SimPowerSystems

Hauptmerkmale

  • Bibliotheken von anwendungsspezifischen Modellen, einschließlich Modellen von gewöhnlichen Wechsel- und Gleichstrom-Elektroantrieben, flexiblen Wechselstrom-Übertragungssystemen (FACTS) und erneuerbaren Energiesystemen.
  • Diskretisierungs- und Phasor-Simulationsmodi zur schnelleren Ausführung des Modells
  • Ideale Schaltalgorithmen zur beschleunigten Simulation von Leistungselektronikelementen
  • Analysemethoden zum Zugriff auf Zustandsraumdarstellungen von Schaltkreisen und zur Berechnung des Lastflusses für Maschinen
  • Basismodelle zur Entwicklung von wichtigen elektrischen Technologien
  • Möglichkeit der Erweiterung von Komponentenbibliotheken mithilfe der Simscape-Sprache
  • Unterstützung der C-Code-Generierung
SimPowerSystems model of an asynchronous motor and diesel-generator uninterruptible power supply (UPS)
SimPowerSystems-Modell (links) einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) mit Asynchronmotor und Dieselgenerator. Der Simulink-Scope-Block (rechts) zeigt Statorströme und Geschwindigkeit des Asynchronmotors.

SimPowerSystems unterstützt die Entwicklung komplexer, eigenständiger Stromsysteme, z. B. in Automobilen, Flugzeugen, Fabriken und Energieversorgungsanwendungen. Die Modelle, die Sie erstellen, unterstützen Ihren gesamten Entwicklungsprozess, einschließlich Hardware-in-the-Loop-Simulationen.

Modellieren von Stromsystemen

SimPowerSystems enthält Bibliotheken für die Modellierung von Elektromaschinen, Transformatoren und Umrichtern. Sie können Komponenten wie Generatoren, Übertragungsleitungen, Trennschalter und Motoren für die Modellierung von Stromsystemen verbinden. Anwendungsspezifische Bibliotheken werden ebenfalls bereitgestellt, die Sie zur Modellierung von Elektroantrieben, Stromnetzen für Flugzeuge und erneuerbaren Energiesysteme verwenden können. Wenn Sie diese Systeme mit in Simulink modellierten Regelsystemen verbinden, können Sie integrierte Stromsysteme in einer einzigen Umgebung testen.

Zusätzlich zu den herkömmlichen in Simulink verwendeten Eingabe-Ausgabe- oder Signalflussverbindungen verwendet SimPowerSystems physikalische Verbindungen, die den Energiefluss in beliebige Richtungen ermöglichen. Modelle von Stromsystemen, die mit physikalischen Verbindungen erstellt werden (oder nicht kausale Modelle), sind Netzwerken, die sie repräsentieren, sehr ähnlich und sind leicht zu verstehen und zu teilen.

Sie können Ihre Dreiphasenverbindungen mit einzelnen Verbindungen für jede Phase definieren. Dadurch haben Sie die Möglichkeit, Tests wie die Einstreuung eines einpoligen Erdschlussfehlers auszuführen. Sie können auch Diagramme mit einer einzigen Zeile erstellen, in denen die drei Phasen mit einer einzigen Zeile dargestellt werden. Dadurch kann das Diagramm leichter gelesen werden. SimPowerSystems-Komponenten werden mit dem Per-Unit-System parametriert. Dieses System wird in der Stromindustrie häufig verwendet und vereinfacht die Parametrisierung und Analyse Ihres Systems.

SimPowerSystems model of a permanent magnet synchronous motor and inverter sized for use in a typical hybrid vehicle.

SimPowerSystems-Modell (links) eines permanent magnetischen, synchronen Motors und Wechselrichters mit der entsprechenden Größe für die Verwendung in einem typischen Hybridfahrzeug. Das Modell beinhaltet die elektrischen Verbindungen (einphasig und dreiphasig) , die Signalflussverbindungen. Das Scope (rechts) zeigt Statorströme im PMSM.

Erstellen von benutzerdefinierten Komponenten

Sie können Komponenten aus anderen Produkten für die physische Modellierung zu Ihrem SimPowerSystems-Modell hinzufügen. Die Grundlagenbibliotheken in Simscape enthalten Blöcke in hydraulischen, thermischen, magnetischen und anderen physikalischen Domänen. Die Integration dieser Domänen in Ihr SimPowerSystems-Modell mithilfe von physikalischen Verbindungen ermöglicht die Modellierung anderer Aspekte Ihres Systems in einer einzigen Umgebung.

