Учебное пособие Номер государственной регистрации электронного издания в фгуп нтц информрегистр 0321300817

• Название: Учебное пособие Номер государственной регистрации электронного издания в фгуп нтц информрегистр 0321300817
• Дата: 22.04.2022
• Размер: 6.46 Mb.
• Имя файла: mu_350406_11.pdf
• Тип: Учебное пособие; #490056
• страница: 12 из 17

Three-Phase Breaker и
Ideal Switch?
13. Почему при моделировании процессов коммутации в системе электроснабжения блоком Breaker переходный процесс затухает быстрее, чем при моделировании блоком Ideal Switch?
14. Какие возможности управления временем замыкания (размыка- ния) контактов имеются у блоков Breaker, Three-Phase Breaker и
Ideal Switch?

138
4 РАБОТА С БЛОКОМ POWERGUI
В состав пакета SimPowerSystems входит особый блок –
Powergui (рис. 4.1).
Рисунок 4.1 – Состав разделов библиотеки пакета SimPowerSystems
Блок Powergui не имеет ни входов, ни выходов и включается в состав любой модели как блок вызова графического интерфейса пользователя пакетом энергетических систем. В блок поступают все данные о модели и о результатах моделирования. Возможности блока зависят от модели, в которой блок используется.
Пиктограмма блока, указанная на рисунке 4.1, меняется в зави- симости от введенных в окно настроек параметра и приобретает вид одной из пиктограмм, показанных в таблице 4.1.

139
Таблица 4.1 – Пиктограммы и назначение блока Powergui
Пиктограмма
Назначение блока
№
Вид
1
Powergui обеспечивает решение следующих задач:
 расчет схемы комплексным методом;
 расчет установившегося режима;
 дискретизация модели;
 задание начальных условий;
 инициализация трехфазных схем, содержащих элек- трические машины, таким образом, чтобы расчет на- чался с установившегося режима;
 анализ схемы с помощью инструмента Simulink LTI-
Viewer;
 определение полного сопротивление (импеданса) цепи;
 выполнение гармонического анализа;
 создание отчета;
 создание файла характеристик намагничивания для модели нелинейного трансформатора;
 вычисление параметров линий электропередач по их геометрическим характеристикам.
2 3
Окно Powergui позволяет контролировать состояние перемен- ных модели в момент инициализации и после моделирования. Окно задания параметров блока показано на рисунке 4.2.
Параметры блока:
В поле Simulation type [Вид расчета] с помощью трех переклю- чателей задается один из возможных видов расчета схемы, в соответ- ствии с которым меняется вид пиктограммы блока:
 Phasor simulation [Расчет схемы комплексным методом]. При ус- тановленном переключателе выполняется расчет схемы комплекс- ным методом. При этом необходимо задать частоту источников в графе Frequency (Hz).При других видах анализа параметр являет- ся недоступным;
 Discretize electrical model [Выполнить дискретизацию модели].
При выбранном переключателе выполняется дискретизация моде- ли. Необходимо задать шаг дискретизации в графе Sample time (s).
Параметр является доступным, если задан режим дискретизации модели. При этом на пиктограмме блока будет показана величина этого параметра;
 Continuous [Расчет при непрерывном времени].

140
В поле Options [Опции]
устанавливаются варианты вывода со- общений при проведении анализа:
Show messages during analysis [Показывать сообщения при про- ведении анализа]. Если флажок не установлен, то при выполнении расчетов подавляется вывод сообщений в командном окне MATLAB.
Рисунок 4.2 – Окно настроек блока Powergui
При установленном флажке доступна опция Restore disabled
links? [Восстанавливать поврежденные связи]? При этом из выпа-

