Simulación de sistemas de potencia con Simscape Electrical

¿Cuáles son las áreas de aplicación más importantes para desarrollar y operar redes eléctricas definidas por software?

Entre las principales áreas de aplicación se incluyen las siguientes:

• Simulación de EMT a gran escala
• Barrido de impedancia y cumplimiento con códigos de red basada en simulación
• Diseño e integración de convertidores formadores y seguidores de red
• Diseño de centros de datos

¿Cómo se comienzan a simular los sistemas de potencia?

Para diseño y validación de redes eléctricas definidas por software, Simscape Electrical ofrece una forma práctica de vincular algoritmos de control, electrónica de potencia y dinámica de red en un único entorno de simulación. MathWorks^® ofrece muchos cursos introductorios Onramp interactivos y a su ritmo para familiarizarse con Simscape Electrical. Estos cursos introductorios Onramp son buenos puntos de partida:

• Simscape Onramp: Se trata de un curso online a su ritmo gratuito de 1 hora de duración. Aprenderá los conceptos básicos de Simscape™ y cómo modelar sistemas dinámicos en múltiples dominios físicos.
• Simulación de sistemas de potencia Onramp: Se trata de un curso online a su ritmo gratuito de 1,5 horas de duración que abarca los fundamentos de la simulación de sistemas de potencia. Aprenderá a modelar una microrred sencilla y cómo evaluar algoritmos de control clave para sistemas de energía renovable.

¿Qué flujos de trabajo de simulación de sistemas de potencia se pueden utilizar en MATLAB y Simulink?

MATLAB^®, Simulink^®, Simscape y Simscape Electrical son necesarios para los flujos de trabajo de simulación de sistemas de potencia. En función del ámbito de la aplicación, es posible que otros productos sean adecuados para el flujo de trabajo. Por ejemplo, Simulink Control Design™ ofrece flujos de trabajo de diseño de control y optimización de parámetros, mientras que Simscape Battery™ proporciona flujos de trabajo para desarrollar sistemas de gestión de baterías.

¿Qué solver se debe utilizar para la simulación de EMT?

Para la simulación de EMT, puede utilizar un solver de paso fijo, como Backward Euler o Trapezoidal. El paso de tiempo depende de la aplicación, pero 50 microsegundos es un valor común para sistemas de 50 Hz y 60 Hz

¿Cómo se puede seleccionar la fidelidad del modelo adecuada?

La fidelidad del modelo consiste en el nivel de detalle que se incluye en una simulación determinada. Por ejemplo, cuando se modelan convertidores de potencia para simulación de EMT, los estudios de sistemas de potencia utilizan tres niveles de fidelidad fundamentales.

Los tres niveles son valor medio, conmutación media y conmutación lineal:

• La fidelidad más baja es la de valor medio. El convertidor de potencia emula directamente las ondas de modulación y no se modela la conmutación de los dispositivos. Es la opción de simulación más rápida y resulta adecuada para estudios que no necesitan información sobre armónicos.
• El siguiente nivel de fidelidad es el de conmutación media. Puede promediar la modulación por ancho de pulsos (PWM) utilizando un paso de tiempo mayor que el del generador de PWM. Este enfoque permite simular el sistema físico con pasos de tiempo mayores al tiempo que se capturan con precisión los armónicos de orden inferior. Esta técnica también se conoce como promediado de subciclos.
• La fidelidad de conmutación lineal simula directamente la conmutación de encendido y apagado de dispositivos electrónicos de potencia. Con este nivel de fidelidad, debe seleccionar un paso de tiempo que capture con precisión el patrón de conmutación PWM de la respuesta del sistema físico.

¿Cómo se crean y escalan modelos de sistemas de potencia de gran tamaño?

Equipos de ingeniería suelen describir sistemas de potencia de gran tamaño en formatos de archivo basados en texto y analizarlos con herramientas de flujo de potencia, como MATPOWER, antes de crear modelos de EMT. En tal caso, puede crear un script de MATLAB que lea los datos de la red. Los scripts utilizan la API de Simulink para crear de forma programática el modelo del sistema de potencia base a partir de las descripciones de flujo de potencia. Cuanto mayor es el tamaño del sistema de potencia, más alta es su carga computacional. El enfoque recomendado es segmentar el modelo en subredes más pequeñas. Estas subredes se conectan luego mediante arquitecturas de modelos, como referencias de modelo o referencias de subsistema.

Otro tipo de sistemas de gran tamaño incluye topologías de convertidores de potencia de gran tamaño, como convertidores multinivel modulares, que contienen muchos componentes repetidos. También puede utilizar la API de Simulink para generar estas arquitecturas.

¿Se pueden modelar sistemas de transmisión y distribución?

Sí, puede modelar sistemas equilibrados y no equilibrados. También puede modelar sistemas multifásicos cuando corresponda.

¿Se pueden simular estudios de larga duración, como análisis de 8760 horas?

Sí, puede configurar un modelo de Simscape Electrical para simular en modo fasorial. En este modo, la simulación puede utilizar cualquier paso de tiempo, incluyendo soporte para 8760 simulaciones que avanzan en pasos de tiempo de una hora durante un año estándar. Este tipo de simulación se suele denominar simulación cuasiestática.

¿Cómo se puede simular en tiempo real un modelo de sistema de potencia de gran tamaño?

No existe una única respuesta, ya que algunos modelos son demasiado grandes para simularlos en tiempo real. No obstante, tenga en cuenta estas pautas cuando cree y pruebe el modelo:

• Cree el modelo del sistema de potencia de forma gradual y realice una evaluación inicial del rendimiento de la simulación en un equipo de escritorio. Utilice la fidelidad del modelo más baja que permita lograr el objetivo de ingeniería y una configuración de solver de coste fijo.
• Si se producen desbordamientos de tiempo de ejecución durante las pruebas de un modelo en un entorno en tiempo real, considere segmentar el modelo en subsistemas más pequeños y utilizar más núcleos durante la simulación en tiempo real.

¿Existen técnicas para mejorar el rendimiento de la simulación de convertidores de potencia en tiempo real?

El promediado de subciclos es un método común para mejorar el rendimiento de la simulación en tiempo real. Este método permite aumentar el paso de tiempo de simulación del modelo físico y al mismo tiempo capturar con precisión los armónicos de conmutación de orden inferior. El promediado de subciclos requiere un tradeoff entre el paso de tiempo y el rango de armónicos de interés.

Si lo prefiere, puede implementar modelos de convertidores de potencia en código HDL y desplegarlos en FPGA cuando se requiera todo el rango de armónicos.

¿Cómo se puede usar la simulación para evaluar el cumplimiento con códigos de red?

Para evaluar el cumplimiento con códigos de red con un modelo de simulación, cree arneses de pruebas que sometan el modelo de simulación a condiciones como perturbaciones de baja tensión, perturbaciones de frecuencia o ambas. Registre los resultados de las pruebas y genere informes automáticamente para respaldar la evaluación de conformidad general.