Die Simscape-Sprache ist eine objektorientierte Sprache auf der Basis von MATLAB, die Ihnen die Erstellung Ihrer eigenen physikalischen Modellierungskomponenten und -bibliotheken ermöglicht. Sie können benutzerdefinierte Komponenten definieren und durch Parametrisierung, physikalische Verbindungen und Gleichungen, die als nicht kausale, implizite algebraische Differenzialgleichungen (DAEs) dargestellt werden, vervollständigen. Innerhalb der Simscape-Sprachdatei Ihrer Komponente können Sie MATLAB dazu verwenden, Parameterwerte zu analysieren, vorausgehende Berechnungen durchzuführen und Systemvariablen zu initialisieren. Der Simulink-Block und das Dialogfeld für Ihre benutzerdefinierte Komponente werden automatisch aus der Datei erstellt.

Mithilfe der Simscape-Sprache können Sie genau steuern, welche Effekte in den Modellen Ihrer physikalischen Komponenten erfasst werden. Mit diesem Ansatz können Sie den richtigen Ausgleich zwischen Wiedergabetreue und Simulationsgeschwindigkeit für das Modell finden.

Custom Simscape implementation of a permanent magnet synchronous motor, used as a generator.

Benutzerdefinierte Simscape-Implementierung eines permanent magnetischen, synchronen Motors, der als Generator verwendet wird. Der MATLAB-Editor zeigt den Quellcode der Simscape-Sprache der elektrischen und mechanischen Gleichungen und der Scope zeigt die dreiphasigen Wechselströme und Gleichströme an der Last.

Simulieren von Modellen

Sie können Ihre SimPowerSystems-Modelle mit einer von drei Lösungsmethoden für Ihr Stromsystemnetz und einem idealen Schaltalgorithmus, der die Simulationsleistung von Systemen mit Hochfrequenzwechseln verbessert, simulieren.

Kontinuierliche Methoden führen hochpräzise Simulationen von Stromsystemmodellen aus. Dabei wird die Schrittgröße variiert, um die Dynamik Ihres Systems zu erfassen. Mithilfe von diskreten Methoden können Sie die Präzision Ihrer Simulation steuern, indem Sie die Größe des Zeitschritts auswählen. Die Phasor-Simulation ersetzt die Differenzialgleichungen, die das Netz darstellen, mit einer Gruppe von algebraischen Gleichungen in einer festen Frequenz, und ermöglicht die Durchführung transienter Stabilitätsstudien von Systemen mit mehreren Maschinen.

Der ideale Schaltalgorithmus in SimPowerSystems führt zur schnellen und genauen Simulation von Systemen, die Leistungselektronikelemente enthalten. Dieser Algorithmus nutzt bei der Modellierung von Leistungselektronikelementen eine verbesserte Methode zur Berechnung der Zustandsraumdarstellung des Systems, anstatt sich dabei auf die Stromquellen mit Hochimpedanzpuffern zu stützen. Diese Methode bietet Ihnen eine größere Flexibilität bei der Auswahl eines Solvers und bringt kürzere Simulationszeiten mit sich.

SimPowerSystems interface for selecting simulation options.

SimPowerSystems-Schnittstelle für die Auswahl der Simulationsoptionen. Die Simulationsmethoden kontinuierlich, diskret oder Phasor werden unterstützt. Dabei kann ein idealer Schaltalgorithmus, der die Simulationsleistung verbessert, aktiviert werden.

Analyse von Modellen

SimPowerSystems bietet Tools für die Analyse von Modellen, die Visualisierung von Simulationsergebnissen und die Berechnung von erweiterten Blockparametern. Dadurch haben Sie folgende Möglichkeiten:

  • Anzeigen von stationärer Spannung und Stromstärken
  • Anzeigen und Modifizieren von anfänglichen Zustandswerten
  • Durchführen von Lastflüssen und Maschineninitialisierung
  • Durchführen einer harmonischen Analyse
  • Anzeigen von Impedanz- und Frequenzmessungen

Die Lastflussberechnung berechnet die anfänglichen Stromstärken von synchronen und asynchronen Maschinen. Sie geben die gewünschten stationären Maschinenbedingungen in Ihrem Schaltkreis an und SimPowerSystems berechnet den Lastfluss. Die daraus entstehende Rotorposition, anfänglichen Stromstärken und internen Flüsse werden automatische in die Parameter für die Maschinen eingegeben.

Mit SimPowerSystems können Sie die Topologie des Stromnetzes analysieren und das entsprechende Zustandsraummodell Ihres Schaltkreises berechnen, ohne eine Simulation auszuführen. Das Zustandsraum-Modell lässt sich mit der Linear System Analysis-App aus der Control System Toolbox verbinden, mit der sich so die Reaktion im Zeit- und Frequenzbereich ermitteln lässt.

