Моделирование энергетических систем

Интеграция систем

Введение

В предыдущих разделах вы моделировали генерацию переменного тока и трехфазную нагрузку. Теперь давайте посмотрим, как можно соединить эти элементы в единую систему (или микросеть). При моделировании взаимосвязанных систем важно убедиться в том, что каждая подсистема работает правильным образом. Затем нужно интегрировать компоненты и проконтролировать полную производительность энергетической системы.

Инспектор данных

Приложение Инспектор данных визуализирует данные, полученные в ходе одного или нескольких циклов моделирования. Его можно использовать как для визуального, так и для количественного сравнения результатов, что позволяет легко оценить влияние изменения значений параметров или других проектных решений.

Вы можете залогировать сигнал, выбрав команду «Записать» над линией сигнала в модели Engee. Это сделает его доступным для отображения в приложении Инспектор данных. После запуска симуляции вы можете выбрать один или несколько сигналов из списка для отображения на графике. Приложение Инспектор данных также позволяет:

• выбрать цвет и толщину линий и маркеров на графике,
• изменить расположение графиков на полотне,
• сохранить сигнал в CSV-файле,
• добавить заметку к сигналу,
• удалить сигнал,
• сохранить текущую сессию,
• загрузить ранее сохраненную сессию,
• провести количественное сравнение двух выбранных сигналов.

В предыдущем разделе вы создали генератор с разомкнутой системой управления и использовали блок Synchronous Machine Measurement для измерения действительной мощности генератора. Этот сигнал используется в контуре управления с обратной связью, но сейчас вы будете регистрировать сигнал в приложении Инспектор данных, чтобы изучить реакцию разомкнутой системы управления.

✏️Задание 1

1. Откройте модель Активная и реактивная нагрузка.engee.

2. Выберите выходной сигнал блока Synchronous Machine Measurement, который представляет собой действительную мощность генератора. Залогируйте сигнал, выбрав команду «Запись» над линией сигнала.

3. Запустите модель. Откройте приложение Инспектор данных. Раскройте содержимое окна «Прогон 1» и выберите сигнал «Измеритель синхронной машины.1». Постройте график зависимости действительной мощности синхронной машины от времени.

Решение

Модель:

Окно сигналов приложения Инспектор данных:

График:

Физические сигналы также можно сделать видимыми в приложении Инспектор данных с помощью редактора данных модели.

✏️Задание 2

1. Откройте окно Редактор данных модели.

2. Залогируйте сигнал питания синхронной машины. Для этого в столбце «Записывать» поставьте галочку около сигнала «Цепь возбуждения синхронной машины.1».

3. Запустите модель еще раз. Откройте приложение Инспектор данных. Раскройте содержимое окна «Прогон 2», снимите выделение с сигнала «Измеритель синхронной машины.1» и выберите сигнал «Цепь возбуждения синхронной машины.1». Последний сигнал отобразится на графике.

Решение

Окно Редактор данных модели:

Окно сигналов приложения Инспектор данных:

График:

После выполнения двух или более запусков модели вы можете найти и выбрать ранее залогированные данные.

✏️Задание 3

1. В окне настроек блока Активная нагрузка задайте значение параметра Real power (действительная мощность) равным 8e6 Вт.

2. Запустите модель еще раз, чтобы увидеть эффект от этого изменения. В приложении Инспектор данных в окне «Прогон 3» выберите сигнал «Измеритель синхронной машины.1».

3. Раскройте раздел «Архив» в левом нижнем углу окна сигналов. Из предыдущего запуска («Прогон 2») выберите сигнал «Измеритель синхронной машины.1», чтобы сравнить результаты.

4. Дважды щелкните мышью на линию сигнала «Измеритель синхронной машины.1» в окне «Прогон 2» и измените цвет линии, если цвета двух линий оказались одинаковыми.

Решение

Окно настроек блока Активная нагрузка:

Окно сигналов приложения Инспектор данных:

График:

✏️Задание 4

1. Измерьте напряжение на клеммах синхронной машины. Для этого в окне настроек блока Synchronous Machine Measurement задайте значение параметра Output равным Terminal Voltage (Напряжение на выводах).

2. Снова запустите модель. С помощью приложения Инспектор данных постройте график зависимости напряжения на клеммах синхронной машины от времени.

