Моделирование_в_энергетических_системах_лекция

1.

МОДЕЛИРОВАНИЕ
В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Энергосистема
Математическая
модель
Введение • MATLAB • Simulink
MATLAB / Simulink
Анализ режимов

2.

Цель и результаты обучения
02
Главная идея
• Понять назначение моделирования в
электроэнергетике
• Различать статические и динамические
модели
• Освоить логику построения модели:
объект → уравнения → вычислительный
эксперимент
• Познакомиться с MATLAB, Simulink и
Simscape Electrical
• Научиться интерпретировать результаты
моделирования
Модель позволяет
безопасно исследовать
поведение энергосистемы
до проведения
эксперимента на реальном
объекте.

3.

Что такое моделирование?
03
Моделирование — исследование объекта или процесса с помощью его
модели, сохраняющей существенные свойства оригинала.
Реальный объект
Математическая
модель
Компьютерная
модель
Результаты
Примеры объектов: генератор • трансформатор • ЛЭП • нагрузка • ВИЭ
накопитель • система регулирования

4.

Зачем моделировать энергосистему?
04
Что можно наблюдать?
• Расчет установившихся режимов и
потокораспределения
• Исследование переходных процессов и
устойчивости
• Оценка токов короткого замыкания и
аварийных режимов
• Настройка автоматического регулирования
и релейной защиты
• Интеграция ВИЭ, накопителей и
управляемой нагрузки
• Снижение стоимости и риска натурных
экспериментов
U — напряжение
I — ток
P, Q — мощности
f — частота
δ — угол ротора

5.

Виды моделей
05
Статические модели
Динамические модели
Описывают установившийся режим.
Временная динамика не является
главным объектом исследования.
Учитывают изменение состояния
системы во времени и реакцию на
возмущения.
Pᵢ = f(U, δ)
Qᵢ = g(U, δ)
ẋ = f(x, u, t)
y = g(x, u, t)

6.

Этапы построения модели
06
1. Постановка задачи
2. Выбор допущений
3. Математическое
описание
4. Реализация в
MATLAB/Simulink
5. Вычислительный
эксперимент
6. Анализ и проверка
Верификация: «правильно ли реализована модель?» • Валидация: «адекватно ли
модель описывает реальный объект?»

7.

MATLAB: вычислительная среда инженера
• Матричные и численные вычисления
• Решение алгебраических и
дифференциальных уравнений
• Обработка измерений и
экспериментальных данных
• Построение графиков и анализ
сигналов
• Оптимизация, идентификация и
алгоритмы управления
1 t = 0:0.0001:0.1;
2 f = 50;
3 Um = 311;
4 u = Um*sin(2*pi*f*t);
5 plot(t,u); grid on
6 xlabel('Время, с');
7 ylabel('Напряжение, В');
07

8.

Simulink: модель как блок-схема
08
Simulink позволяет собирать динамическую систему из функциональных блоков
и наблюдать сигналы во времени.
Источник
Трансформато
р
ЛЭП
Нагрузка
Структурная схема визуально близка к физической
структуре энергосистемы.
Scope

9.

Simscape Electrical в задачах энергетики
09
Источники
Сети
Машины
AC/DC, трехфазные
ЛЭП, кабели, шины
синхронные, асинхронные
Преобразователи
ВИЭ
Накопители
выпрямители, инверторы
PV, ветроэнергетика
батареи, DC-link
Результат: единая среда для моделирования электрической части и систем
управления.

10.

Первый пример: RL-цепь
u(t) = R·i(t) + L·di(t)/dt
10
Источник
u(t)
Σ
1/L
∫
i(t)
di(t)/dt = [u(t) − R·i(t)] / L
В Simulink уравнение
превращается в
последовательность операций над
сигналом.

11.

Учебный эксперимент
11
Исследуем влияние параметров R и L на переходный процесс тока.
Изменить R
Изменить L
Сравнить i(t)
i
t

12.

MATLAB + Simulink: совместная работа
MATLAB
• Задание параметров модели
• Расчет исходных данных
• Обработка результатов
• Построение графиков
12
Simulink
• Структурная модель системы
• Имитация динамики
• Возмущения и переключения
• Наблюдение сигналов

13.

Итоги и контрольные вопросы
13
Проверьте себя
• Модель — инструмент исследования
реального энергетического объекта
• MATLAB удобен для вычислений, данных и
алгоритмов
• Simulink удобен для динамических блоксхем
• Simscape Electrical предоставляет готовые
электротехнические компоненты
• Качество результата зависит от
корректности допущений и проверки
модели
1. Чем статическая модель отличается
от динамической?
2. Для чего нужны верификация и
валидация?
3. Какие задачи удобнее решать в
MATLAB, а какие — в Simulink?
4. Какие объекты энергосистемы
можно моделировать?