6.1.1.Giới thiệu sơ lược về Matlab:
MATLAB là một chương trình do công ty "The MATHWORKS" viết cho máy tính cá nhân nhằm hỗ trợ các tính toán kỹ thuật tương ứng với các phần tử cơ bản là ma trận.
MATLAB là từ viết tắt của MATRIX và LABORATORY. Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến bài toán kĩ thuật như: Lý thuyết mạch điện – điện tử, Lý thuyết điều khiển tự động, Khảo sát và phân tích các chế độ làm việc của các thiết bị điện và hệ thống điện, Kỹ thuật thống kê xác suất, Xử lý số tín hiệu, Phân tích dữ liệu, Dự báo chuổi quan sát, v.v …
MATLAB được điều khiển thông qua các tập lệnh. Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh – còn gọi là Script file hay M file với phần mở rộng là *.m. Các lệnh hay các tập lệnh của MATLAB lên đến hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các TOOLS BOX hay các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB có hơn 49 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có liên quan mà đã được đề cập.
TOOL BOX SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB, được sử dụng để mô phỏng các bài toán một cách nhanh chóng, tiện lợi.
MATLAB 3.5 trở xuống hoạt động trong môi trường MS-DOS.
MATLAB 4.0, 4.2, 5.1, 5.2, 5.3… hoạt động trong môi trường WINDOWS.
Hiện tại đã có MATLAB version 7.0, MATLAB có thể chạy liên kết với các chương trình ngôn ngữ cấp cao như C, C++, Fortran, … Việc cài đặt MATLAB thật dễ dàng và ta cần chú ý việc dùng thêm vào các thư viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm này với một vài ngôn ngữ cấp cao khác.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
6.1.2.Giới thiệu các giao diện của MATLAB: 6.1.2.1.Khởi động MATLAB: 6.1.2.1.Khởi động MATLAB:
Trên hệ điều hành Windows, để khởi động MATLAB, ta nhấp đôi vào biểu tượng
MATLAB trên màn hình nền của bạn.
Khi ấy, giao diện MATLAB được mở ra như hình 6.1. 6.1.2.2.Giới thiệu các giao diện của MATLAB:
6.1.2.2.1.Giao diện chính của MATLAB:
Hình 6.1.Giao diện chính của MATLAB
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Vùng mà click vào để xem các tài liệu hướng dẫn, các demo và các công cụ của MATLAB
Click vào để có được sự giúp đỡ sử dụng MATLAB Vùng đưa các lệnh vào cho MATLAB thực thi
Vùng click vào để xem hoặc thay đổi thư mục hiện tại
Vùng click vào để di chuyển giao diện Command Window ra ngoài giao diện chính của MATLAB
Click vào để đóng giao diện Command Window
Xem hoặc sử dụng các hàm đã được sử dụng ở các lần chạy chương trình trước. Sử dụng các Tab để đi đến giao diện Workspace hoặc giao diện thư mục hiện tại. Rê chuột vào để thay đổi kích thước giao diện của MATLAB.
6.1.2.2.2.Giao diện simulink của MATLAB
Vào File chọn New/Model để mở giao diện tạo mô hình và thực hiện mô phỏng .
Hình 6.2.Mở giao diện tạo mô hình Khi ấy giao diện sau sẽ xuất hiện:
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Hình 6.3.Giao diện tạo mô hình của MATLAB
Sau khi tạo mô hình xong, chúng ta sẽ lưu tập tin này lại dưới dạng file có phần mở rộng là *.mdl bằng cách vào File chọn Save As …
Hình 6.4.Lưu tập tin *.mdl
6.1.2.2.3.Giao diện thư viện các phần tử mô phỏng (Simulink Library Browser) của MATLAB:
Click vào biểu tượng Simulink trên thanh công cụ giao diện của MATLAB để mở thư viện các phần tử phục vụ cho việc xây dựng mô hình.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Hình 6.5.Giao diện Simulink Library Browser 6.1.2.2.4.Thoát khỏi MATLAB:
Khi muốn thoát khỏi MATLAB, chúng ta vào File chọn Exit MATLAB hoặc click vào dấu “x” ở góc phải màn hình.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
6.1.3.Các thư viện cơ bản Simulink của Matlab: 6.1.3.1.AC Voltage Source (Nguồn áp xoay chiều): 6.1.3.1.AC Voltage Source (Nguồn áp xoay chiều):
Chức năng : Mô hình một nguồn áp hình sin
Thư viện : Power System Blockset/Electrical Sources
Mô tả : Khối AC Voltage Source mô hình một nguồn áp xoay chiều lý tưởng. Ngõ ra và ngõ vào của khối tương ứng với các cực dương và cực âm của nguồn. Khối tạo ra một giá trị điện áp U thông qua mối quan hệ sau:
U = Amplitude x sin (2 x Frequency x t + Phase x /180) Với:
Amplitude và Phase cho phép các giá trị âm.
