5.5.1. Giới thiệu SimPowerSystem
Hệ thống điện là tổ hợp các mạch điện và các thiết bị cơ điện như động cơ, máy phát. Các kỹ sư làm việc trong lĩnh vực này thường xuyên được yêu cầu nâng cao hiệu năng của hệ thống. Các yêu cầu nhằm gia tăng đáng kể hiệu suất đã khiến cho các kỹ sư năng lượng cần phải sữ dụng các thiết bị điện tử công suất và các khái niệm điều khiển hệ thống phức tạp. Điều này trở thành gánh nặng đối với các công cụ phân tích và kỷ thuật cổ điển. Hơn nữa, khó khăn cho các nhà phân tích là các hệ thống điện thường là hệ phi tuyến, và vì vậy con đường duy nhất để có thể hiểu các hệ này chỉ có thể thông qua mô phỏng.
SimPowerSystem được thiết kế để cung cấp công cụ thiết kế hiện đại cho phép các nhà khoa học và các kỹ sư nhanh chóng và dễ dàng xây dụng các mô hình mô phỏng hệ thống điện.
Công cụ này sử dụng môi trường Simulink, cho phép xây dụng mô hình bằng thao tác “nhấp chuột” và “kéo lê chuột”. Không chỉ sơ đồ mạch được vẽ một cách nhanh chóng mà sự phân tích mạch còn bao gồm các tương tác trong các lĩnh vực cơ, nhiệt, điều khiển và các lĩnh vực khác.
Khả năng này có được là do các phần tử của hệ thống điện cho các tương tác mô phỏng với Simulink, đã có sẵn trong thư viện mô hình. Vì Simulink sử dụng Matlab như công cụ tính toán nên các hộp công cụ tính toán nên các hộp công cụ của Matlab có thể được sử dụng bởi người thiết kế.
Người sử dụng sẽ nhanh chóng tìm thấy hộp công cụ SimPowerSystem và đưa vào làm việc. Các thư viện chứa các mô hình của các thiết bị năng lượng điển hình như: máy biến áp, đường dây, máy điện và các thiết bị điện tử công suất.
Các mô hình này được xây dựng từ các lý thuyết cơ bản và được chứng minh có hiệu lực trên cơ sở thí nghiệm của phòng thí nghiệm và mô phỏng lưới điện được trình bày trong các tập tin minh họa (Demo). Và đối với người sử dụng, muốn cập nhật kiến thức về lý thuyết hệ thống năng lượng, có thể tự đào tạo thông qua phương pháp học theo tình huống.
5.5.2. Các thư viện của SimPowerSystem
Thư viện chính của SimPowerSystem tổ chức các khối của nó thành các thư viện tương ứng với tác động của chúng. Để kích hoạt cửa sổ Powerlib, trong cửa sổ lệnh của Matlab, đánh dòng lệnh Powerlib. Cửa sổ Powerlib hiện thị các biểu tượng thư viện khối và tên. Xem hình 5.3:
Hình 5.3: Cửa sổ thư viện Powerlib
5.5.2.1. Thư viện Electrical Sources
DC Voltage Source: nguồn áp một chiều.
Controlled Voltage Source: nguồn áp điều khiển được. AC Voltage Source: nguồn áp xoay chiều.
Controlled Current Source: nguồn dòng điều khiển được. AC Current Source: nguồn dòng xoay chiều.
Three – Phase Source: nguồn ba pha.
Three – Phase Programmable Voltage Source: nguồn áp ba pha.
5.5.2.2. Thư viện Elements
Thư viện Elements chứa mô hình các phần tử tuyến tính và không tuyên tính của hệ thống điện, cụ thể là:
Series RLC Branch: nhánh RLC nối tiếp. Series RLC Load: tải RLC nối tiếp.
Three – Phase Series RLC Load: tải ba pha RLC nối tiếp.
Mutual Inductance: cuộn dây hổ cảm.
Three – Phase Dynamic Load: tải ba pha động. Parallel RLC Branch: nhánh RLC song song. Parallel RLC Load: tải RLC song song.
Three – Phase Series RLC Branch: nhánh ba pha RLC nối tiếp. Three – Phase Parallel RLC Branch: nhánh ba pha RLC song song. Three – Phase Parallel RLC Load: tải ba pha RLC song song. Three – Phase Mutual Inductance: cuộn dây hổ cảm ba pha. Surge Arrester: thiết bị chống sét.
