Simulazione di sistemi elettrici con Simscape Electrical

Quali sono i principali settori applicativi per lo sviluppo e la gestione di reti elettriche definite dal software?

I principali settori applicativi includono:

• Simulazione EMT su larga scala
• Scansione dell’impedenza e verifica della conformità ai codici di rete mediante simulazione
• Progettazione e integrazione di convertitori grid-forming e grid-following
• Progettazione di data center

Come iniziare con la simulazione dei sistemi elettrici?

Per i team di ingegneri che progettano e validano reti elettriche definite dal software, Simscape Electrical offre un approccio pratico per integrare algoritmi di controllo, elettronica di potenza e dinamica della rete in un unico ambiente di simulazione. MathWorks^® offre numerosi corsi interattivi autogestiti per iniziare a utilizzare Simscape Electrical. Questi corsi introduttivi sono un buon punto di partenza:

• Simscape Onramp: si tratta di un corso online gratuito, autogestito, della durata di un’ora. Imparerai le nozioni fondamentali di Simscape™ e come modellare sistemi dinamici in diversi domini fisici.
• Power Systems Simulation Onramp: si tratta di un corso online gratuito, autogestito, della durata di un’ora e mezza, che illustra i concetti fondamentali della simulazione dei sistemi elettrici. Imparerai a modellare una microrete semplice e a valutare i principali algoritmi di controllo per i sistemi di energia rinnovabile.

Quali workflow di simulazione dei sistemi elettrici sono supportati da MATLAB e Simulink?

È necessario utilizzare MATLAB^®, Simulink^®, Simscape e Simscape Electrical per i workflow di simulazione dei sistemi elettrici. In base all’ambito della tua applicazione, sono disponibili altri prodotti che potrebbero essere adatti al tuo workflow. Ad esempio, Simulink Control Design™ offre workflow per la progettazione di sistemi di controllo e l’ottimizzazione dei parametri, mentre Simscape Battery™ offre workflow per lo sviluppo di sistemi di gestione delle batterie.

Quale risolutore dovrei utilizzare per la simulazione EMT?

Per la simulazione EMT puoi utilizzare un risolutore fisso, come Backward Euler o Trapezoidal. Il passo temporale dipende dall’applicazione, ma 50 microsecondi è un valore comunemente utilizzato per i sistemi a 50 Hz e 60 Hz.

Come scegliere il livello di fedeltà del modello più adatto?

Per fedeltà del modello si intende il livello di dettaglio incluso in una determinata simulazione. Ad esempio, nella modellazione dei convertitori di potenza per la simulazione EMT, gli studi sui sistemi elettrici utilizzano tre livelli fondamentali di fedeltà del modello.

I tre livelli di sono a valore medio (average-value), a commutazione media (average-switch) e a commutazione lineare (switched-linear):

• Il livello di fedeltà più basso è quello a valore medio. Il convertitore di potenza emula direttamente le onde di modulazione e non modella la commutazione dei dispositivi. Questa è l’opzione di simulazione più veloce ed è adatta agli studi che non richiedono informazioni sulle armoniche.
• Il livello di fedeltà successivo è quello a commutazione media (average-switch). È possibile mediare la modulazione a larghezza di impulsi (PWM) utilizzando un passo temporale maggiore rispetto a quello del generatore PWM. Questo approccio consente di simulare il sistema fisico con passi temporali più ampi, mantenendo un’accurata rappresentazione delle armoniche di ordine inferiore. Questa tecnica è nota anche come “subcycle averaging”.
• Il livello di fedeltà a commutazione lineare (switched-linear) simula direttamente la commutazione on-off dei dispositivi elettronici di potenza. A questo livello di fedeltà, è necessario scegliere un passo temporale che consenta di rappresentare accuratamente il pattern di commutazione PWM nella risposta del sistema fisico.

Come realizzare e scalare modelli di sistemi elettrici di grandi dimensioni?

Gli ingegneri descrivono solitamente i sistemi elettrici di grandi dimensioni in formati di file basati su testo e li analizzano con strumenti per il calcolo dei flussi di potenza, come MATPOWER, prima di realizzare modelli EMT. In questo caso, puoi creare uno script MATLAB che legga i dati della rete. Gli script utilizzano l’API di Simulink per creare in modo programmatico il modello di base del sistema elettrico a partire dalle descrizioni dei flussi di potenza. Più è grande il sistema elettrico, più diventa oneroso a livello computazionale. L’approccio consigliato consiste nel suddividere il modello in sottoreti più piccole. Queste sottoreti vengono quindi collegate tramite architetture di modello come i modelli di riferimento o i riferimenti ai sottosistemi.

Un’altra categoria di sistemi di grandi dimensioni comprende topologie di convertitori di potenza complesse, come i convertitori modulari multilivello, che contengono numerosi componenti ripetuti. Puoi utilizzare anche l’API di Simulink per generare queste architetture.

Posso modellare sistemi di trasmissione e distribuzione?

Sì, è possibile modellare sistemi bilanciati e non bilanciati. È possibile anche modellare sistemi polifase, se necessario.

Posso simulare studi di lunga durata, come le analisi su 8760 ore?

Sì, è possibile configurare un modello Simscape Electrical per eseguire simulazioni in modalità fasoriale. In questa modalità, la simulazione può utilizzare qualsiasi passo temporale, consentendo anche simulazioni di 8760 ore con passi di un’ora nell’arco di un anno standard. Questo tipo di simulazione è comunemente chiamato simulazione quasi statica.

Come rendere un modello di un sistema elettrico di grandi dimensioni compatibile con la simulazione in tempo reale?

Non esiste una risposta univoca, poiché alcuni modelli sono troppo grandi per essere simulati in tempo reale. Tuttavia, tieni presenti queste linee guida durante la creazione e il test del modello:

• Crea il modello del sistema elettrico in modo incrementale ed esegui una valutazione iniziale delle prestazioni di simulazione sul desktop. Utilizza il livello di fedeltà del modello più basso che consenta di raggiungere il tuo obiettivo ingegneristico e imposta un risolutore a costo fisso.
• Se durante i test del modello in un ambiente in tempo reale si verificano sforamenti dei tempi di esecuzione, valuta la possibilità di suddividere il modello in sottosistemi più piccoli e di utilizzare un numero maggiore di core durante la simulazione in tempo reale.

Esistono tecniche per migliorare le prestazioni della simulazione dei convertitori di potenza in tempo reale?

Il “subcycle averaging” è un metodo comunemente utilizzato per migliorare le prestazioni della simulazione in tempo reale. Questo metodo consente di aumentare il passo temporale di simulazione del modello fisico, rappresentando accuratamente le armoniche di commutazione di ordine inferiore. Il “subcycle averaging” richiede un compromesso tra il passo temporale e l’intervallo di armoniche di interesse.

In alternativa, puoi implementare i modelli dei convertitori di potenza in codice HDL e distribuirli su FPGA quando è necessario rappresentare l’intero intervallo armonico.

Come valutare la conformità ai codici di rete mediante la simulazione?

Per valutare la conformità ai codici di rete mediante un modello di simulazione, crea test harness che sottopongano il modello a condizioni quali disturbi di bassa tensione, disturbi di frequenza o entrambi. Registra gli esiti dei test e genera automaticamente report a supporto della valutazione complessiva della conformità.