Jeden model, wiele symulacji

Paweł Błaszczyk – Senior Scientist / R&D for Power and Control
Piotr Mars – Scientist / R&D for Power and Control
Miłosz Miśkiewicz – Scientist / R&D for Power and Control

ABB Sp. z o.o.

Przekształtniki energoelektroniczne pełnią główną rolę w procesie konwersji energii elektrycznej pomiędzy odnawialnymi źródłami energii (takimi jak panele słoneczne lub turbiny wiatrowe), a siecią energetyczną. Urządzenia te nie pracują, jako izolowane podsystemy, lecz silnie oddziałują na całą sieć energetyczną. W odpowiedni sposób muszą one reagować na zdarzenia w sieci takie jak zapady napięcia, czy wahania częstotliwości. Dlatego też poza fizycznym obiektem klienci często wymagają wcześniejszego dostarczenia modeli symulacyjnych, które pozwolą na analizę pełnego systemu energetycznego, a nie tylko pojedynczego komponentu.

Wyzwaniem podczas tworzenia modeli symulacyjnych przekształtników energoelektronicznych są nie tylko same wymagania funkcjonalne klientów, które muszą być spełnione, ale również ich różnorodność. Przykładowo na rynku amerykańskim symulacje systemów energetycznych wykonywane są częściej w środowisku PSSE. Na rynku europejskim najczęściej spotykane środowiska to DIgSILENT oraz PSCAD.

Tradycyjne podejście polega na
przygotowaniu osobnego modelu tego samego urządzenia dla każdego ze środowisk symulacyjnych wymaganych przez danego klienta. Jedną z oczywistych wad takiego rozwiązania jest kompatybilność modeli.
Każdy z nich może zachowywać się inaczej z powodu błędów w modelowaniu czy różnych bibliotek elementów składowych w każdym z programów. Dodatkowo zmiana
w jednym z modeli wymaga zmiany w każdym z pozostałych, co często sprawia dużo trudności. Posiadanie osobnych modeli symulacyjnych wiąże się z dodatkowym problemem, jakim jest wielotorowy proces certyfikacji. Każdy model z osobna, w celu otrzymania certyfikatu, musi zostać w pełni przetestowany, co wiąże się z ogromnym nakładem czasu i kosztów.

Centrum Badawcze ABB w Krakowie zaproponowało sposób uproszczenia (oraz zautomatyzowania) tego procesu, polegający na wykorzystaniu pakietu MATLAB/Simulink jako bazy dla wszystkich modeli symulacyjnych. W pierwszym etapie procesu budowany jest modelu bazowy (tzw. Root Model), przy wykorzystaniu standardowego pakietu MATLAB/Simulink oraz toolboxów kompatybilnych z automatyczną generacją kodu takich jak np. Stateflow. Model bazowy używany jest do przeprowadzania symulacji celem weryfikacji algorytmów sterowania. Odpowiednio przygotowany model bazowy może zostać również bezpośrednio zaimplementowany w urządzeniu poprzez automatyczną generację kodu wykonalnego przy użyciu pakietu Embedded Coder. Użycie narzędzi typu Simulink Report Generator pozwala również na szybkie wykonanie roboczej dokumentacji modelu.

Przeprowadzenie pełnej weryfikacji modelu przy użyciu pakietu Simulink Test lub własnoręcznie przygotowanych skryptów (które dają większą swobodę w nadzorowaniu całego procesu) jest ostatnim krokiem przed przeniesieniem modelu bazowego na platformy zewnętrzne.

Po pozytywnych wynikach testów następuje etap transformacji modelu bazowego do postaci dynamicznie łączonej biblioteki – pliku DLL (ang. Dynamic Linked Library) przy użyciu pakietu Embedded Coder.

Używając odpowiednich narzędzi (tzw. „Universal Framework”), z modelu bazowego można wygenerować moduły, które zostaną wykorzystane do przeprowadzenia symulacji w takich środowiskach jak Matlab/Simulink (w postaci zakodowanego bloczka zawierającego plik DLL), DIgSILENT, PSCAD, czy PSSE.

W każdym ze środowisk symulacyjnych nakład pracy związany z podpięciem modelu DLL przekształtnika do systemu energetycznego jest znacznie mniejszy niż w tradycyjnym podejściu, gdzie realizowana jest dedykowana implementacja modelu urządzenia.

Uniwersalne narzędzie jest aktualnie używane w głównej mierze do modelowania przekształtników solarnych i dostarczania modeli certyfikacyjnych w środowisku DIgSILENT oraz modeli dla klientów w środowiskach DIgSILENT, PSCAD, PSSE.

Dodatkowe środowiska symulacyjne mogą być wspierane w zależności od pojawiających się potrzeb. Dodatkowymi atutami takiego sposobu jest możliwość użycia środowiska MATLAB/ Simulink do przeprowadzenia szczegółowych testów całego systemu. Pakiet MATLAB/Simulink wraz z dodatkowymi narzędziami pozwala na łatwą automatyzację procesu testowania i generacji raportów z testów, co znacznie przyspiesza iteracyjny proces rozwoju modeli symulacyjnych. Wzorcowym przykładem uzasadniającym słuszność automatyzacji testów i tworzenia dokumentacji technicznej, jest generacja po każdej zmianie w modelu ponad 100-stronicowego raportu dla biura certyfikacyjnego.

 

Dzięki użyciu wyżej opisanego narzędzia, w wypadku zmian w modelu bazowym, generacja nowych modeli jest łatwa i nie zajmuje zbyt wiele czasu. Ponadto, procesowi certyfikacji poddany zostaje tylko model bazowy – pozostałe są w stanie „odziedziczyć” certyfikat na podstawie raportu dokumentującego identyczne zachowanie modeli – oczywiście również automatycznie wygenerowanego dzięki możliwościom jakie daje MATLAB.