The SimPowerSystems FFT analysis tool.

Das FFT-Analysetool von SimPowerSystems. Das Frequenzspektrum einer Spannungswellenform wird angezeigt und die Stromqualität wird durch Berechnung der gesamten harmonischen Verzerrung gemessen.

Bereitstellen von Modellen

Sie können SimPowerSystems mit dem mit Simulink Coder™ generierten Code bereitstellen. Mit dem generierten Code ist Folgendes möglich:

  • Ausführen von Hardware-in-the-Loop-Simulationen durch die Bereitstellung von SimPowerSystems-Anlagemodellen auf Echtzeitprozessoren mit einer direkten Schnittstelle zu anderer Hardware
  • Erstellen von Standalone-Programmdateien von SimPowerSystems-Modellen zur Integration in C‑Programme oder andere MATLAB- und Simulink-Modelle
  • Optimierung der Simulationsgeschwindigkeit durch das Kompilieren des C-Codes
  • Freigabe von Modellen und Schutz des geistigen Eigentums

Freigeben von Modellen

Sie können SimPowerSystems-Modelle für Simscape-Anwender, die SimPowerSystems nicht gekauft haben, freigeben. Simscape-Anwender können Parameterwerte in SimPowerSystems-Modellen anzeigen, simulieren und ändern, indem sie die Simscape Editing Modes nutzen. Folglich kann Ihr Team SimPowerSystems-Modelle für eine große Gruppe von Ingenieuren, die Simscape benutzen, freigeben.

Mit SimPowerSystems-Modellen arbeiten
Aufgabe Modellentwickler
(kauft Simscape und SimPowerSystems)

Modellanwender
(kauft Simscape)

Simulieren
Daten protokollieren oder Visualisierung ändern
Numerische Parameter ändern
Code mit Simulink Coder generieren
Blockparametrisierungsoptionen ändern  
Physikalische Verbindungen herstellen oder unterbrechen  

SimPowerSystems in Forschung und Lehre

Sie können SimPowerSystems verwenden, um zu vermitteln, welchen Bezug die Theorie zum Verhalten des Stromnetzes hat. Studenten können große und komplexe Systeme analysieren und sie können anhand der Ergebnisse aus den SimPowerSystems-Simulationen besser verstehen, was in einem echten Stromnetz passieren kann. Zur Veranschaulichung des Einflusses von Effekten wie die Hysterese auf das Stromsystem, das durch Ihr SimPowerSystems-Modell dargestellt wird, können Sie Gleichungen für diese Effekte in der Simscape‑Sprache implementieren.

Mithilfe der Simulation können Studenten in einer virtuellen Umgebung Prototypen erstellen, neue Entwürfe testen und den gesamten Parameterbereich untersuchen. Die Simulation ermöglicht die Optimierung ihrer Entwürfe in Forschungsprojekten und Studentenwettbewerben.

Da SimPowerSystems branchenübergreifend (z. B. in der Automobil-, Luftfahrt- und Robotikindustrie) häufig eingesetzt wird, haben Universitätsabsolventen, die Erfahrung mit diesem Mehrkörpersimulationstool haben, gute Chancen bei Arbeitgebern.

Weitere Informationen dazu, wie Sie Studenten für die Modellierung und Simulation begeistern können.

SimPowerSystems-Technologien

SimPowerSystems beinhaltet sowohl Technologien der zweiten Generation als auch Technologien der dritten Generation. Sie können auswählen, ob Sie ein elektrisches Modell mit Technologien der zweiten Generation oder Technologien der dritten Generation erstellen und simulieren.

Die Technologie der dritten Generation nutzt die Simscape-Technologie vollständig aus und die Komponentenmodelle sind in der Simscape-Sprache geschrieben. Sie können diese Modelle mit Komponenten aus den Simscape-Grundlagenbibliotheken und den Komponenten aus anderen Produkten für physikalische Modellierung verbinden.

Die Technologie der zweiten Generation ist auf die Modellierung von Stromsystemen ausgerichtet und wurde hierfür optimiert. Die Blockbibliotheken der zweiten Generation beinhalten eine große Anzahl von Modellen, die ihre eigene elektrische Domäne verwenden. Sie können diese Blöcke letztendlich mit anderen Simscape-Elementen durch Simulink-Signale verbinden.

Weitere Informationen zum Unterschied zwischen diesen beiden Technologien finden Sie in der SimPowerSystems-Dokumentation und den Release Notes.

Physikalische Modellierung von elektrischen Maschinen in Simulink

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