Ground: đất.
Neutral Nude 10: điểm trung tính. Connection Port: cổng nối tiếp.
PI Section Line: mô hình đường dây hình .
Distributed Parameters Line: đường dây thông số rải.
Three – Phase PI Section Line: mô hình đường dây hình ba pha. Breaker: máy cắt.
Three – Phase Breaker: máy cắt ba pha. Three – Phase Fault: ngắn mạch ba pha. Linear Transformer: máy biến áp thuyến tính. Saturable Transformer: máy biến áp bảo hòa.
5.5.2.3. Thư viện Power Electronics
Diode: mô hình diode. Thyristor: mô hình thyristor.
Detailed Thyristor: mô hình chi tiết thyristor. Gto: mô hình Gto.
IGBT: mô hình IGBT. Mosfet: mô hình mosfet.
IGBT/Diode: mô hình IGBT/Diode. Ideal Switch: mô hình công tắc lý tưởng.
Hình 5.6: Cửa sổ thư viện mô hình các thiết bị điện tử
5.5.2.4. Thư viện Machines
Simplified Synchronous Machine pu Units: mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong trong hệ tọa độ pu.
Simplified Synchronous Machine SI Units: mô hình động cơ đồng bộ ba pha trong trong hệ tọa độ SI.
Permanent Magnet Synchronous Machine: máy điện đồng bộ ba pha từ tính vĩnh cửu. Synchronous Machine pu Fundamental: mô hình động cơ đồng bộ ba pha đơn giản trong hệ pu.
Synchronous Machine pu Standard: mô hình động cơ ba pha đồng bộ ba pha chuẩn trong hệ pu.
Synchronous Machine SI Fundamental: mô hình động cơ đồng bộ ba pha đơn giản trong hệ SI.
DC Machine: máy điện một chiều.
Asynchronous Machine pu Units: mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ pu. Asynchronous Machine SI Units: mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ SI. Single Phase Asynchronous Machine: động cơ không đồng bộ một pha.
Hình 5.7: Cửa sổ thư viện mô hình các máy điện Excitation System:
Hydraulic turbine and Governor: bộ điều chỉnh tuabin thủy. Steam Turbine and Governor: bộ điều chỉnh tuabin hơi. Generic Power System Stabilizer: hệ thống nguồn ổn áp. Multi – Band Power System Stabilizer:
Machines Measurement Demux:
5.5.2.5. Thư viện Measurements
Current Measurement: thiết bị đo dòng điện. Multimeter: thiết bị đo đa năng.
Voltge Measurement: thiết bị đo điện áp. Impedance Measurement: thiết bị đo tổng trở.
Hình 5.8: Cửa sổ thư viện mô hình các khối đo
5.5.2.6. Thư viện Application Libraries
Electric Drives Library: thư viện
Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Library: Distributed Resources Library:
5.5.2.7. Extra Library
Hình 5.10: Cửa sổ thư viện Extra Library Measurement: khối đo lường.
Discrete Measurement: khối đo lường tín hiệu gián đoạn. Control Blocks: khối điều khiển.
Discrete Control Blocks: khối điều khiển tín hiệu gián đoạn. Phasor Library: thư viện thiết bị mở rộng.
5.5.3. Trình tự mô phỏng một mạch điện
Trình tự mô phỏng mạch điện trong môi trường Matlab bao gồm các bước sau: - Vẽ mạch điện.
- Nhập thông số cho các phần tử.
CHƯƠNG VI: PHÂN TÍCH VẬN HÀNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
6.1. Bài toán ứng dụng
Một đường dây ba pha 765(kV), 60(Hz), hoán vị đầy đủ. Mỗi pha dây chùm gồm 4 dây ACSR 1.431.000 CM, 45/7 Bobolink. Ba pha phân bố trên mặt phẳng ngang, khoảng cách giữa hai pha kế cận là 14(m). Dây dẫn có đường kính 3.625(cm), bán kính trung bình hình học 1.439(cm). Dây chùm bố trí theo hình vuông cạnh 45(cm). Đường dây dài 400(km), có điện trở 0.011(/km). Dùng chương trình lineperf:
a. Xác định các đại lượng đầu phát khi biết các đại lượng đầu nhận: 735 0 0
(kV),
1600(MW), 1200(MVAr).
