בקרת מתח היברידית לתחנה להעברת כוח מגישים: אורן גרטן 034298026 יאיר פורר 021351267 מנחה: דר. מרק מולין מעבדה לבקרה ורובוטיקה דצמבר 2005

תוכן העניינים מטרות הפרויקט טבלת מאפיינים של סביבות העבודה Modelica – תכונות בסיסיות התחנה להעברת כוח: הכרת הענף הבסיסי וכיצד הוא מבוקר מידול באמצעות Simulink והשוואה ל Modelica מידול באמצעות Simpower סיכום ומסקנות

מטרות הפרויקט מטרת על: מידול מערכת תחנת הכוח ההיברידית בסביבת Simpower System והשוואת יכולות הביצוע לעומת המודל האקווילנטי של Modelica מטרות משנה: בדיקה ואימות ה Test Cases שמומשו בסביבת Modelica באמצעות גיבוי ישיר של Simulink . בדיקת יכולות סביבת העבודה ב Simpower , הכרות עם הסביבה ע"י בחינת מעגלים חשמליים בסיסיים ועד רכיבי הענף הבסיסי במערכת התחנה להעברת כוח, הרלוונטית למידול בפרויקט. הבדיקה תכלול תגובה במישורי הזמן והתדר של המעגלים הנ"ל תוך שמירה על חוקי המעגלים הבסיסיים(KVL , KCL וכו' ).

Simpower/Modelica-טבלת השוואה Matlab Simpower Modelica קריטריון הרצות מעשיות לבדיקת המערכת התבססות על תוצאות המאמר שימוש בסביבת העבודה בפרויקט ההתנהגות המלאה של הרכיב מוסתרת ואינה נגישה נוח לצפות ולשנות את מאפייני הרכיב לפי צורכי המשתמש נגישות ושקיפות הרכיבים עבודה עפ"י אות כניסה-אות יציאה (signal-oriented) כניסות ויציאות המערכת אינם חייבות להיות מוגדרות מראש תמיכה במודלים חסרי סיבתיות קבועה (noncausal modeling) תלוי ברכיב ובפרמטר הנדרש לשינוי אפשרי ע"י אפיון מתמטי תלוי זמן בין הדקי הרכיב שינוי פרמטרי הרכיב ב Real Time נתגלו קשיים באינטראקציה בין בלוקים חיצוניים לפנימיים של Simpower מאפשר ייצוא (export) לסביבות עבודה אחרות שילוב בין בלוקים מסביבות עבודה שונות

מידול באמצעות Modelica המתחים והזרמים על כל רכיב מתוארים בייצוג הפאזורי: הטיפול באינטראקציה בין החוגים והצמתים במעגל (KVL, KCL ) נעשה באמצעות Connectors . זהו מודל מיוחד שמצהיר על הערכים שמושפעים ישירות מחיבור יחידות שכנות לרכיב הנ"ל: כאן מומש הדק חשמלי באמצעות Connector. קיימים שני סוגי משתנים ב Connector : Potential Variable – ערכי משתנים אלו יושוו בעת החיבור (למשל: מתחים,ריכוזים...). Flow Variable – סכומי משתנים אלו יושווה ל 0 בעת החיבור (למשל:זרמים,כוחות מכאניים...) connector Pin Real Va; Real Vb; flow real ia; flow real ib; end Pin;

דוגמה: רכיב בעל שני הדקים המודל TwoPin מגדיר שני הדקים חשמליים T1,T2 שישמשו כ connectors חיצוניים לקו. OnePin,TwoPin ורכיבים בסיסים אחרים (משתני מתח וזרם) ממוקמים בחבילת בסיס (Base) . ביצירת מודלים חדשים קוראים לרכיבים מה Base לקבלת אותם מאפיינים, ובנוסף מאלצים סט משוואות ספיציפי להתנהגות המודל. כל זאת ללא תלות ברכיבים אחרים במעגל! Partial model TwoPin Pin T1; Pin T2; end TwoPin; T1 T2