141 дающего списка возможен выбор следующих значений: warning – предупреждать; no – нет; yes – да.
В поле Analysis tools [Аналитические инструменты] – задается вид решаемой задачи в соответствии с требованиями пользователя:
Steady State Voltages and Currents [Установившиеся значения напряжений и токов]. Расчет установившихся значений переменных.
При нажатии на кнопку открывается окно, в котором будут показаны соответствующие значения;
Initial states Setting [Установка начальных значений]. При на- жатии на кнопку открывается окно, в котором отображаются началь- ные значения переменных. Эти значения можно изменять. Новые значения используются при расчете переходных процессов;
Load Flow and Machine Initializations [Инициализация схем со- держащих электрические машины];
Use LTI Viewer [Использование LTI Viewer]. Применение ин- струмента Simulink LTI Viewer для анализа схемы;
Impedance vs Frequency Measurements [Определение импедан- са цепи];
FFT Analysis [Гармонический анализ];
Generate Report [Создание отчета];
Hysteresis Design Tool [Инструмент расчета характеристики на- магничивания];
Compute RLC Line Parameters [Вычисление параметров линий электропередачи]. При нажатии на кнопку открывается окно, куда можно ввести геометрические характеристики линии электропереда- чи. После производства вычислений параметров линии они переда- ются выбранному в модели блоку линии(например, Distributed Pa-
rameters Line, Three-Phase PI Section Line или Pi Section Line).
Все перечисленные возможности расчета схем с помощью блока
Powergui являются мощным подспорьем для пользователя при моде- лировании. Из-за ограниченности объема данного издания остано- вимся на краткой характеристике отдельных возможностей примене- ния блока Powergui при моделировании систем сельского электро- снабжения [1; 4; 9 – 11].
4.1 Расчет схемы комплексным методом
Расчет схемы переменного тока, имеющей ключевые элементы
(выключатели), комплексным методом (Phasor simulation) произво- дится для случаев, когда пользователя интересуют только устано-

142 вившиеся значения токов и напряжений. Вид расчета установившего- ся режима Steady-State в этом случае не очень удобен, поскольку он выполняется только для начального состояния ключей схемы. Если в цепи нужно определить только значения амплитуды и фазы всех на- пряжений и токов, то нет необходимости решать полную систему уравнений модели. Вместо этого достаточно решить намного более прстой набор алгебраических уравнений, связывающих векторы на- пряжения и тока элементов модели. Именно это делает комплексный метод решения. Метод вычисляет напряжения и токи как векторы
(комплексные числа, отображающие синусоидальные напряжения и токи определенной частоты). Векторы могут быть представлены в де- картовой (действительная и мнимая часть числа) или в полярной сис- теме координат(амплитуда и фаза). Переходные процессы при таком способе расчета не учитываются, поэтому моделирование происходит намного быстрее. Эта более быстрая методика дает результат только для одной определенной частоты.
Для проведения расчета комплексным методом необходимо в окне Powergui выбрать режим расчета Phasor simulation и задать частоту источников в графе Frequency. В режиме Phasor simulation пользователь может проследить, как меняются установившиеся зна- чения переменных при различных коммутациях в схеме.
4.2 Дискретизация модели
Дискретизация электрической модели позволяет, как правило, существенно увеличить скорость ее расчета. Величина шага дискре- тизации задается в окне параметров блока Powergui. Дискретизация выполняется с использованием метода Тастина (интегрирование ме- тодом трапеций с фиксированным шагом). Для того чтобы устранить замкнутые алгебраические контуры при дискретизации моделей элек- трических машин, применяется прямой метод Эйлера. Точность рас- чета определяется величиной шага дискретизации. При большом ша- ге дискретизации точность может быть не высока. Для выбора нуж- ного значения шага требуется выполнить несколько расчетов с раз- ными значениями величины шага дискретизации и сравнить резуль- таты с расчетом по непрерывной модели. После сравнения следует выбрать наибольшее значение шага, при котором разницу с расчетом по непрерывной модели можно считать несущественной. Обычно, для расчета систем, работающих на частотах 50 – 60 Гц, шаг дискре- тизации может быть выбран равным 20 – 50 мкс. При расчете дис-

143 кретных схем системы управления могут быть как непрерывными, так и дискретными, но наибольшая скорость расчета может быть дос- тигнута только в последнем случае.
4.3 Расчет установившегося режима
Расчет установившегося режима сети (ее рабочего состояния) по составленной схеме замещения сводится к обычному расчету элек- трической цепи известными методами теоретических основ электро- техники. Содержание поставленной инженерной задачи, сложность схемы замещения, большое количество исследуемых параметров не позволяют непосредственно использовать классические расчетные методы. С этой целью широко используется матричная форма пред- ставления параметров сети и режима.
Режим Steady-State позволяет выполнить расчет установивших- ся значений переменных. Расчет производится для состояния схемы в момент времени t=0. В этом режиме расчета в окне блока Powergui отображаются значения переменных состояния модели, а также изме- ряемых переменных источников и нелинейных элементов. Расчет проводится для одной фиксированной частоты, равной частоте ис- точников схемы, либо для нулевой частоты, если в схеме присутст- вуют только источники постоянного напряжения. Результаты могут быть представлены как в виде действующих, так и в виде амплитуд- ных значений. При расчете на переменном напряжении будут показа- ны также фазовые сдвиги соответствующих переменных. При нали- чии в схеме ключевых элементов следует иметь в виду, что расчет будет выполнен для начального состояния ключей.
Для отображения результатов возможно использование сле- дующих настроек:
Units [Система измерения]. Выбор системы измерения:
 Peak values – амплитудные значения,
 RMS values – действующие значения;
Frequency [Частота]. Частота источников Гц;
Display [Отображаемые переменные]. При установке флажков отображаются следующие расчетные переменные:
 States – переменные состояния (токи в индуктивностях и напря- жения на конденсаторах),
 Measurements – измеряемые переменные, т.е. переменные, для измерения которых в модели установлены датчики тока или на- пряжения.