b. Xác định các đại lượng đầu nhận khi biết các đại lượng đầu phát: 765 0 0
(kV),
1920(MW), 600(MVAr).
c. Xác định các đại lượng đầu phát khi biết tổng trở đầu nhận: 282.38() ở 735(kV).
d. Tìm điện áp đầu nhận khi đường dây hở mạch ở đầu nhận (không tải) và điện áp đầu phát là 765(kV). Xác định điện kháng và công suất kháng của cuộn kháng bù ngang đặt ở đầu nhận để giới hạn điện áp đầu nhận ở 765(kV). Vẽ trắc đồ điện áp với đường dây có bù và không bù.
e. Tìm dòng điện đầu nhận, đầu phát khi đường dây ngắn mạch ba pha ở đầu nhận. f. Đối với đường dây mang tải như câu a. xác định điện dung và công suất kháng của tụ bù ngang đặt ở đầu nhận để giữa điện áp ở đầu nhận 735(kV), khi điện áp đầu phát 765(kV). Cho biết đặc tính của đường dây sau khi bù.
g. Xác định tình trạng vận hành của đường dây được bù dọc với độ bù dọc 40% và cung cấp cho tải như trong câu a. ở 765(kV).
h. Đường dây đã được bù dọc 40% và cung cấp cho tải như trong câu a. Xác định điện dung và công suất kháng của tụ bù ngang đặt ở đầu nhận để giữ điện áp đầu nhận ở 735(kV) khi điện áp đầu phát là 765(kV).
i. Vẽ đồ thị vòng tròn.
k. Vẽ đường cong khả năng tải khi điện áp đầu phát là 765(kV) điện áp đầu nhận là 735(kV). Dòng điện cho phép của dây dẫn là 5000(A/pha).
6.2. Các bước giải bài toán ứng dụng bằng chương trình lineperf phân tích, tính toán, vận hành đường dây truyền tải điện tính toán, vận hành đường dây truyền tải điện
6.2.1. Bước 1
Trong cửa sổ Comand Window của Matlab đánh lệnh lineperf, cửa sổ Comand Window xuất hiện bảng lựa chọn các loại thông số đầu vào cần nhập có năm lựa chọn. Sau đó ta nhập một trong năm lựa chọn đó vào dòng yêu cầu bên dưới.
Nếu nhập vào số 1, thì ta nhập thông số đường dây bằng các giá trị điện trở (r – omhs), điện dẫn (g – siemens), điện cảm (L – mH), điện dung (C – microF).
Nếu nhập vào số 2, thì ta nhập vào các thông số tổng trở toàn phần và tổng dẫn toàn phần trên một đơn vị chiều dài z = r + j * x (/km), y = g + j * b (Siemens/km).
Nếu nhập vào số 3, thì ta nhập các thông số mô hình hình pi hoặc mô hình hình pi thông số rải. Nếu nhập vào số 4, thì ta nhập các hằng số A, B, C, D. Nếu nhập vào số 5, thì ta nhập vào hình dạng và cấu trúc đường dây.
Kết quả tính toán được giá trị z, y toàn phần và các hệ số A, B, C, D dạng ma trận.
6.2.2. Bước 2
Tiếp theo nhấn enter, xuất hiện bảng lựa chọn các loại bài toán phân tích đường dây hiện hành có tám loại bài toán phân tích và yêu cầu nhập vào một trong tám loại bài toán phân tích trên.
6.2.3. Bước 3
Nếu nhập vào số 1 là bài toán xác định các thông số đầu phát khi biết các thông số đầu nhận. Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập vào các thông số điện áp dây (kV), công suất tác dụng đầu nhận, công suất phản kháng đầu nhận.
Kết quả tính được các giá trị đầu nhận: điện áp (Vr – kV), công suất tác dụng (Pr – MW), công suất phản kháng (Qr – MVAr), dòng điện (Ir – A). Các thông số đầu phát: điện áp (Vs – kV), công suất tác dụng (Ps – MW), công suất phản kháng (Qs – MVAr), dòng điện (Is – A). Tổn thất: công suất tác dụng (Pl – MW), công suất phản kháng (Ql – MVAr).
