Simulation de systèmes électriques avec Simscape Electrical

Quelles sont les domaines d'application les plus importants pour le développement et l'exploitation des réseaux électriques définis par logiciel ?

Voici certains des domaines d'application les plus importants :

• Simulation de transitoires électromagnétiques (EMT) à grande échelle
• Balayage d'impédance et conformité aux codes de réseau basée sur la simulation
• Design et intégration de convertisseurs grid-forming and grid-following
• Design de data centers

Comment démarrer avec la simulation de systèmes électriques ?

Pour les équipes d'ingénierie qui conçoivent et valident des réseaux électriques définis par logiciel, Simscape Electrical propose une approche pratique pour interconnecter les algorithmes de contrôle, l'électronique de puissance et la dynamique des réseaux au sein d'un environnement de simulation unique. MathWorks^® propose plusieurs autoformations Onramp interactives pour démarrer avec Simscape Electrical. Ces formations Onramp constituent de bons points de départ :

• Simscape Onramp : une autoformation en ligne gratuite d'une durée de 1 heure. Vous y apprendrez les fondamentaux de Simscape™ et la modélisation des systèmes dynamiques couvrant plusieurs domaines physiques.
• Power Systems Simulation Onramp : une autoformation en ligne gratuite d'une durée de 1 h 30 couvrant les fondamentaux de la simulation de systèmes électriques. Vous découvrirez comment modéliser un microréseau simple et évaluer les principaux algorithmes de commande pour les systèmes d'énergie renouvelable.

Quels sont les workflows de simulation de systèmes électriques supportés par MATLAB et Simulink ?

MATLAB^®, Simulink^®, Simscape et Simscape Electrical sont requis pour les workflows de simulation de systèmes électriques. Selon la portée de votre application, des produits complémentaires sont susceptibles de convenir à votre workflow. Par exemple, Simulink Control Design™ propose des workflows de design de systèmes de contrôle et d'optimisation de paramètres, tandis que Simscape Battery™ propose des workflows pour le développement de systèmes de gestion de batteries.

Quel solveur dois-je utiliser pour la simulation de transitoires électromagnétiques (EMT) ?

Pour la simulation de transitoires électromagnétiques (EMT), vous pouvez utiliser un solveur à pas fixe, tel que Backward Euler ou Trapezoidal. Le pas de temps dépend de l'application, mais une valeur de 50 microsecondes est un réglage classique pour les systèmes à 50 Hz et 60 Hz.

Comment choisir le niveau de fidélité adapté à son modèle ?

La fidélité d'un modèle correspond au niveau de détail pris en compte dans une simulation donnée. Par exemple, lors de la modélisation de convertisseurs de puissance pour la simulation de transitoires électromagnétiques (EMT), les études de systèmes électriques utilisent trois niveaux de fidélité fondamentaux.

Les trois niveaux sont les modèles a valeur moyenne, à commutation moyennée et à dispositifs linéaires commutés :

• Modèle à valeur moyenne : c'est le modèle avec la fidélité la plus basse. Le convertisseur de puissance émule directement les ondes de modulation, sans modéliser la commutation des dispositifs. C'est l'option de simulation la plus rapide, adaptée aux études qui n'ont pas besoin de données harmoniques.
• Modèle à commutation moyennée : ce modèle offre un niveau de détail intermédiaire. Vous pouvez faire la moyenne de la modulation de largeur d'impulsion (PWM) sur un pas de temps plus grand que celui du générateur PWM. Cette approche permet de simuler le système physique à des pas de temps plus élevés tout en capturant avec précision les harmoniques de bas rang. Cette technique est également connue sous le nom de moyennage sous-cycle.
• Modèle à dispositifs linéaires commutés : ce modèle simule directement la commutation marche/arrêt des dispositifs d'électronique de puissance. À ce niveau de détail, vous devez choisir un pas de temps qui capture fidèlement le motif de commutation PWM dans la réponse du système physique.

Comment créer et déployer des modèles de systèmes électriques à grande échelle ?

Les ingénieurs décrivent généralement les systèmes électriques dans des formats de fichiers texte et les analysent en utilisant des outils de répartition de charge, tels que MATPOWER, avant de créer des modèles EMT. Dans ce cas, vous pouvez créer un script MATLAB qui lit les données du réseau. Les scripts utilisent l'API Simulink pour créer de manière programmatique le modèle de base du réseau à partir des descriptions de flux de puissance. Plus le système électrique est grand, plus le coût en calcul devient élevé. L'approche recommandée consiste à segmenter le modèle en sous-réseaux plus petits. Ces sous-réseaux sont ensuite interconnectés via des architectures de modèles telles que la référence de modèle ou la référence de sous-système.

Une autre catégorie de grands systèmes comprend les topologies de grands convertisseurs de puissance, comme les convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC), qui contiennent de nombreux composants répétés. Vous pouvez également utiliser l'API Simulink pour générer ces architectures.

Puis-je modéliser des systèmes de transport et de distribution ?

Oui, vous pouvez modéliser des systèmes équilibrés et déséquilibrés. Vous pouvez également modéliser des systèmes polyphasés lorsque cela est approprié.

Puis-je simuler des études de longue durée, par exemple des analyses sur 8 760 heures ?

Oui, vous pouvez configurer un modèle Simscape Electrical pour simuler en mode phaseur. Dans ce mode, la simulation peut utiliser n'importe quel pas de temps, y compris pour des simulations sur 8 760 heures qui progressent par pas d'une heure sur une année standard. Ce type de simulation est couramment appelé simulation quasi-statique.

Comment rendre un grand modèle de système électrique compatible avec la simulation temps réel ?

Il n'y a pas de réponse unique, car certains modèles sont trop grands pour être simulés en temps réel. Gardez toutefois les directives suivantes à l'esprit lors de la création et du test de votre modèle :

• Créez le modèle de système électrique de manière incrémentale et effectuez une évaluation initiale des performances de simulation sur desktop. Utilisez le niveau de fidélité de modèle le plus bas permettant d'atteindre votre objectif d'ingénierie et appliquez un paramétrage de solveur à coût fixe.
• Si vous rencontrez des dépassements de temps en testant un modèle dans un environnement temps réel, envisagez de segmenter le modèle en sous-systèmes plus petits et d'utiliser davantage de cœurs de calcul lors de la simulation temps réel.

Existe-t-il des techniques pour améliorer les performances de simulation des convertisseurs de puissance en temps réel ?

Le moyennage sous-cycle est une méthode courante pour améliorer les performances de simulation temps réel. Il permet d'augmenter le pas de temps de simulation du modèle physique tout en capturant avec précision les harmoniques de commutation d'ordres inférieurs. Le moyennage sous-cycle nécessite un compromis entre le pas de temps et la plage d'harmoniques d'intérêt.

Alternativement, vous pouvez implémenter les modèles de convertisseurs de puissance en code HDL et les déployer sur des FPGA lorsque l'intégralité de la plage harmonique est requise.

Comment évaluer la conformité aux codes de réseau avec des simulations ?

Pour évaluer la conformité aux codes de réseau avec un modèle de simulation, créez des bancs d'essai qui sollicitent le modèle de simulation dans des conditions particulières telles que des perturbations de basse tension, des perturbations de fréquence, ou les deux. Enregistrez les résultats des tests et générez automatiquement des rapports pour appuyer l'évaluation globale de la conformité.