SimPowerSystems

주요 특징

  • 일반적인 AC 및 DC 전기 구동, FACT(flexible AC transmission system) 및 재생 에너지 시스템을 포함한 응용 분야별로 특화한 모델 라이브러리
  • 보다 더 빠른 모델을 실행하기 위한 이산화(discretization) 및 페이저 시뮬레이션 모드
  • 전력 전자 장치의 시뮬레이션 가속을 위한 이상적인 스위칭 알고리즘
  • 회로에 대한 상태 공간(state-space representations) 방정식을 구하고 기계 장치의 부하 흐름(load flow)를 계산하기 위한 분석 메소드
  • 주요 전기 기술 개발을 위한 기초 모델
  • Simscape 언어를 사용하여 구성요소 라이브러리를 확장 가능
  • C 코드 생성 지원
SimPowerSystems model of an asynchronous motor and diesel-generator uninterruptible power supply (UPS)
비동기 모터와 디젤 발전기 UPS(무정전 전원 공급 장치)의 SimPowerSystems 모델(왼쪽) Simulink scope(오른쪽)는 비동기 모터의 고정자 전류와 속도를 보여줍니다.

SimPowerSystems는 자동차, 항공기, 제조 공장, 전력 공공사업 분야의 시스템과 같이 복잡한 자가발전 전력 시스템의 개발을 지원합니다. 제작한 모델은 hardware-in-the-loop 시뮬레이션을 포함한 전체 개발 프로세스를 지원합니다.

전기 전력 시스템 모델링

SimPowerSystems는 전기 시스템, 변압기 및 파워 컨버터 모델링을 위한 라이브러리를 제공합니다. 발전기, 전송선, 차단기 및 모터와 같은 구성요소를 연결하여 전기 전력 시스템을 모델링할 수 있습니다. 또한 응용 프로그램별 라이브러리가 제공되므로 전기 구동, 항공기 전력 네트워크 및 재생 에너지 시스템을 모델링할 수도 있습니다. 이러한 시스템을 Simulink에서 모델링된 제어 시스템과 연결하면 통합된 전기 전력 시스템을 단일 환경에서 테스트할 수 있습니다.

SimPowerSystems은 Simulink에서 사용되는 기존 입력-출력 또는 신호 흐름 연결 외에 어느 방향으로든지 전력의 흐름을 허용하는 물리적인 연결도 사용합니다. 물리적 연결을 사용하여 만든 전기 전력 시스템 모델(또는 비인과론적 모델)은 물리적 연결으로 구성된 네트워크와 매우 닮아 있으며 이해와 공유가 쉽습니다.

각 상마다 개별 특성을 정의하여 3 상을 모델링 할 수 있고 이는 각 선상과 접지간 (single-line to ground test fault)의 오류를 확인 시험을 가능하게 합니다.

또한 다이어그램을 읽기 쉽도록 3개의 상을 단선으로 표현하는 단선결선도를 만들 수도 있습니다. SimPowerSystems 구성요소는 전력 시스템 업계에서 널리 쓰이고 시스템의 매개변수화 및 분석을 단순화하는 (per- unit system) 단위 시스템을 사용하여 표현 될 수 있습니다.

SimPowerSystems model of a permanent magnet synchronous motor and inverter sized for use in a typical hybrid vehicle.
일반적인 하이브리드 자동차에서 쓸 수 있는 크기의 영구 자기 동기식 모터와 인버터에 대한 SimPowerSystems 모델(왼쪽) 모델에는 전기 연결(단상 및 3상) 및 신호 흐름 연결이 포함되며 scope(오른쪽)는 PMSM의 고정자 전류를 보여줍니다. [대체 텍스트] 일반적인 하이브리드 자동차에서 쓸 수 있는 크기의 영구 자기 동기식 모터와 인버터에 대한 SimPowerSystems 모델

사용자 정의 구성요소 생성

다른 물리적 모델링 제품으로부터 SimPowerSystems 모델로 구성요소를 추가할 수 있습니다. Simscape의 기초 라이브러리는 유압, 열, 자기 및 기타 물리적 도메인의 블록을 포함합니다. 물리적 연결을 사용하여 이러한 도메인을 SimPowerSystems 모델로 통합하면 단일 환경에서 시스템의 다른 측면을 모델링하는 데 도움이 됩니다.