דוגמה: אימפדנס המודל מתנהג עפ"י סט המשוואות: לכן מימוש Modelica : model Impedance "Impedance model“ extends Basic.TwoPin; parameter Real R=0.0 "Resistance"; parameter Real X=0.1 "Reactance"; equation [T1.va - T2.va; T1.vb - T2.vb] = [R, -X; X, R]*[T1.ia; T1.ib]; [T1.ia; T1.ib] + [T2.ia; T2.ib] = [0; 0]; end Impedance;

הענף הבסיסי להעברת כוח הענף הבסיסי מורכב מגנראטור המזין מתח דרך שני קווי תמסורת המחוברים לשנאי משנה מצב ((Tap Changer Transformer, השולט על הצרכן שמועמס בקצהו. קבל נוסף מועמס במקביל לצרכן לצורך בקרת המתח. בקרה הכוללת צרכן יחיד הנשלט ע"י שנאי מסוג זה הינה בקרת OLTC - ((single On-Load Tap Changer. למרות פשטותה, המערכת מכילה את רוב המרכיבים האופייניים המשפיעים על התנהגות המתח המסופק לצרכן לפני ואחרי נפילות. כאן תיבחן יעילותן של שתי מערכות בקרה ביכולת לייצב את מתח הצרכן לאחר נפילה פתאומית בנקודת זמן כלשהי : ה OLTC שהוזכרה, ושילובה עם טכניקת Load Shedding (כמבואר בשקף הבא).

הענף הפיזי ממודל באופן הבא: הגנרטור ממומש ע"י מקור מתח אידיאליVo . שני קווי התמסורת מיוצגים באמצעות ריאקטנס ,Xהמשנה ערך ברגע נפילת המתח. בקרת ה OLTC של השנאי ממומשת ע"י מכונת מצבים חיצונית שקובעת את יחס הליפופים n של שנאי אידיאלי בהתאם למתח שנופל על הצרכן בכל רגע. אלמנט בקרה חיצוני נוסף הינו ה Load Shedding , המהווה מקדם scaling שמעלה/מוריד את הספק הצרכן בהתאם למצב התאוששות המתח הנופל עליו. העומס הוא צרכן הספק אקספוננציאלי: ,exponential recovery load המייצג בצורה קרובה אילוצי צרכן הספק בתחנת כוח. אל העומס מחובר במקביל קבל בעל הספק קבוע.

העומס העומס הינו רכיב בעל הספק אקטיבי וריאקטיבי המשתנים בזמן על פי סט המשוואות הבא: ( Karlsson & Hill -1994 ) Xp משתנה מצב דינמי רציף המייצג את פער ההספק האקטיבי לעומת המצב היציב. Tp קבוע הזמן להתאוששות ההספק האקטיבי. P0 צריכת ההספק האקטיבי הנומינלית – ההספק הנצרך ע"י העומס במצב יציב ללא נפילות מתח . αs מעריך הקובע את תלות מתח העומס בהספק האקטיבי במצב יציב. αt מעריך הקובע את תלות מתח העומס בהספק האקטיבי בתחום הדינמי. באופן אקוויוולנטי קיימים משתנה המצב, קבוע הזמן והמעריכים להספק הריאקטיבי. k קבוע ה Load Shedding .

חיבור העומס לשאר רכיבי הענף במודל ושילוב אילוצי קירכהוף מביא למערכת הדינמית הבאה: כאשר: סט (10) מבטא את אילוצי העומס על ההספק. סט (11) מבטא את האילוצים המוכתבים משילובו במעגל. כמו כן יש לציין כי B0 מהווה את ההספק הריאקטיבי של הקבל המחובר במקביל לעומס.

מנגנון ה OLTC יחס הליפופים n מעודכן בהתאם למתח הנופל על הצרכן. מימוש דיסקרטי ( קירוב "מוצלח" למכונת המצבים הרציפה): Vr – מתח הייחוס (בד"כ ייקבע במצב הנומינלי) . DB- Deadband . מרווח זמן הדגימה המפריד בין שני ערכי n רצופים מוכתב מהאילוצים המכניים של השנאי : הזמן הנדרש לשינוי יחס הליפופים ממצב קודם למצב חדש - Tm . זהו בקר דיסקרטי לא לינארי .שילובו עם החוג הפתוח ( הענף הפיזי הרציף ) יוצר מערכת היברידית שנבחנת במאמר המקורי.