6.2.4. Bước 4
Nếu nhập vào số 2 là bài toán xác định các thông số đầu nhận khi biết các thông số đầu phát. Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập các thông số điện áp dây đầu phát (kV), góc pha, công suất tác dụng đầu phát, công suất phản kháng đầu phát. Kết quả tính được các giá trị đầu phát: điện áp (Vs – kV), công suất tác dụng (Ps – MW), công suất phản kháng (Qs – MVAr), dòng điện (Is – A). Các thông số đầu nhận: điện áp (Vr – kV), công suất tác dụng (Pr – MW), công suất phản kháng (Qr – MVAr), dòng điện (Ir – A). Tổn thất: công suất tác dụng (Pl – MW), công suất phản kháng (Ql – MVAr).
6.2.5. Bước 5
Nhập vào số 3 là bài toán xác các đại lượng đầu phát khi biết tổng trở đầu nhận, không tải. Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập vào các thông số: điện áp dây (kV), góc pha, tổng trở toàn phần của phụ tải (R + j * X).
Kết quả tính toán được các giá trị đầu nhận: điện áp (Vr – kV), công suất tác dụng (Pr – MW), công suất phản kháng (Qr – MVAr), dòng diện (Ir – A). Các thông số đầu phát: điện áp (Vs – kV), công suất tác dụng (Ps – MW), công suất phản kháng (Qs – MVAr), dòng diện (Is – A). Tổn thất: công suất tác dụng (Pl – MW), công suất phản kháng (Ql – MVAr).
6.2.6. Bước 6
Nếu nhập vào số 4 là bài toán tính toán đường dây không tải và bù. Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập các thông số: điện áp dây (kV), góc pha.
Kết quả tính được các giá trị đầu nhận: Điện áp (Vr – kV). Các thông số đầu phát: Điện áp (Vs – kV), dòng điện (Is – A). Dung kháng, công suất phản kháng của tụ (Qc – MVAr).
6.2.7. Bước 7
Nếu nhập vào số 5 là bài toán tính toán ngắn mạch. Chương trình yêu cầu nhập vào các thông số: điện áp dây đầu phát (kV), góc pha.
Kết quả tính được các giá trị đầu nhận: dòng điện (Ir – A), các thông số đầu phát: điện áp (Vs – kV), dòng điện (Is – A).
6.2.8. Bước 8
Nếu nhập vào số 6 là bài toán về tính toán bù. Chương trình xuất hiện các bảng lựa chọn bù: bù ngang nhập số 1, bù dọc nhập số 2, bù hỗn hợp nhập số 3.
6.2.8.1. Bù ngang
Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập điện áp dây đầu phát (kV), điện áp dây đầu nhận (kV), góc pha, công suất tác dụng đầu nhận (Pr – MW), công suất phản kháng đầu nhận (Qr – MVAr).
Kết quả tính toán được các giá trị đầu nhận: điện áp (Vr – kV), công suất tác dụng (Pr – MW), công suất phản kháng (Qr – MVAr), dòng điện (Ir – A). Các thông số đầu phát: điện áp (Vs – kV), công suất tác dụng (Ps – MW), công suất phản kháng (Qs – MVAr), dòng điện (Is – A). Tổn thất: công suất tác dụng (Pl – MW), công suất phản kháng (Ql – MVAr). Dung kháng, công suất phản kháng của tụ (Qc – MVAr), dòng điện qua tụ bù (A).
6.2.8.2. Bù dọc
Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập điện áp dây đầu phát (kV), điện áp dây đầu nhận (kV), góc pha, công suất tác dụng đầu nhận (Pr – MW), công suất phản kháng đầu nhận (Qr – MVAr), phần trăm công suất bù.
Kết quả tính toán được các giá trị đầu nhận: điện áp (Vr – kV), công suất tác dụng (Pr – MW), công suất phản kháng (Qr – MVAr), dòng điện (Ir – A). Các thông số đầu phát: điện áp (Vs – kV), công suất tác dụng (Ps – MW), công suất phản kháng (Qs – MVAr), dòng điện (Is – A). Tổn thất: công suất tác dụng (Pl – MW), công suất phản kháng (Ql – MVAr). Dung kháng, công suất phản kháng của tụ (Qc – MVAr), dòng điện qua tụ bù (A).
6.2.8.3. Bù hỗn hợp
Chương trình tiếp tục yêu cầu nhập điện áp dây đầu phát (kV), điện áp dây đầu nhận (kV), góc pha, công suất tác dụng đầu nhận (Pr – MW), công suất phản kháng đầu phát (Qs – MVAr), phần trăm công suât bù.
