STABILIZACIJA DIGITALNIH SIMULACIJ V REALNEM ČASU S KOMPENZACIJO ČASOVNIH ZAKASNITEVBOKAL, MATEVŽ (Avtor) Blažič, Boštjan (Mentor) simulacije v realnem časupreizkušanje naprav v zankidiferencialne enačbe z zakasnitvijosistemi z zakasnitvamidodelitev končnega spektrastabilizacijačasovne zakasnitvestanje v povratni zankiMotivacija za nastanek doktorskega dela je nastala ob preizkušanju naprav energetske elektronike z digitalnimi simulacijami. Sodobne aktivne naprave energetske elektronike imajo visokofrekvenčna stikala. Ta upravlja regulacijski algoritem, ki se izvaja na industrijskem računalniku. Preden tako napravo priključimo v omrežje, je treba delovanje celotne zanke od programske opreme regulacijskega algoritma do komunikacij s strojno opremo preveriti v praksi, da zagotovimo želeno in varno delovanje. Najbolj učinkovit način za to je uporaba digitalnih simulacij v realnem času, pri čemer simuliramo zgolj delovanje energetskih stikal in omrežja, medtem ko je strojna in programska oprema preizkušane naprave identična tisti, ki se bo uporabljala v dejanskem omrežju. To metodo validacije naprave in njenega regulacijskega algoritma imenujemo preizkušanje strojne opreme oz. naprave v zanki (angl. Hardware-In-the-Loop, HIL). Pri tej metodi prihaja do zakasnitev pri prenosu signala med strojno opremo (preizkušano napravo) in simulatorjem oziroma njegovim simulacijskim delom, ki se izvaja računsko v območju programske opreme. Te zakasnitve povzročajo nestabilnosti pri povezavi z vmesnikom idealnega transformatorja (angl. ideal transformer interface) med napravo in simulatorjem pri določenih konfiguracijah električnega vezja na obeh straneh te povezave. Namen tega doktorskega dela je raziskati možnosti stabilizacije te povezave med preizkušano napravo in simulatorjem. Za rešitev težav z zakasnitvami pri digitalnih simulacijah naprave v zanki smo uporabljali matematične metode za analizo stabilnosti sistemov z zakasnitvijo in njihovo stabilizacijo oziroma kompenzacijo zakasnitev. Prvi korak je bil definicija vmesnika med strojno opremo in simulatorjem z diferencialno enačbo z zakasnitvijo. V dobljeni enačbi smo analizirali vpliv njenih koeficientov na stabilnost. Za kompenzacijo zakasnitev pa smo uporabili metodo pomikanja lastnih vrednosti z dodajanjem stanja sistema, ki ga opiše diferencialna enačba z zakasnitvijo, v povratno zanko na vhod vmesnika. Prva poglavja so namenjena teoretičnim osnovam digitalnih simulacij. Predstavljeni so koraki njihovega zgodovinskega razvoja, ki je sledil razvoju mikroelektronskih elementov. Mikroprocesorji so bili osnova, ki je omogočila izračun simulacij brez uporabe specializirane skalirane testne opreme, zgolj na nivoju programske opreme. Preboj pa se je zgodil s pojavom tehnologije FPGA, ki je omogočil občutno zmanjšanje koraka simulacije v območje nanosekund. Tako je nastala možnost simuliranja hitrih stikalnih pojavov energetske elektronike. Drugo poglavje obravnava strukturo digitalne simulacije. Električni pojavi se modelirajo z vezjem, ki ga opišemo s koncentriranimi elementi iz katerih sledijo enačbe v zveznem času. Za izračun potekov časovnih veličin in prehodnih pojavov, ki nas v simulaciji zanimajo, moramo čas diskretizirati; tako lahko izračune izvajamo korakoma v zanki na digitalnem računalniku. Diskretizacija in izbira načina reševanja enačb je svojevrstno področje s številnimi možnostimi