מידול באמצעות Simulink החוג הפתוח: והעומס:

בקר ראשי – OLTC : בקר משני – Load Shedding :

המערכת בחוג סגור:

בחינת ביצועי הבקרים: Simulink-Modelica מבחינת ביצועי המערכת: כתוצאה מהנפילה בקו התמסורת , המתח על העומס אינו מצליח להתייצב עצמאית . שילוב הבקר הראשי, ה ,OLTC נכשל אף הוא בייצוב המערכת ויש צורך בבקר נוסף. שילוב הבקר המשני, ה ,load shedding על העומס, מצליח לייצב את המערכת קרוב למתח הנומינלי (כעבור 800 שניות לערך). מבחינת המידול: ה Test Cases שמומשו בסביבת Modelica אומתו ישירות ע"י Simulink והניבו תוצאות זהות. Matlab Simulink Modelica

מידול באמצעות Simpower כהכרות בסיסית עם המערכת, נבדקו התנהגויות של מעגלים חשמליים בסיסיים בזמן ובתדר כדי לוודא שאכן מתקבלות תגובות כמצופה: במישור הזמן - קיום חוקי קירכהוף במישור התדר – קבלת דיאגראמת בודה הרצויה על פי פונקצית התמסורת האופיינית למעגל.

Benchmark 1

Benchmark 1 פונקצית התמסורת: לכן מתקבל קוטב בתדר: והגבר בתדרים גבוהים:

Benchmark 2 מעגל RLC טורי:

Benchmark 2 פונקצית התמסורת: לכן מתקבל צמד קטבים קומפלקסים בתדר התהודה:

מידול הענף הבסיסי - Simpower מידול העומס: הרכיב הקיים בספרייה עבור עומס משתנה בזמן מאפשר שימוש בשני אופנים: Internal PQ - ההספק האקטיבי והריאקטיבי מתנהגים באופן הבא: מקרה זה מנוון יותר מהתנהגות העומס במערכת שלנו, שכן במקרה זה המעריכים של תלות המתח בהספקים בתחום הדינמי ובמצב היציב זהים במקרה שלנו : לכן נשתמש באופן השני של הרכיב: External PQ - התנהגות ההספקים מוכתבת על העומס ע"י "חוק" חיצוני. חשוב לציין שניסיונות קודמים למימוש העומס ע"י ענף פסיבי פשוט שהספקיו מעודכנים בזמן ההרצה (Real Time) לא עלו יפה.

(Receiving external PQ) Simulink generated PQ מודל החוג הפתוח Dynamic Load (Receiving external PQ)

הרצת החוג הפתוח לפי התוצאות המערכת מצליחה לייצב את המתח על העומס סביב [~ 0.1[p.u עם תנודות של [~ 0.065[p.u ללא סיוע מבקר!! ישנה סתירה לתוצאות Modelica ו Simulink .

הסברים אפשריים לחוסר התיאום שילוב לא מוצלח בין Simulink subsystem לבין רכיבים פנימיים של Simpower . בחירת פתרונות שגויה של ה solver הפנימי של רכיב העומס עבור מערכת המשוואות הנוצרת מאילוצי המעגל ( קירכהוף, הספקי העומס).

סיכום ומסקנות בחנו את מידת יעילותן של שני סוגי בקרים במודל תחנת כוח היברידית בסביבת Simulink, והשווינו לתוצאות Modelica. שני סביבות העבודה העלו כי רק בשילוב שני הבקרים המערכת מתייצבת. בדקנו התנהגותם של מעגלים חשמליים בסיסיים ב Simpower. ואכן נשמרו חוקי המעגלים האלמנטריים בזמן ובתדר. מידלנו את החוג הפתוח באמצעות Simpower והמערכת הניבה תוצאות שגויות. באופן כללי, מידול ב Simpower מציב קשיים רבים הן בשילוב רכיבי חוץ ( Simulink Subsystems, Matlab functions ) והן בשקיפות הרכיבים (unmasking parameters ).