовой автоподстройки частоты, который необходим для синхронизации с сетью контроллера по току и блоки для формирования сигналов модуляции.

У контроллера тока есть несколько входных сигналов. Это уставка по активной и реактивной мощности, мгновенные значения активной и реактивной мощности, мгновенные значения токов и напряжений, сигнал на включение системы управления, сигнал на включение регулирования напряжения в точке общего присоединения и сигнал для включения общего первичного регулирования частоты. На выходе контроллер выдаёт опорные напряжения в dq координатах. Посмотрим на подсистему с энергосистемой.

Следующий сценарий это проверка работы инвертора в условиях изменения частоты энергосистемы от 46 до 55 Гц, а также проверка участия инвертора в общем первичном регулировании. При этом надо иметь в виду, что по требованиям нормативных документов возобновляемые источники энергии должны реагировать только на повышение частоты, уменьшая свою активную мощность. При понижении частоты такие источники не должны снижать выработку активной мощности во избежание ещё большего снижения частоты в энергосистеме.

Для реализации такого сценария частота энергосистемы сначала повышалась с 50 до 55 Гц со скоростью 2 Гц в секунду, а затем с такой же скоростью понижалась до 46 Гц. На графике частоты показано это изменение, где оранжевой линией показана фактическая частота, которую измерял инвертор, а синей линией показана уставка энергосистемы по частоте. Инвертор измерил частоту практически безошибочно, поэтому графики частоты наложились друг на друга и синей линии не видно.

На нижнем графике показана активная мощность. Видим, что при номинальной частоте активная мощность инвертора составила половину номинальной, а реактивная мощность 0,3 от номинального значения. Затем в момент повышения частоты, активная мощность инвертора начала снижаться, как и ожидалось, вплоть до нулевого значения. При снижении частоты активная мощность инвертора начала вновь возвращаться к номинальному значению. После того, как частота в сети снизилась ниже 50 Гц до 46 Гц, активная мощность инвертора не изменилась, как и требовалось.

Следующим сценарием тестирования является регулирование напряжения инвертором в точке его присоединения. Для этого, по аналогии с предыдущим сценарием, на шинах энергосистемы напряжение будет изменяться, а также включается регулятор напряжения в системе управления. На графике напряжения оранжевой линией показано напряжение в сети. Сначала напряжение имеет номинальное значение, затем оно увеличивается до 110% от номинального, а затем уменьшается до 90%. Синей линией показано напряжение инвертора, а на нижнем графике показана активная и реактивная мощность инвертора.

На графике мощности видно, что до синхронизации мощность инвертора была нулевой, и сразу после синхронизации реактивная мощность начала уменьшаться, из-за того, что напряжение на шинах инвертора было больше чем номинальное. К моменту времени 3 секунды можно видеть, что мощность инвертора практически перестала изменяться, а напряжение инвертора на графике мощности практически приравнялось к 1. На момент времени 3 секунды напряжение энергосистемы начало возрастать. Для того, чтобы скомпенсировать это повышение напряжения, инвертор начал еще сильнее потреблять реактивную мощность, но уперся в ограничение по номинальной мощности. На графике видно, что мощность инвертора достигла значения минус одного. Затем в момент 5 секунд напряжение энергосистемы начало понижаться до 90%, в результате чего реактивная мощность инвертора начала возрастать. К окончанию моделирования напряжение на шинах инвертора достигло номинального значения.

Следующий сценарий — это изменение реактивной мощности. Реактивная мощность инвертора может быть как отрицательной, так и положительной. Поэтому в данном сценарии проверяется, как мощность сначала изменится с нулевой до максимальной положительной мощности, а затем с максимальной положительной мощности изменится до максимальной отрицательной мощности. По графику видно, что реактивная мощность инвертора изменялась в точности по графику уставки и инвертор способен как выдавать полную реактивную мощность, так и потреблять полную реактивную мощность.

Следующий сценарий это проверка работы инвертора при минимально допустимом напряжении и максимально допустимом напряжении. Минимально допустимое напряжение составляет 0,77 от номинального, а максимально допустимое напряжение напряжение для сети 10 кВ как в нашем случае, составляет 1,2 от номинального, то есть до 12 кВ. Поэтому в данном сценарии напряжение сначала изменяется с номинального до 1,2 от номинального, это видно на оранжевой линии, которая соответствует напряжению сети. А затем напряжение снижается до 0,77 от номинального. Синей линией показано напряжение инвертора в относительных единицах. Напряжение инвертора немного выше, чем напряжение внешней сети, поскольку инвертор работает в режиме выдачи активной и реактивной мощности. На нижнем графике показаны активной и реактивной мощности. Видно, что изменение напряжения внешней сети не влияет на выдачу активной и реактивной мощности.

Последним сценарием тестирования будет проверка устойчивости работы при нормативных возмущениях. Я покажу лишь самое тяжелое нормативное возмущение - это трехфазное короткое замыкание на шинах высшего напряжения трансформатора. Это происходит в момент времени 3 секунды и длится половину секунды. Посмотрим, как отреагировал инвертор на такое возмущение. На графиках показано изменение напряжения и тока инвертора. Видно, что при коротком замыкании напряжение инвертора снизилось практически до нуля, а ток инвертора превысил номинальное значение чуть более чем в 1,5 раза. После отключения короткого замыкания значения напряжения и тока вернулись к доаварийным значениям, что свидетельствует о устойчивой работе инвертора.

Итоги

• В Engee можно моделировать силовую электронику с различной степенью детализации;
• Выбирать модели с кусочной линейной вольтамперной характеристикой или подробные модели с физическими уравнениями;
• Моделировать тепловые процессы в полупроводниках, что позволяет рассчитывать потери или оценивать нагрев;
• Имеются готовые сборки DC-DC и AC преобразователей, в которых можно выбрать различные техники моделирования для более подробного моделирования или для упрощённого и ускоренного моделирования.

Мы посмотрели, как можно использовать данные возможности на примере трёх моделей в Engee.

Популярные вопросы

Если у вас остались вопросы —
обращайтесь к менеджеру мероприятия