Решение

Окно настроек блока Измеритель синхронной машины:

Окно сигналов приложения Инспектор данных:

График:

Статическая система регулирования

Энергетические сети являются динамическими системами, т.к. параметры нагрузок и источников непрерывно изменяются. Стабильная энергетическая сеть требует точного совпадения генерируемой и потребляемой мощности в любой момент времени. Таким образом, генерация электроэнергии должна увеличиваться при увеличении нагрузки и уменьшаться при уменьшении нагрузки.

На электростанциях обычно используются трехфазные синхронные генераторы для производства электроэнергии. Скорость вращения первичного двигателя прямо пропорциональна выходной мощности. Поэтому мы можем компенсировать изменения нагрузки с помощью управления с обратной связью, поддерживая определенную скорость вращения генератора и, следовательно, частоту электрического тока. Это называется астатической системой регулирования.

График зависимости скорости генератора от мощности в случае астатического регулирования выглядит следующим образом:

При любых изменениях нагрузки сохраняется баланс мощностей:

Для любой нагрузки существует только одна точка, удовлетворяющая заданным требованиям.

Однако астатическое регулирование может приводить к нестабильности при параллельном соединении двух и более синхронных машин. Поэтому в системах, использующих несколько генераторов, используется статическая система регулирования. На рисунке показан спад на графиках зависимости частоты от мощности, возникающий в цепях регулирования скорости, что вызывает отклонения от номинальной частоты.

В этом случае необходимо распределить мощность между генераторами так, чтобы частоты двух генераторов совпадали. Отношение величин спада задает отношение мощностей генераторов.

При изменении нагрузки отношение мощностей генераторов остается постоянным. Другими словами, статическое регулирование поддерживает активную мощность в системе с несколькими генераторами, при этом задается отношение мощностей вместо отношения частот:

Мы рассмотрели пример регулирования активной мощности с помощью частот. Такой же принцип лежит в основе регулирования реактивной мощности с помощью напряжения в системах с несколькими генераторами.

Вместо указания напряжения мы вводим значение спада для стабильного распределения электроэнергии. В следующем упражнении вы проверите производительность подсистемы переменного тока в вашей микросети, изучив различные значения напряжения и частоты. Регулятор скорости и автоматический регулятор напряжения уже реализованы в модели.

Модель генератора с замкнутой системой управления

В следующем упражнении вы изучите модель генератора с замкнутой системой управления. Многие части этой модели должны быть знакомы вам по модели с разомкнутой системой управления и другим темам, которые вы уже изучали в этом курсе. Вы измените эту модель, чтобы реализовать статическое регулирование. Как напряжение возбуждения, так и частота вращения первичного двигателя регулируются с помощью системы обратной связи. Подробную информацию о ее реализации можно найти в подсистемах AVR and exciter и Prime mover and governor. В этом упражнении вы узнаете, как ключевые параметры в контуре управления с обратной связью влияют на режим статического регулирования.

Результаты измерений активной и реактивной мощности фильтруются, как вы делали ранее. Отфильтрованные сигналы, а также некоторые измерения в подсистемах управления с обратной связью логируются и становятся доступными в приложении Инспектор данных для визуализации.

Генератор подключен к двум постоянным нагрузкам (одной активной и одной реактивной), подключенным по схеме «звезда». Также в модели используется третий блок нагрузки Wye-Connected Variable Load (Lagging).

Этот блок аналогичен блоку Wye-Connected Load, но значения активной и реактивной мощности задаются физическими сигнальными входами. Это делает его полезным в качестве тестовой нагрузки, поскольку ее мощность легко изменять во время моделирования.

Затем вы добавите второй генератор и измерите эффективность статического регулирования при различных нагрузках.

В следующем упражнении вы увидите реакцию замкнутой системы управления на ступенчатое изменение нагрузки от значения мощности холостого хода в 4 кВт до значения «система включена» в 4 МВт. Поскольку мощность изменяется на несколько порядков, использование блока Step (Ступенчатая функция) приводит к значительному разрыву.

Вы можете добавить блок Rate Limiter (Ограничитель скорости изменения), чтобы ограничить скорость изменения до разумного значения. Это также обеспечивает точность моделирования. После выполнения каждого задания вы можете запустить модель и просмотреть результат в приложении Инспектор данных.

✏️Задание 5

1. Откройте модель Модель генератора с замкнутой системой управления_ Начало.engee.

2. Добавьте в модель блоки Step (Ступенчатая функция) и Rate Limiter (Ограничитель скорости изменения) из базовой библиотеки.