Kết quả tính toán được các giá trị đầu nhận: điện áp (Vr – kV), công suất tác dụng (Pr – MW), công suất phản kháng (Qr – MVAr), dòng điện (Ir – A). Các thông số đầu
phát: điện áp (Vs – kV), công suất tác dụng (Ps – MW), công suất phản kháng (Qs – MVAr), dòng điện (Is – A). Tổn thất: công suất tác dụng (Pl – MW), công suất phản kháng (Ql – MVAr). Dung kháng, công suất phản kháng của tụ (Qc – MVAr), dòng điện qua tụ bù (A).
6.2.9. Bước 9
Nhập vào số 7 là bài toán vẽ đồ thị vòng tròn công suất đầu nhận. Chương trình yêu cầu nhập vào điện áp dây đầu nhận (kV).
6.2.10. Bước 10
Nếu nhập vào số 8 là bài toán vẽ đường cong khả năng tải và trắc đồ điện áp. Chương trình xuất hiện bảng các lựa chọn.
Vẽ trắc đồ điện áp nhập số 1: Chương trình yêu cầu nhập tiếp giá trị điện áp phát (kV), công suất tác dụng đầu phát (MW), hệ số công suất. Kết quả là trắc đồ điện áp tải.
Vẽ đường cong khả năng tải nhập số 2: Chương trình yêu cầu nhập tiếp giá trị điện áp phát (kV), điện áp đầu nhận (kV), công suất tác dụng đầu phát (MW), dòng điện cho phép dẫn của một pha, dãy điện áp. Kết quả là đường cong khả năng tải.
6.3. Kết quả bài toán ứng dụng
6.3.1. Chương trình mô phỏng và vận hành đường dây
Tra phụ lục 2:
6.3.2. Các thông số đường dây
Khoảng cách trung bình hình học hình học tương hỗ các pha: GMD = 1742.543(m). Bán kính hình học tự thân điện cảm: GMRL = 20.752(cm).
Bán kính hình học tự thân điện dung: GMRC = 21.98405(cm). Điện cảm đường dây: L = 0.886(mH/km).
Điện dung đường dây: C = 0.0127(uF/km). Cảm kháng đường dây: x0 = 0.337(omh/km).
Cảm kháng đường dây: b0 = 0. 211044.055 (omh/km).
6.3.3. Câu a
Xác định các đại lượng đầu phát khi biết các đại lượng đầu nhận: 735 0 0
(kV),
Điện áp đầu phát: Vs = 903.416(kV), góc pha = 17.7230. Dòng điện đầu phát: IS = 1102.57(A), góc pha = - 2.0610. Công suất đầu phát: Ps = 1623.431(MW), Qs = 583.952(MVAr).
Tổn thất công suất đầu phát: PL = 23.431(MW), QL = - 616.048(MVAr). Phần trăm sụt áp: U% 40.541%.
Hiệu suất truyền tải: 0.98
6.3.4. Câu b
Xác định các đại lượng đầu nhận khi biết các đại lượng đầu phát: 765 0 0
(kV),
1920(MW), 600(MVAr).
Điện áp đầu nhận: Vr = 641.299(kV), góc pha = - 29.420. Dòng điện đầu nhận: Ir = 1748.56(A), góc pha = - 43.4090. Công suất đầu nhận: Ps = 1623.431(MW), Qs = 583.952(MVAr). Tổn thất công suất đầu nhận: PL = 35.577 (MW), QL = 150.530(MVAr). Hệ số công suất đầu phát: = 0.97
Phần trăm sụt áp: U% 36.412%. Hiệu suất truyền tải: 0.98
6.3.5. Câu c
Xác định các đại lượng đầu phát khi biết tổng trở đầu nhận: 282.38() ở 735(kV). Điện áp đầu phát: Vs = 734.688(kV), góc pha = 27.2250.
Dòng điện đầu phát: IS = 1530.26(A), góc pha = - 30.8940. Công suất đầu phát: Ps = 1943.295(MW), Qs = - 124.594(MVAr). Tổn thất công suất đầu phát: PL = 30.182(MW), QL = - 142.594(MVAr). Hệ số công suất đầu phát: = 0.997