in različnimi lastnostmi posameznih postopkov. Opisane so metode segmentacije in paralelizacije simulacij in vmesniška vezja, ki se uporabljajo za povezovanje različnih segmentov omrežja. Sledi poglavje o dinamičnih sistemih z zakasnitvijo in njihovi stabilnosti. Osredotočili se bomo na časovno nespremenljive sisteme s konstantno zakasnitvijo. Podan je pregled metod določanja stabilnosti, ki temeljijo na izračunu skrajno desnih korenov karakteristične enačbe sistema. Četrto poglavje poda teoretične osnove stabilizacije nestabilnih sistemov z zakasnitvijo po metodi premikanja karakterističnih korenov v kompleksni ravnini. V petem poglavju preučimo stabilnost vmesniškega vezja idealnega transformatorja. Ta temelji na zapisu diferencialne enačbe vmesniškega vezja in njeni spektralni analizi. Podani so izračuni območij stabilnosti različnih konfiguracij impedanc na obeh straneh vmesnika. Po metodi pomika spektra poskušamo te vmesnike stabilizirati, tako da njihove lastne vrednosti prestavimo na levi del kompleksne ravnine. Določeni so mejni parametri vmesnikov, ki še omogočajo njihovo stabilizacijo. Simulirani so bili trije primeri vezij, razdeljenih z vmesnikom idealnega transformatorja. Simulacije so bile izvedene v popolnoma računskem okolju z orodjem SIMULINK ter na sistemu kosimulacije dveh digitalnih realnočasovnih simulatorjev podjetja RTDS Technologies in Typhoon HIL. Na kosimulacijskem sistemu je tako preizkušen vmesnik idealnega transformatorja brez bremena, z vzporednim nihajnim krogom in z bremenom, ki ga predstavlja razsmernik. Izmerjena je bila zaprtozančna zakasnitev kosimulacijskega kroga med dvema simulatorjema in primerjana nestabilnost zaradi zakasnitev, ki se pojavijo v popolnoma računski simulaciji in kosimulaciji dveh digitalnih simulatorjev v realnem času. Ugotovljeno je, da se nestabilnost v kosimulaciji izraža predvsem s pojavom v referenčni simulaciji neobstoječih harmonikov, katerih amplituda se veča čim bolj se pomikamo proti meji stabilnosti. Metoda vnosa stanja sistema v povratno zanko je uspešna pri dušenju teh harmonikov, ki so povzročeni zaradi neugodnih impedančnih razmer na mestu razdelitve vezja. Izvedena je primerjava odstopanja časovnih potekov veličin stabilizirane kosimulacije v primerjavi z nezakasnjeno simulacijo na zgolj enem izmed simulatorjev ter izvedena analiza harmonikov obeh simulacij. Zaključni del disertacije podaja oceno uporabnosti predlagane metode kompenzacije zakasnitev z vidika natančnosti in izvedbene zahtevnosti. Prednost pomikanja lastnih vrednosti z uvajanjem stanja v povratno zanko je enostavnost implementacije, saj je vezje idealnega transformatorja definirano kot razdelitev vezja prek dveh impedanc, sestavljenih iz upornosti in induktivnosti. Analiza diferencialne enačbe sistema pokaže, da prisotnost induktivnosti omogoča vnašanje odvoda stanja sistema v povratno zanko, kar je pogoj za metodo dodelitve končnega spektra. Za uspešno stabilizacijo vmesnika zadostuje zgolj poznavanje razmerja induktivnosti obeh strani vmesniškega vezja. Natančnost simulacije pa je odvisna od velikosti bremenske impedance proti impedanci vmesniškega vezja ter frekvence signala, ki ga opazujemo. Velja, da čimbolj je perioda opazovanega signala večja od trajanja zakasnitve, manjše so napake v faznem kotu in amplitudi.20242024-02-29 14:00:01Doktorsko delo/naloga154765VisID: 42984COBISS_ID: 189125123sl