144
 Sources – напряжения источников,

Nonlinear – токи и напряжения нелинейных элементов
Использования блока для расчета установившегося режима сети рассмотрен в разделе 7, там же приведено окно расчета параметров установившегося режима сети при несимметричной нагрузке с помо- щью блока Powergui (рис. 7.12).
4.4 Задание начальных условий расчета
При выполнении расчета электрической схемы начинающий пользователь может получить довольно неожиданный результат, обу- словленный не заданными специально начальными условиями. Дело в том, что перед началом расчета Simulink выполняет расчет устано- вившегося режима, а результаты этого расчета принимает в качестве начальных условий для расчета на заданном интервале времени. По- этому, если не ввести другие значения начальных условий, с помо- щью рассматриваемого инструмента Initial State Setting можно по- лучить при моделировании неожиданные результаты.
Для того чтобы принудительно задать нулевые начальные усло- вия, требуется установить на схему блок Powergui, открыть его и на- жать кнопку Initial State Setting (Установка начальных состояний).
В результате на экран компьютера будет выведено окно уста- новки начальных состояний модели. В нем требуется нажать кнопку
To zero для установки нулевых начальных условий.
Таким образом, начальные значения переменных модели будут установлены равными нулю.
Пример применения блока для задания нулевых начальных ус- ловий при моделировании пуска двигательной нагрузки летней дойки от микроГЭС подробно рассмотрен нами в [35; 36].
4.5 Расчет параметров линии электропередачи
Инструмент Compute RLC Line Parameters обеспечивает вы- числение параметров моделей линий электропередачи на основе ха- рактеристик проводов и геометрических размеров линии. Этот инст- румент можно также вызвать, набрав в рабочем окне MATLAB «pow-
er_lineparam».
Расчетная модель ЛЭП, принятая в программе MATLAB для оп- ределения параметров сети, приведена на рисунке 4.3.
Рассмотрим окно инструмента для расчета параметров (рис.4.4)

145
Units: [Система единиц]. Дает возможность выбора одной из предла- гаемых систем исчисления:
 metric – геометрические размеры задаются в метрах;
 english – геометрические размеры задаются в дюймах
Frequency (Hz) [Частота] – частота (Гц), для которой будут рассчи- тываться параметры.
Ground resistivity (Ohm m) [Сопротивление земли (Ом м)] – параметр может иметь значение 0.
Number of phase conductors (bundles) [Количество фазные проводов
(расщепленных фаз)].
Рисунок 4.3 – Расчетная модель ЛЭП
Number of ground wires [Количество заземленных проводов] – Па- раметр задает число грозозащитных тросов ЛЭП.
Conductor (bundle) type [Обозначение проводов (расщепленных фаз)]:
 Фазные проводники обозначаются как p1, p2, p3
 Грозозащитные тросы – как g1, g2, g3

146
Phase number [Номер фазы] – фазы нумеруются как 1,2,3. Грозоза- щитные тросы имеют номер 0.
X (m) [Расстояние Х (м)] – горизонтальное положение проводника
(рис. 4.3)
Y
tower
(m) [Расстояние Y
tower
(м)] – расстояние от точки крепления проводника до земли (рис. 4.3)
Y
min
(m) [Расстояние Y min
(м)] – минимальное расстояние от провод- ника до земли – с учетом стрелы провеса (рис. 4.3)
Conductor (bundle) type [Тип проводника (фазы)]. Номер типа про- водника, задается в панели Conductor and Bundle Characterize (см. панель в нижней части окна).
Рисунок 4.4 – Окно инструмента RLC Line parameters