Simscape 언어는 MATLAB 기반의 객체 지향 언어로서 자체 물리적 모델링 구성요소 및 라이브러리 생성을 지원합니다. 비인과적 implicit DAE(differential algebraic equation)로서 표현되는 방정식, 물리적 연결 및 매개변수를 이용하여 사용자 정의 구성요소를 정의할 수 있습니다. 구성요소의 Simscape 언어 파일 내에서 MATLAB을 사용하여 매개변수 값을 분석하고 예비 연산을 수행하며 시스템 변수를 초기화할 수 있습니다. 사용자 정의 구성요소를 위한 Simulink 블록과 대화 상자는 파일에서 자동으로 생성됩니다.

Simscape 언어를 사용하여 물리적 구성요소 모델에서 어떤 효과가 발생했는 지 정확히 확인 할 수 있습니다. 이러한 접근방법을 통해 모델을 충실하게 표현 한 경우와 이로 인한 시뮬레이션 속도간의 균형적인 (trade off) 선택을 할 수 있게 도와 줍니다.

Custom Simscape implementation of a permanent magnet synchronous motor, used as a generator.
발전기로 사용되는 영구 자기 동기식 모터의 사용자 정의 Simscape 구현 MATLAB Editor는 전기 및 기계 방정식의 Simscape 언어 소스 코드를 보여주고 scope는 부하에 걸린 3상 AC 전류와 DC 전류를 보여줍니다.

모델 시뮬레이션

SimPowerSystems에서 제공되는 3가지 솔루션 메소드   중 하나를 사용하여 전력 시스템 회로망 모델을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 고주파 스위칭을 갖춘 시스템의 시뮬레이션 성능을 개선할 수 있도록 이상적인 스위칭 알고리즘도 제공합니다.

연속 방식 (Continous method)은 시스템의 dynamics를 파악할 수 있도록 step size를  바꿔가면서 전력 시스템 모델에 대한 매우 정확한 시뮬레이션을 수행합니다. 이산 방식(Discrete method)은 시간 단계(time step)의 크기를 선택함으로써 시뮬레이션의 정확도를 제어할 수 있습니다. 페이저 시뮬레이션은 회로망으로부터 유도할 수 있는 미분 방정식을 일정한 주파수의 대수 방정식 으로 대체할 수 있기 때문에 여러 기계 장치가 연결된 시스템의 과도 응답 안정성 연구를 가능하게 합니다. .

SimPowerSystems의 이상적인 스위칭 알고리즘은 전력 전자 장치를 포함한 시스템에 대한 빠르고 정확한 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 이 알고리즘은 임피던스가 높은 스너버(snubber)와 전류 소스에 의지하지 않고 시스템의 상태 공간 방정식을 계산하는 향상된 메소드를 이용하여 전력 전자 장치를 모델링합니다. 이를 통해 solver 선택의 유연성이 증가하고 시뮬레이션 시간이 단축됩니다.

SimPowerSystems interface for selecting simulation options.
시뮬레이션 옵션 선택을 위한 SimPowerSystems 인터페이스 연속, 불연속 및 페이저 시뮬레이션 모드가 지원되며 빠른 시뮬레이션을 위한 이상적인 스위칭 알고리즘 옵션도 제공됩니다.

모델 분석

SimPowerSystems는 모델 분석, 시뮬레이션 결과 시각화, 고급 블록 매개변수 계산을 위한 툴을 제공하므로 다음을 수행할 수 있습니다.

  • 정상 상태 전압 및 전류 표시
  • 초기 상태 값 표시 및 수정
  • 부하 흐름(load flow) 및 시스템 초기화 수행
  • 고조파 분석 수행
  • 임피던스 및 주파수 측정 표시

부하 흐름(load flow) 를 위한 연산 엔진은 동기 및 비동기 시스템의 초기 전류를 계산합니다. 회로에서 원하는 정상 상태 시스템 조건을 지정하게 되면 SimPowerSystems가 부하 흐름(load flow)을 계산합니다. 계산된 로터의 위치, 초기 전류 및 내부 플럭스는 시스템에 대한 매개변수로 자동 입력됩니다.

SimPowerSystems를 통해 전기 회로망의  토폴로지를 분석하고 시뮬레이션 실행 없이 등가적인 회로에서 대응되는 상태 공간 모델(state-space model)을 도출할 수 있습니다. 상태 공간 모델을 Control System Toolbox 의 Linear System Analysis 응용 프로그램에 연결하여 시간 도메인 및 주파수 도메인 응답을 얻을 수 있습니다.

