Khảo sát mô hình tải bằng matlab

GIỚI THIỆU VỀ CHỨC NĂNG SIMULINK CỦA PHẦN MỀM MATLAB Matlab là một phần mềm rất quen thuộc đối với đối với những người chuyên về lĩnh vực kỹ thuật. Phần mềm này có rất nhiều chức năng rất đa dạng và rất mạnh về tính toán và mô phỏng. Đặc biệt trong việc tính toán các phương trình vi phân, các thuật toán dự báo. Trong đề tài này, ta dùng chức năng Simulink của Matlab để thực hiện mô phỏng và khảo sát đặc tính của phụ tải thay đổi như thế nào khi có sự cố trên hệ thống. Để hỗ trợ cho công việc mô phỏng, Simulink của phần mềm Matlab cung cấp một số các thư viện thiết bị có sẵn. Ở đây ta lấy các khối thiết bị mô phỏng từ hai thư viện là SimPowerSystems và Simulink. Để tiến hành mô phỏng, ta nhấp vào biểu tượng trên thanh Toolbar của Matlab để mở Simulink Libraly Browser, sau đó vào File / New, chọn Model để mở một model mới để chúng ta mô phỏng. GIỚI THIỆU VÀ MÔ TẢ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG SIMULINK Khối nguồn áp 3 pha điều khiển (dùng làm nguồn cho hệ thống): Khối này dùng để tạo ra một điện áp ba pha dạng sóng sin và có thể thay đổi theo thời gian mà ta cài đặt, có thể là thay đổi theo biên độ, pha hoặc tần số Để nhập các thông số, ta double-click vào khối. Khi đó, bảng thông số sẽ xuất hiện Các thống số cần thiết lập là: Positive-sequence: Nhập biên độ của điện áp(pha-pha), góc pha, tần số của thành phần thứ tự thuận của điện áp ba pha. Time variation of: Nhập vào mục này để cài đặt thời gian thay đổi theo Chọn none nếu không muốn cài đặt. Chọn Amplitute nếu muốn điện áp thay đổi theo biên độ. Chọn Phase nếu muốn điện áp thay đổi theo pha. Chọn Frequency nếu muốn điện áp thay đổi theo tần số. Type of variation: Mục này chỉ hiện ra khi Time variation of được chọn. Chọn Step để điện áp thay đổi theo dạng bậc thang. Chọn Ramp để điện áp thay đổi theo dạng hình dốc. Chọn Modulation để điện áp thay đổi theo dạng điều biến. Chọn Table of amplitude-pairs để điện áp thay đổi biên độ theo những khoảng thời gian được cài đặt trước. Step magnitude: Mục này chỉ xuất hiện khi Type of variation chọn là step, dùng để đặt biên độ thay đổi của step. Rate of change: Chỉ xuất hiện khi Type of variation được chọn là Ramp, dùng để đặt tỉ lệ thay đổi giữa điện áp và thời gian (trong hệ tương đối) hoặc giữa tần số và thời gian .... Amplitude of the modulation: xuất hiện khi Type of variation chọn là Modulation, dùng để đặt biên độ của dạng điều biến. Frequency of modulation: xuất hiện khi Type of variation chọn là Modulation, dùng để đặt tần số của dạng điều biến. Variation timing: Cài đặt thời gian bắt đầu và kết thúc sự thay đổi điện áp của khối, được tính bằng giây (s). Khối nguồn ba pha Khối nguồn ba pha mô phỏng một nguồn điện áp ba pha có tổng trở trong R-L, nguồn điện áp ba pha được nối theo dạng Y với điểm trung tính có thể được nối đất sẵn bên trong khối hoặc được nối với khối khác. Ta có thể đặt giá trị của điện trở trong và điện cảm trong trực tiếp hoặc gián tiếp bằng cách đánh dấu check vào ô Specify impedence using short-circuit level. Phase-to-phase rms voltage: Nhập giá trị hiệu dụng của điện áp dây. Phase angle of phase A: nhập góc pha của pha A. Sở dĩ cần phải nhập góc của pha A vì khối này sẽ tạo ra một nguồn áp ba pha thứ tự thuận, trong đó pha B và pha C sẽ trễ hơn pha A tuần tự là 1200 và 2400. Frequency: Nhập tần số của nguồn. Internal connection: Chọn dạng đấu nối của trung tính nguồn: Dạng Y: trung tính không nối đất. Dạng Yn: trung tính được nối với một khối khác. Dạng Yg: trung tính được nối đất sẵn trong khối. Nếu không chọn mục Specify impedence using short-circuit level thì ta nhập trục tiếp giá trị của R và L. Nếu không chọn thì ta nhập giá trị của R và L theo cách gián tiếp bằng cách dùng hai thông số: giá trị điện cảm khi ngắn mạch và tỉ số X/R theo công thức Giá trị L được tính theo công thức với: VBase : điện áp cơ bản (V). Psc : công suất ngắn mạch ba pha cảm ứng (VA). 