Учебное пособие Номер государственной регистрации электронного издания в фгуп нтц информрегистр 0321300817
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
Л.П. Костюченко ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ СЕЛЬСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В ПРОГРАММЕ MATLAB Учебное пособие Номер государственной регистрации электронного издания в ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» – 0321300817 от 28 апреля 2013г. МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Л.П. Костюченко ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ СЕЛЬСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В ПРОГРАММЕ MATLAB Рекомендовано Сибирским региональным учебно- методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 110800.62 и магистров 110800.68 «Агроинженерия» и по специальности 110302.65 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» Красноярск 2013 ББК 40.71 УДК 631.371: 621.311 (075.8) К 72 Рецензенты: В.Н. Делягин, доктор технических наук, заведующий лабораторией энергетики и электрификации ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии М.С. Лурье, доктор технических наук, профессор кафедры электротехники Сибирского государственного технологического университета К72 Костюченко, Л.П. Имитационное моделирование систем электроснабжения в про- грамме MATLAB: учеб. пособие / Л.П. Костюченко; Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2012. – 215 с. Приведены основные сведения по имитационному моделированию в про- грамме MATLAB систем сельского электроснабжения. Рассмотрены возмож- ные методы моделирования элементов системы электроснабжения и приведена характеристика методов, принятых в программе MATLAB приложении Simu- link. Особое внимание уделено определению параметров электрооборудования для моделирования в программе MATLAB по каталожным данным отечествен- ных заводов-изготовителей, приведены подробные примеры расчетов. Приве- дены примеры моделирования конкретных систем сельского электроснабжения для анализа и исследования их различных режимов работы. Предназначено для студентов вузов по направлению подготовки 110800 «Агроинжененрия» и специальности 110302 «Электрификация и авто- матизация сельского хозяйства», а также других электротехнических профилей и специальностей, в программу подготовки которых входит изучение дисцип- лины «Электроснабжение». ББК 40.71 УДК 631.371: 621.311 (075.8) © Костюченко Л.П., 2012 © Красноярский государственный аграрный университет, 2012 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 8 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОДЕЛИРОВАНИИ В ПРОГРАММЕ MATLAB ............................................................... 11 1.1 Запуск программы MATLAB и пакета Simulink ........................... 12 1.2 Подготовка и запуск модели ............................................................ 16 1.2.1 Создание новой модели .................................................................. 16 1.2.2 Редактирование модели .................................................................. 20 1.2.3 Управление параметрами моделирования ................................... 24 1.2.4 Запуск, выполнение и завершение моделирования ..................... 27 1.3 Единицы измерения, используемые при моделировании электротехнических устройств в пакетах Simulink и SimPowerSistems ................................................................................ 27 Контрольные вопросы ............................................................................. 30 2 СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ ... 31 2.1 Линии электропередачи ..................................................................... 32 2.1.1 Схемы замещения линий электропередачи и определение их параметров ................................................................................ 33 2.1.1.1 Активное сопротивление (Rл) .................................................... 34 2.1.1.2 Индуктивное сопротивление (X л ) .............................................. 35 2.1.1.3 Активная проводимость линии (G л ) ........................................... 37 2.1.1.4 Реактивная емкостная проводимость линии (B л ) ..................... 39 2.1.2 Моделирование линий электропередачи в программе MATLAB приложении Simulink .................................................. 43 2.1.2.1 Модель линии с сосредоточенными параметрами Pi Section Line .............................................................................. 45 2.1.2.2 Модель линии с сосредоточенными параметрами Three-Phase PI Section Line ........................................................ 46 2.1.2.3 Моделирование линий блоками Series RLC Branch и Three-Phase Series RLC Branch .................................................. 48 2.1.3 Примеры определения параметров линии для моделирования в программе MATLAB ..................................................................... 50 2.2 Трансформаторы ................................................................................ 52 2.2.1 Схема замещения трансформаторов и определение ее параметров ...................................................................................... 53 2.2.2 Моделирование трансформаторов в программе MATLAB приложении Simulink ..................................................................... 60 2.2.2.1 Моделирование трансформатора блоком Linear Transformer ........................................................................ 61 2.2.2.2 Моделирование трансформатора блоком Saturable Transformer .................................................................... 64 2.2.2.3 Моделирование трансформатора блоком Tree-Phase Transformer (Two Windings) ..................................... 68 2.2.3 Примеры определения параметров трансформаторов для моделирования в программе MATLAB ....................................... 