147
Number of conductor types or bundle types [Количество типов про- водов или расщепленных фаз] – параметр задает количество типов фазных проводов, включая расщепленные фазы.
Include conductor skin effect [Учитывать скин-эффект]. При установ- ленном флажке учитывает эффект вытеснения тока на поверхность проводника
Conductor internal inductance evaluated from [Вычислять собствен- ную индуктивность исходя из] – параметр определяет набор исход- ных данных, по которым рассчитывается собственная индуктивность провода. Параметр может иметь:
 T/D ratio – отношение T/D для полого проводника, где T – тол- щина проводника и D – наружный диаметр. Изменяется между 0 и 0,5. Значение 0,5 задает сплошную жилу;
 Geometric Mean Radis (GMR) – средний геометрический радиус;
 Reactance Xa at 1-foot spacing (or 1-meter spacing if the Units pa- rameter is set to metric) – реактивное сопротивление проводника на единицу длины (1 м или 1 фут, в зависимости от выбранной системы единиц).
Conductor outside diametr (cm)[Внешний диаметр проводника (см)].
Conductor DC resistance (Ohm/km) [Удельное активное сопротивле- ние проводника (Ом/км)] – Удельное активное сопротивление про- водника на единицу длины.
Conductor relative permeability [Относительная магнитная прони- цаемость проводника]. (Для проводов из цветного металла принима- ется равной 1).
Number of conductors per bundle [Количество проводников в расще- пленной фазе].
Bundle diameter (cm) [Диаметр расщепленного проводника (см)] Ес- ли в фазе один провод, значение = 0.
Angle of conductor 1 (degrees) [Угол проводника № 1 (градус)]. Ис- пользуется для расщепленных фаз. Если в фазе один проводник, зна- чение параметра равно 0.
Load typical data [Загрузка стандартных параметров расчета];
Load user data [Загрузка пользовательских параметров];
Save [Сохранение];
Compute RLC line parameter [Расчет RLC параметров линии].
Для вычисления параметров линии необходимо нажать кнопку
Compute RLC Line Parameters в нижней части окна. Результаты расчета выводятся в отдельное окно (рис.4.5).

148
Рисунок 4.5 – Окно результатов расчета параметров ЛЭП по параметрам,
задаваемым по умолчанию
На рисунке 4.5 приведены результаты расчета параметров ли- нии, задаваемых по умолчанию в соответствии с рисунками 4.3 и 4.4.
Полученные результаты можно передать в блок модели линии кнопкой Selected block (блок, в который осуществляется передача предварительно надо выделить), сохранить в Workspace (кнопка Send
RLC parameters to workspace) или поместить в отчет (кнопка Create
a report).
Далее рассмотрим на примере расчет параметров линии с помо- щью инструмента Compute RLC Line Parameters.

149
4.6 Пример расчета параметров ЛЭП с помощью
блока Powergui
Определить параметры линии 10 кВ, выполненной голым алю- миниевым проводом марки А-70, схема расположения проводов ли- нии на опоре приведена на рисунке 4.6.
Рисунок 4.6 – Схема расположения проводов на опоре ЛЭП 10 кВ
Физические характеристики и геометрические размеры линии электропередачи заносим в графический интерфейс пользователя, представленный на рисунке 4.7, а. При расчетах используется метри- ческая система единиц. При задании параметров максимальная стрела провеса провода принята равной 1,5 м. Результаты расчета представ- лены на рисунке 4.7, б, в.

150 а
б в
Рисунок 4.7 – Графический интерфейс пользователя для ввода исходных дан-
ных (а) и фрагменты окна результатов расчета параметров линии
инструментом «Compute RLC Line Parameters» (б, в)

151
На рисунке 4.7 промежуточные результаты расчетов представ- лены в виде матрицы сопротивлений, собственных и взаимных ин- дуктивностей и емкостей.
Программой рассчитываются активные сопротивления, индук- тивности и емкости прямой и нулевой последовательностей.
Активное сопротивление незначительно отличается от заданно- го нами по каталогу сопротивления провода постоянному току, в свя- зи с учетом в программе MATLAB при расчете параметров, эффекта вытеснения тока на поверхность проводника на переменном токе.
Индуктивность прямой последовательности полностью соответ- ствует заданному в исходных данных удельному индуктивному со- противлению ЛЭП.
Сопротивление земли, задаваемое в исходных данных, при рас- чете по принятой в программе MATLAB методике, которую мы здесь не рассматриваем, влияет на величину активного сопротивления ну- левой последовательности и величину индуктивности нулевой после- довательности ЛЭП.