3. Задайте параметры блоков, как указано в таблице:

4. Подключите выход блока Step ко входу блока Rate Limiter, а выход последнего блока – к порту блока Wye-Connected Variable Load (Lagging).

5. Залогируйте выходной порт подсистемы Filter P.

6. Запустите модель и постройте график сигнала активной мощности с помощью приложения Инспектор данных.

Решение

Модель:

График результатов моделирования:

Вы можете проверить реакцию системы на изменение индуктивной нагрузки, подключив управляющий сигнал к порту Q блока Wye-Connected Variable Load (Lagging). Здесь вы смоделируете отключение индуктивной нагрузки.

✏️Задание 6

1. Добавьте в модель те же блоки, что и в предыдущем Задании.

2. Задайте параметры блоков, как указано в таблице:

3. Подключите эти блоки последовательно к порту блока Wye-Connected Variable Load (Lagging).

4. Залогируйте выходной порт подсистемы Filter Q.

5. Запустите модель и постройте график сигнала реактивной мощности с помощью приложения Инспектор данных.

Решение

Модель:

График результатов моделирования:

Генератор работает под управлением как перепада частоты, так и перепада напряжения. В модели были созданы переменные: droopP1, соответствующая перепаду частоты, и droopQ1, соответствующая перепаду напряжения. Значения перепада задаются как коэффициенты усиления в блоках Gain, которые определяют, насколько сильно следует отклоняться от номинальной частоты или напряжения. Перепад частоты реализован в подсистеме Prime mover and governor; перепад напряжения – в подсистеме AVR and exciter. Установка значения перепада на 0 означает, что система будет работать на номинальной частоте или напряжении.

✏️Задание 7

1. Залогируйте выходной сигнал блока Rotor speed (pu) для отображения частоты вращения ротора на графике.

2. Запустите модель. С помощью приложения Инспектор данных постройте график зависимости частоты вращения ротора от времени.

3. Перейдите в подсистему Prime mover and governor (Первичный двигатель и регулятор). Измените значение коэффициента усиления блока Gain с droopP1 (по умолчанию равного 0.05) на 0.

4. Запустите модель еще раз. С помощью приложения Инспектор данных постройте на одном полотне графики частоты, полученные в предыдущем и текущем прогоне модели.

Решение

Окно настроек блока Gain:

График результатов моделирования:

✏️Задание 8

Теперь, когда вы исследовали поведение одного генератора, вы можете добавить в модель второй генератор. Сначала создайте визуальную иерархию, поместив блоки генератора в подсистему:

1. Нажав и удерживая клавишу Shift, щелкните по холсту левой кнопкой мыши и выделите блоки, которые определяют поведение генератора с замкнутой системой управления, как показано на рисунке.

2. Затем щелкните мышью на значок ... в правом нижнем углу выделенной области. Создайте подсистему, щелкнув на кнопку «Подсистема» в открывшемся контекстном меню.

3. Назовите подсистему Generator 1.

Решение

Модель:

Подсистема Generator 1:

✏️Задание 9

Второй генератор имеет те же параметры и архитектуру, что и первый, поэтому вы можете скопировать и вставить подсистему для создания второго генератора:

1. Создайте копию подсистемы Generator 1.

2. Назовите новую подсистему Generator 2.

3. Новая подсистема будет иметь порт, который передает физическое соединение с генератором за пределы подсистемы. Чтобы включить второй генератор в модель, подключите этот порт к линии, соединяющей подсистему Generator 1 с подсистемой Power Measurement.

Решение

Сейчас значения перепадов одинаковы для обоих генераторов. Следовательно, каждый генератор будет выдавать половину требуемой мощности. Если вы измените соотношение значений перепадов, соответственно изменится и распределение мощности.

✏️Задание 10

Завершите построение модели:

1. В подсистеме Prime mover and governor для первого генератора задайте значение коэффициента усиления блока Gain (перепад частоты) равным droopP1.

2. В подсистеме Prime mover and governor для второго генератора задайте значение коэффициента усиления блока Gain (перепад частоты) равным droopP2*0.5 (где droopP2 по умолчанию равно 0.05).

3. Залогируйте выходные сигналы блоков Active power (pu) в обеих подсистемах Generator 1 и Generator 2.

4. Запустите модель. С помощью приложения Инспектор данных постройте на одном полотне графики активной мощности каждого генератора.

Решение

Тест для получения сертификата

Пройти тест по разделу >>