71 2.3 Электрические нагрузки .................................................................... 78 2.3.1 Графики электрических нагрузок.……………………………… 80 2.3.2 Способы представления нагрузок при расчетах систем электроснабжения .......................................................................... 83 2.3.2.1 Моделирование нагрузки постоянными значениями активной и реактивной мощности ............................................. 87 2.3.2.2 Моделирование нагрузки неизменным током .......................... 87 2.3.2.3 Моделирование нагрузки схемами замещения ......................... 88 2.3.3 Моделирование нагрузки в программе MATLAB приложении Simulink .................................................................... 89 2.4 Моделирование источников электрической энергии ..................... 94 2.4.1 Моделирование источников электрической энергии в программе MATLAB .................................................................. 96 2.4.1.1 Идеальный источник переменного напряжения AC Voltage Source ........................................................................ 98 2.4.1.2 Управляемый источник переменного напряжения Controlled Voltage Source .......................................................... 100 2.4.1.3 Трехфазный источник напряжения Three Phase Sourse.........101 2.4.1.4 Трехфазный программируемый источник напряжения Three-Phase Programmable Voltage Source............................. .104 Контрольные вопросы ........................................................................... 108 3 ОБЗОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ БЛОКОВ ПРОГРАММЫ MATLAB ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ . 110 3.1 Измерительные блоки раздела Sinks пакета Simulink .................. 110 3.1.1 Блок Scope ...................................................................................... 111 3.1.2 Блок Display ................................................................................... 116 3.2 Измерительные блоки раздела Measurements пакета SimPowerSystems ............................................................................. 117 3.2.1 Блоки Current Measurement и Voltage Measurement ................. 118 3.2.2 Блок Multimeter .............................................................................. 119 3.2.3 Блок Three-Phase V-I Measurement .............................................. 121 3.3 Измерительные блоки раздела Extra Library пакета SimPowerSystems .................................................................................... 123 3.3.1 Блок Active & Reactive Power ....................................................... 124 3.3.2 Блок 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power .................. 126 3.4 Коммутационные блоки для моделирования систем электроснабжения ........................................................................... 126 3.4.1 Выключатель переменного тока Breaker .................................... 126 3.4.2 Выключатель переменного тока Three-Phase Breaker .............. 128 3.4.3 Трехфазный короткозамыкатель Three-Phase Fault .................. 130 3.4.4 Идеальный ключ Ideal Switch....................................................... 133 Контрольные вопросы ........................................................................... 137 4 РАБОТА С БЛОКОМ POWERGUI .............................................. 138 4.1 Расчет схемы комплексным методом ............................................ 141 4.2 Дискретизация модели ..................................................................... 142 4.3 Расчет установившегося режима .................................................... 143 4.4 Задание начальных условий расчета .............................................. 144 4.5 Расчет параметров линии электропередачи .................................. 144 4.6 Пример расчета параметров ЛЭП с помощью блока Powergui ... 149 Контрольные вопросы ........................................................................... 151 5 РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАДИАЛЬНОЙ СЕТИ .......................................... 152 5.1 Общие сведения по расчету установившихся режимов электрических сетей........................................................................ 152 5.2 Расчет установившегося режима радиальной сети ...................... 154 5.2.1 Расчет установившегося режима сети по упрощенной методике ............................................................. 154 5.2.2 Расчет установившегося режима с учетом потерь мощности в элементах сети ............................................................................... 156 5.3 Моделирование установившегося режима сети в программе MATLAB .......................................................................................... 161 5.4 Анализ результатов моделирования радиальной сети ................. 167 Задания для самостоятельной работы .................................................. 168 Контрольные вопросы ........................................................................ 170 6 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЗАМКНУТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ......................................................... 171 6.1 Общие сведения по расчету замкнутых сетей .............................. 171 6.2 Пример расчета замкнутой сети ..................................................... 172 6.3 Описание виртуальной модели сети и исследование режимов ее работы ............................................................................................... 179 6.3.1 Расчет параметров сети для моделирования в программе MATLAB .......................................................................................... 180 Задания для самостоятельной работы .................................................. 