3-phase short-circuit level at base voltage: nhập công suất ngắn mạch ba pha cảm ứng PSC. Base voltage: nhập giá trị điện áp cơ bản VBase. X/R ratio: nhập tỉ số giữa X và L. Khối phụ tải ba pha RLC trên đường dây Khối phụ tải ba pha RLC có thể được mô tả là một điện trở ba pha hay một cuộn cảm ba pha hay một tụ điện ba pha hoặc có thể kết hợp lại với nhau tùy vào số liệu ta nhập vào. Ta nhập các giá trị của R, L, C trong bảng thông số của khối: Để tính R , L, C, ta tính theo công thức: Nếu muốn loại bỏ điện trở hay cuộn cảm hoặc tụ điện ra khỏi khối thì ta cần nhập các giá trị tương ứng là 0, 0 hoặc inf. Khối này còn cho phép nhập giá trị âm cho điện trở, cuộn cảm hay tụ điện. Khối máy biến áp Khối này mô tả một máy biến áp ba pha hai cuộn dây. Hai cuộn dây của máy biến áp có thể được đấu nối theo những cách dưới đây: Đấu nối dạng sao (Y). Dạng Y có trung tính. Dạng Y trung tính nối đất. Dạng D-Y 1. Dạng D-Y 11. Trong khối này, ta sẽ nhập các thông số: Nomiral power and frequency: nhập công suất danh định (VA), tần số danh định (Hz) cho máy biến áp. Winding 1 (ABC) connection: dạng đấu nối của cuộn dây sơ cấp. Winding parameter: nhập giá trị điện áp hiệu dụng, điện trở và tự cảm rò. Magnetization resistance Rm (pu): nhập giá trị của điện trở từ hóa (hệ tương đối). Magnetization reactance Lm (pu): nhập giá trị của điện kháng từ hóa (trong hệ tương đối). Khối đo điện áp và dòng điện 3 pha Khối này dùng như một thanh cái, đồng thời dùng để đo điện áp và dòng điện trên đường dây. Khi mắc nối tiếp với thiết bị ba pha, khối này sẽ đo điện áp pha hoặc điện áp dây và đo dòng điện ba pha. Trong bảng thông số của khối, ta đặt thông số như sau: Voltage Measurement: Chọn no nếu không muốn đo điện áp 3 pha. Chọn phase-to-ground nếu muốn đo điện áp pha. Chọn phase-to-phase nếu muốn đo điện áp dây. Use a label: nếu được chọn thì điện áp (hay dòng điện) đo được sẽ thực hiện theo tín hiệu đã được gán. Nếu không chọn thì điện áp (dòng điện) đo được có giá trị bằng ngõ ra Vabc (Iabc) của khối. Signal label: chọn tín hiệu để gán cho điện áp đo được. Voltage in p.u: Nếu chọn thì điện áp đo ở đơn vị tương đối. Nếu không thì đo bằng Volt. Base voltage (Vrms phase-phase):Mục này sẽ không hiện ra nếu không chọn mục Voltage in p.u. Mục này cài đặt điện áp gốc để chuyển đổi điện áp sang hệ tương đối. Current Measurement: Chọn yes để cho phép đo dòng điện chạy qua khối. Current in p.u: Dòng điện đo ở hệ tương đối. Nếu không thì đo bằng Ampère. Base power (VA 3 phase): Đặt công suất ban đầu để chuyển công suất sang hệ tương đối. Mục này sẽ không hiện ra nếu không chọn mục Current in p.u. Khối phụ tải RLC 3 pha mắc nối tiếp Trong khối này, ta nhập các thông số sau: Chọn phụ tải được nối đất hay mắc nối tiếp với các thiết bị khác trong mục Configuration: Nếu chọn Y(grounded): trung tính được nối đất. Nếu chọn Y(floating): trung tính không ảnh hưởng đến phụ tải. Nếu chọn Y(neutral): trung tính của phụ tải sẽ được nối với khối khác. Nếu chọn Delta: ba pha của phụ tải được mắc dạng D. Điện áp danh định pha-pha (Nomiral phase-to-phase voltage). Tần số danh định (Nomiral frequency). Công suất P và Q. Khối phụ tải RLC 3 pha mắc song song Cách nhập các thông số cho khối này cũng tương tự như khối phụ tải RLC mắc nối tiếp. Khối Ground Khối