The SimPowerSystems FFT analysis tool.
SimPowerSystems FFT 분석 툴 전압 파형의 주파수 스펙트럼이 표시되고 전력 품질은 총 고조파 왜곡 계산을 통해 측정됩니다.

모델 배포

Simulink Coder™로 생성한 코드를 사용하여 SimPowerSystems 모델을 배포할 수 있습니다. 생성된 코드를 통해 다음을 수행할 수 있습니다.

  • SimPowerSystems 플랜트 모델을 다른 하드웨어와 직접 연결되는 실시간 프로세서에 배포하여 HIL(hardware-in-the-loop) 시뮬레이션을 실행
  • C 프로그램 또는 다른 MATLABSimulink 모델로 통합될 수 있는 SimPowerSystems 모델의 독립형 실행 파일을 작성
  • C 코드 컴파일링으로 시뮬레이션 속도 향상
  • 지적 재산 노출 없이 모델 공유

모델 공유

SimPowerSystems 모델을 SimPowerSystems를 구입하지 않은 Simscape 사용자와 공유할 수 있습니다. Simscape 사용자는 Simscape Editing Modes를 활용하여 SimPowerSystems 모델에서 매개변수 값을 조회, 시뮬레이션 및 변경할 수 있습니다. 따라서 팀이 Simscape를 사용하는 다수의 엔지니어 그룹과 함께 SimPowerSystems 모델을 공유할 수 있습니다.

SimPowerSystems 모델 작업
작업 모델 개발자
(Simscape 및 SimPowerSystems 구입)
모델 사용자
(Simscape 구입)
시뮬레이션
데이터 로깅 또는visualization(시각화) 변경
수치 매개변수 (numerical parameters) 변경
Simulink Coder로 코드 생성
블록 매개변수(block parameterization) 옵션 변경  
물리적 연결 또는 연결 차단  

학계의 SimPowerSystems

SimPowerSystems를 사용하여 이론과 전기 네트워크 동작의 관계를 설명할 수 있습니다. 학생들은 대규모의 복잡한 시스템을 분석할 수 있고 SimPowerSystems 시뮬레이션 결과를 통해 실제 전기 네트워크에서 일어날 수 있는 일을 더욱 잘 이해할 수 있습니다. 히스테리시스와 같은 효과가 SimPowerSystems 모델이 표현한 전기 시스템에 어떤 영향을 주는지 설명하기 위해 Simscape 언어로 이러한 효과에 대한 방정식을 구현할 수 있습니다.

학생들은 시뮬레이션을 사용하여 가상 환경에서 프로토타입을 만들 수 있으므로 새로운 설계를 시도하고 전체 매개변수에 대한 변경을 통해 특성을 파악 할 수 있습니다. 학생들은 시뮬레이션을 통해 연구 프로젝트와 경쟁 속에서 설계를 최적화할 수 있습니다.

SimPowerSystems는 자동차, 항공우주, 로보틱스와 같은 분야에 걸쳐 널리 쓰이기 때문에 이러한 멀티바디 시뮬레이션 툴을 경험한 학생은 졸업 후에 구직이 수월합니다.

학생들을 위한 모델링 및 시뮬레이션 에 관해 자세히 알아보십시오.

SimPowerSystems Technologies

SimPowerSystems에는 2세대 기술과 3세대 기술이 모두 포함됩니다. 2세대 또는 3세대 기술을 사용하여 전기 모델을 만들고 시뮬레이션할 수 있는 옵션이 제공됩니다.

3세대 기술은 Simscape 기술을 완전히 활용하며 구성요소 모델은 Simscape 언어로 작성됩니다. 이러한 모델을 Simscape Foundation 라이브러리의 구성요소 및 다른 물리적 모델링 제품의 구성요소와 직접 연결할 수 있습니다.

2세대 기술은 전기 전력 시스템 모델링에 최적화되어 있습니다. 2세대 블록 라이브러리는 자체 전기 도메인을 사용하는 다수의 모델을 포함합니다. 궁극적으로는 이러한 블록을 Simulink 신호를 통해 다른 Simscape 요소에 연결하게 됩니다.

이 두 가지 기술의 차이점에 대한 자세한 내용은 SimPowerSystems 설명서 및 Release Notes를 참조하십시오.

SimPowerSystems 평가판 사용

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SimPowerSystems를 이용한 파워 일렉트로닉스 시스템 설계

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