186 Контрольные вопросы ........................................................................... 188 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ НА ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И НАПРЯЖЕНИЯ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 КВ ............ 189 7.1 Причины возникновения несимметрии токов и напряжений в сетях .................................................................................................. 189 7.2 Расчет несимметричного режима в трехфазной сети................... 191 7.3 Потери мощности и напряжения в сетях при несимметричной нагрузке ............................................................................................ 197 7.3.1 Дополнительные потери мощности при несимметричной нагрузке ............................................................................................ 197 7.3.2 Дополнительные потери напряжения при несимметричной нагрузке ............................................................................................ 200 7.4. Описание виртуальной модели и анализ результатов исследований ................................................................................... 202 Задания для самостоятельной работы .................................................. 210 Контрольные вопросы ........................................................................... 211 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................... 212 ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................... 214 8 ВВЕДЕНИЕ В соответствии с Федеральным образовательным стандартом высшего профессионального образования третьего поколения при под- готовке специалистов в высших учебных заведениях должны широко использоваться компьютерные технологии. При изучении дисциплины «Электроснабжение» компьютерные технологии могут использоваться наиболее эффективно при решении задач, которые моделируют ситуации, связанные с режимами работы систем электроснабжения. Эти задачи должны решаться, в общем слу- чае, математическими методами, описываются системами алгебраиче- ских и дифференциальных уравнений высокого порядка, требуют вы- числительной работы с комплексными числами. Применительно к дисциплине «Электроснабжение» умения, навы- ки и личностные качества, необходимые для развития профессиональ- ных компетентностей студентов, наиболее целесообразно развивать с помощью программы MATLAB – современного мощного средства для выполнения инженерных и научных расчетов и высококачественной ви- зуализации получаемых результатов. В настоящее время программа MATLAB является мировым лиде- ром в области научно-технического программного обеспечения, посто- янно развивается и совершенствуется. В пакет входят хорошо проверен- ные блоки решения систем алгебраических и дифференциальных урав- нений, модули графического представления результатов. Отличительной особенностью MATLAB являются матричное представление данных и большие возможности матричных операций над данными. В программе MATLAB можно написать свою программу или, используя пакеты рас- ширения, – пакеты прикладных программ, самым известным из которых является Simulink, и технологию визуального моделирования с помо- щью библиотеки готовых модулей, как из кубиков составить имитаци- онную модель. Фирменная документация, прилагаемая к системе и ее расширениям, содержит десятки тысяч страниц. Достоинством системы MATLAB являет- ся возможность изучения и использования лишь ее части, например, при- ложения Simulink, однако программа MATLAB является глубоко англоя- зычной, что налагает определенные ограничения при ее использовании. В настоящее время в России опубликовано множество книг по раз- личным реализациям программы MATLAB. В последние годы издана литература, содержащая сведения по применению системы MATLAB и 9 Simulink для научно-технических расчетов в электротехнике и энергети- ке [1 – 12]. Описания библиотек пакета расширения Simulink представ- ляют собой подробные многостраничные переводы на русский язык об- ширной документации, прилагаемой к программе. В переводах рассмат- риваются многочисленные примеры действующих моделей, входящие в состав программы, а определение параметров блоков представлено по каталожным данным зарубежных заводов-изготовителей, которые не- сколько отличаются от каталожных данных и справочных материалов, используемых в отечественной литературе. Наиболее полными изданиями, содержащими подробное описание практически всех блоков библиотек Simulink и его приложения SimPo- werSistems, необходимых для моделирования электротехнических уст- ройств, являются на настоящий момент издания [1, 4]. В этих изданиях приведены основные команды для управления моделями из ядра про- граммы MATLAB, методика создания электротехнических блоков поль- зователя, даны советы пользователям. Использованию программы MATLAB в образовательных целях при изучении отдельных электротехнических дисциплин посвящены ра- боты [7 – 12]. Так, применение программы MATLAB при изучении кур- са электротехники подробно рассмотрено в пособиях [9 – 11], схем пре- образовательной техники [8, 12], электрических машин [7]. В этих посо- биях все примеры и описания выполнены с учетом изменяющихся вер- сий программы, рассмотрены приемы создания виртуальных лаборатор- ных работ по соответствующим дисциплинам. Программа поставляется с пакетом достаточно большого количест- ва поучительных примеров действующих моделей. Однако при создании своей схемы модели студент должен четко представлять не только рас- четную схему электрической сети, которую он собирается моделировать, но и качественную, и количественную сторону изучаемых физических процессов, знать закономерности определения параметров каждого эле- мента сети, способы их задания в зависимости от поставленной перед ним задачи. В этом отношении демонстрационные примеры |