này dùng để nối đất cho thiết bị. Khối đo điện áp pha hoặc điện áp dây Khối này dùng để đo điện áp dây trên đường dây bằng cách nối hai đầu (+) và (-) vào đường dây hoặc đo điện áp pha bằng cách nối đầu (+) vào đường dây và đầu (-) nối đất. Khối đo tín hiệu hiệu dụng (RMS) Khối này đo giá trị hiệu dụng của tín hiệu tức thời của dòng điện hoặc điện áp được đưa vào ở ngõ vào của khối RMS theo công thức: Với : f(t) : tín hiệu ngõ vào. Trong khối này ta chỉ cần đặt giá trị của tần số của đường dây như hình trên. Khối Scope Là khối dùng để quan sát tín hiệu của các dao động trên đường dây. Trên cửa sổ của scope có một thanh toolbar. Thanh toolbar này giúp ta có thể phóng to hay thu nhỏ để quan sát đường đồ thị tại một khoảng thời điểm bất kỳ, hay Autoscale để quan sát toàn bộ đường đồ thị, giới hạn đường đồ thị được hiển thị hay lưu đường đồ thị vào Workspace. Trong mục scope parameter, ta có thể ấn định: Số đầu vào của scope ở mục Number of axes. Khoảng thời gian quan sát. Khối đo công suất P và công suất phản kháng Q Khối này dùng để đo công suất P và Q tức thời của đường dây dựa vào sự thay đổi tuần hoàn của hai tín hiệu điện áp và dòng điện tại thời gian đó. Khối Động cơ không đồng bộ ba pha Đây là khối mô phỏng một máy điện không đồng bộ. Nó có thể hoạt động như một máy phát hoặc là một động cơ. Điều này phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào của Tm (mômen cơ của máy điện) : Nếu tín hiệu vào Tm là có giá trị > 0 thì khối này hoạt động như một động cơ. Nếu tín hiệu vào Tm có giá trị < 0 thì khối này hoạt động như một máy phát. Ngõ ra m thực chất là một ngõ ra đa tín hiệu, có thể xuất đến 21 tín hiệu khác nhau. Nếu ta không muốn đặt từng thông số trong bảng thông số thì ta có thể chọn mục Preset model. Trong mục này có rất nhiều thông số được thiết lập sẵn của các động cơ không đồng bộ khác nhau. Nếu không thì ta từng bước thiết lập thông số như sau: Trong mục Rotor type, ta có thể chọn động cơ là loại động cơ lồng sóc (Sqirrel-cage) hay dây quấn (Wound). Ở mục Nomiral power, voltage (line-line), and frequency, ta đặt giá trị công suất P, điện áp dây và tần số cho động cơ. Sau đó ta đặt giá trị điện trở và điện cảm cho stator và rotor (nhưng ta không quan tâm lắm đến những thông số này và các thông số phía dưới chúng trong phạm vi đề tài luận án này). Khối Constant Dùng để đặt giá trị mômen cho máy điện. Khối Terminator Terminator là khối dùng để nối ngõ ra của những khối khi ngõ ra của những khối này không nối vào các khối khác. Khối phụ tải động Khối này mô tả một phụ tả động 3 pha, 3 cuộn dây. Khối này chỉ mô tả công suất P và Q theo điện áp thứ tự thuận. Dòng điện thứ tự nghịch và thứ tự không thì không được biểu diễn trên đồ thị. Do đó, dòng điện ba pha trên tải được luôn được cân bằng ngay cả khi có sự mất ổn định điện áp của phụ tải. Điện kháng tải là hằng số khi điện áp đầu cực của tải VVmin thì công suất P và Q được tính theo công thức: Với: V0, P0, Q0 : Các giá trị ban đầu. V : Điện áp của phụ tải. np, nq là các hệ số mũ biểu diễn trạng thái của phụ tải. Tp1, Tp2 : Hằng số thời gian. Trong bảng nhập thông số, ta nhập giá trị điện áp V, tần số f, P0, Q0, V0 và các giá trị np và nq. Khối tạo ngắn mạch Khối này bao gồm 3 CB đóng cắt bên trong và được nối đất thông qua các điện trở như hình dưới đây: Ba CB này có thể hoạt động đóng cắt độc lập với nhau nhưng cũng có thể kết hợp với nhau để tạo ra ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 hoặc 3 pha hay kết hợp ngắn mạch cả ba loại đó lại .... Những thông số cần nhập trong bảng Parameter của khối này là: Chọn pha sẽ bị ngắn mạch hay cả ba pha đều ngắn mạch. Chọn điện trở ngắn mạch. Nếu chọn ngắn mạch chạm đất thì nhập giá trị điện trở đất. Chọn tình trạng xảy ra và cắt ngắn mạch (1: ngắn mạch, 0: cắt ngắn mạch). Thời gian xảy ra ngắn mạch và cắt ngắn mạch (Transition times). Khối CB 3 pha. Khối CB 3 pha dùng để đóng cắt các thiết bị. Khối này cũng có 3 CB bên trong và cũng hoạt động riêng rẽ với nhau tương tự như khối tạo ngắn mạch, nhưng không có nối đất. Các thông số cần nhập: Trạng thái ban đầu (Initial status of breakers):thường đóng (closed) hay thường mở (opened). Đóng cắt ở pha A hay B hay C hay cả ba pha. Thời gian đóng cắt CB (transition time). Điện trở trong của CB. Khối chọn lựa tín hiệu đo (Bus Selector) Được sử dụng để chọn tín hiệu từ các khối khác nhằm biểu diễn trên scope, trong đồ án này là lấy tín hiệu V, P, Q từ ngõ ra m của phụ tải động để biểu diễn cùng một lúc trên một scope để tiện quan sát và nhận xét. Khối Subsystem Dùng để tạo ra một mạch mô phỏng phụ trong mạch mô phỏng chính. Trong trường hợp này là tạo ra một dạng thanh cái khác. Khối đường dây truyền tải Khối đường dây truyền tải mô phỏng đường dây tải điện trên hệ thống, trong bảng thông số của khối, ta cần nhập: Number of phases N: Nhập số pha của đường dây của hệ thống. Frequency used for RLC specifications: Nhập tần số của hệ thống để căn cứ vào đó để tính toán R, L và C. Resistance per unit length: Nhập giá trị điện trở trên 1 km. Trong đường dây đối xứng, ta có thể nhập theo kiểu ma trận hoặc theo kiểu thứ tự, đối với đường dây hai pha hay ba pha, ta có thể nhập theo kiểu điện trở thứ tự thuận và thứ tự nghịch [R1 R0]. Còn đối với đường dây bất đối xứng, ta chỉ có thể nhập theo kiểu ma trận. Inductance per unit length: Nhập giá trị điện cảm trên 1 km. Cách nhập tương tự như Resistance per unit length. Capacitance per unit length: Tương tự như hai mục trên. Line length: Nhập chiều dài đường dây (km). Khối Powergui Khối Powergui cung cấp cho ta một công cụ để tính toán các mô phỏng của SimPowerSystem có giao diện đồ họa cho người sử dụng (GUI). Double-click vào khối để mở giao diện của Powergui. Khối Powergui giúp chúng ta tính toán mạch theo một trong ba phương pháp: Phương pháp liên tục (Continuous method). Phương pháp rời rạc hoá mô hình điện (Discretize electrical model). Phương pháp Phasor. Trong đề tài này, ta sẽ dùng phương pháp Continuous vì dạng ta mô phỏng là variable-step. Trong phương pháp này có rất nhiều chức năng tính toán khác nhau, nhưng ta chỉ chú ý đến ba công cụ tính toán là Steady-State Voltage and Current, Float Flow and Machine Initialization và Compute RLC Line parameter: Steady-State Voltage and Current: Hiển thị giá trị ổn định của dòng điện và điện áp đo được lúc các trạng thái của chúng thay đổi trong mạch. Ta click vào công cụ này và nhấn Update steady-state Values để cho chúng tính toán và hiển thị các giá trị về dòng điện và điện áp của mạch. Load Flow and Machine Initialization: Thực hiện tính toán các dòng chạy của tải và thiết lập giá trị ban đầu cho mạng điện ba pha có máy điện ba pha để quá trình mô phỏng được tiến hành từ trạng thái ổn định. Công cụ này chỉ sử dụng được khi trong mạch có khối máy điện đồng bộ đơn giản hay khối máy điện đồng bộ hoặc khối máy điện không đồng bộ (dạng lồng sóc). Click vào và đặt giá trị công suất của máy điện và sau đó nhấn Update Load Flow để công cụ này tính toán lại dòng chạy của tải trong mạch và thiết lập các thông số cho phù hợp với tải. Compute RLC Line parameter: Dùng để tính toán các thông số R, L và C dựa trên các số liệu về loại dây dẫn được chọn trong các tài liệu hay trong các bảng phụ lục.