Khi Frequency (tần số) bằng không thì tương ứng với nguồn áp DC và không cho phép giá trị của Frequency là âm.
Có thể thay đổi ba thông số của nguồn (Amplitude, Phase và Frequency) bất cứ lúc nào trong quá trình thực hiện mô phỏng.
Hộp thoại và các thông số:
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Peak amplitude – giá trị điện áp đỉnh của nguồn áp (V). Phase – giá trị góc pha của điện áp (0).
Frequency – giá trị tần số của nguồn áp (Hz)
Sample time – khoảng thời gian lấy mẫu (s). Mặc định là bằng 0 tương ứng với một nguồn liên tục.
Measurements – chọn Voltage để đo điện áp rơi trên các đầu cực của nguồn áp.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
6.1.3.2.DC Voltage Source (Nguồn áp một chiều):
Chức năng : Mô hình một nguồn áp DC
Thư viện : Power System Blockset/Electrical Sources
Mô tả : Khối DC Voltage Source mô hình một nguồn áp DC lý tưởng. Ngõ ra và ngõ vào của khối tương ứng với các cực dương và cực âm của nguồn. Giá trị điện áp nguồn được thiết lập trong hộp thoại. Có thể thay đổi giá trị điện áp này bất cứ thời điểm nào trong quá trình mô phỏng.
Hộp thoại và các thông số:
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Amplitude – giá trị biên độ của nguồn áp (V).
Measurements – Chọn Voltage để đo giá trị điện áp trên các đầu cực của khối nguồn DC.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
6.1.3.3.Diode:
Chức năng : Mô hình một diode
Thư viện : Power System Blockset/Power Electronics
Mô tả : Diode là một thiết bị bán dẫn được điều khiển bởi các giá trị điện áp và dòng điện của chính nó.
Diode được mô hình bao gồm một điện trở, một cuộn dây điện cảm và một nguồn áp DC (Vf) được nối tiếp với một khóa đóng/ngắt. Khóa đóng/ngắt được điều khiển bằng điện áp Vak và dòng điện Iak.
Hình 6.9.Nguyên lý hoạt động của diode
Khối Diode cũng bao gồm một mạch giảm sóc Rs – Cs nối tiếp mà có thể được mắc song song với diode.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
6.1.3.4.Ground (Nối đất):
Chức năng : Cung cấp một liên kết đến đất Thư viện : Power System Blockset/Connectors
Mô tả : Khối Ground thực hiện một liên kết đến đất. Để dễ dàng vẽ các sơ đồ thực hiện mô phỏng, simulink cung cấp 2 dạng khối Ground bao gồm:
Ground (input) – (khối với một ngõ vào) Ground (output) – (khối với một ngõ ra) Hộp thoại:
Hình 6.10.Hộp thoại nối đất 6.1.3.5.Parallel RLC Branch (Nhánh RLC song song):
Chức năng : Mô hình một nhánh RLC song song Thư viện : Power System Blockset/Elements
Mô tả : Khối Parallel RLC Branch có thể mô hình cho một điện trở, một cuộn dây điện cảm và một tụ điện một cách độc lập hoặc được liên kết song song với nhau. Để bỏ qua phần tử điện trở, cuộn dây điện cảm hoặc tụ điện của nhánh thì các giá trị R, L và C phải thiết lập tương ứng là inf, inf (vô cùng) và 0. Khi ấy, các phần tử tồn tại sẽ được hiển thị trong biểu tượng của khối.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Hộp thoại và các thông số
:
Hình 6.11.Hộp thoại nhánh RLC song song Resistance R – điện trở của nhánh ().
Inductance L – điện cảm của nhánh (H). Capacitance C – điện dung của nhánh (C). Measurements
Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Parallel RLC Branch.
Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L và C) của khối Parallel RLC Branch.
Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối Parallel RLC Branch.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
6.1.3.6.Parallel RLC Load (Tải RLC song song):
Chức năng : Mô hình một tải RLC song song tuyến tính Thư viện : Power System Blockset/Elements
Mô tả : Khối Parallel RLC Load mô hình một tải tuyến tính với các phần tử RLC được kết hợp song song với nhau. Ở một tần số xác định, tải sẽ biểu diễn một tổng trở hằng và công suất của nó tỉ lệ với bình phương điện áp sử dụng.
Lưu ý: chỉ có các phần tử tương ứng với công suất khác không mới được hiển thị trong biểu tượng của khối.
Hộp thoại và các thông số:
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Nominal voltage Vn - Điện áp định mức của tải (V). Nominal frequency fn - Tần số định mức (Hz). Active power P - Công suất tác dụng của tải (W).
Inductive reactive power QL - Công suất phản kháng cuộn dây tự cảm QL (VAR): xác định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Capacitive reactive power QC - Công suất phản kháng tụ điện QC (VAR): xác định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Measurements
Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Parallel RLC Load. Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L và C) của
khối Parallel RLC Load.
Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối Parallel RLC Load.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
6.1.3.7.Series RLC Branch (Nhánh RLC nối tiếp)
Chức năng : Mô hình một nhánh RLC nối tiếp. Thư viện : Power System Blockset/Elements
Mô tả : Khối Series RLC Branch mô hình một điện trở, một cuộn dây điện cảm hoặc một tụ điện độc lập hoặc nối tiếp với nhau. Để bỏ qua điện trở, cuộn dây điện cảm hoặc điện dung của một nhánh thì các giá trị của R, L và C phải được thiết lập tương ứng với các giá trị là 0, 0 và inf. Khi ấy, các phần tử tồn tại sẽ được hiển thị trong biểu tượng của khối.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Hộp thoại và các thông số:
Hình 6.13.Hộp thoại nhánh RLC nối tiếp Resistance R – điện trở của nhánh ().
Inductance L – điện cảm của nhánh (H). Capacitance C – điện dung của nhánh (C). Measurements
Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Series RLC Branch. Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L và C) của
khối Series RLC Branch.
Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối Series RLC Branch.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
6.1.3.8.Series RLC Load (Tải RLC nối tiếp)
Chức năng : Mô hình một tải RLC nối tiếp tuyến tính Thư viện : Power System Blockset/Elements
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Mô tả : Khối Series RLC Load mô hình một tải tuyến tính với các phần tử RLC được kết hợp nối tiếp với nhau. Ở một tần số xác định, tải sẽ biểu diễn một tổng trở hằng và công suất của nó tỉ lệ với bình phương điện áp sử dụng.
Lưu ý: chỉ có các phần tử tương ứng với công suất khác không mới được hiển thị trong biểu tượng của khối.
Hộp thoại và thông số:
Hình 6.14.Hộp thoại tải RLC nối tiếp Nominal voltage Vn - Điện áp định mức của tải (V).
Nominal frequency fn - Tần số định mức (Hz). Active power P - Công suất tác dụng của tải (W).
Inductive reactive power QL - Công suất phản kháng cuộn dây tự cảm QL (VAR): xác định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Capacitive reactive power QC - Công suất phản kháng tụ điện QC (VAR): xác định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Measurements
Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Series RLC Load. Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L và C) của
khối Series RLC Load.
Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối Series RLC Load.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
6.1.3.9.Voltage Measurement (Đo điện áp)
Chức năng : Thực hiện đo điện áp của một sơ đồ. Thư viện : Power System Blockset/Measurements
Mô tả : Khối Voltage Measurement thực hiện đo điện áp tức tời giữa 2 nút trong sơ đồ.
Hộp thoại và các thông số
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
6.1.3.10.Hydraulic Turbine and Governor (HTG) :
wref : vận tốc đặt.
pref : công suất đặt.
we: vận tốc thực
pe : công suất thực.
dw : độ lệch tần số.
Pm:công suất cơ .
gate: cổng đóng mở van.
Chức năng : Thực hiện mô phỏng tuabin nước và bộ điều tốc Thư viện : Power System Blockset/Machines
Mô tả : Khối HTG cấu tạo bởi 1 mô hình turbine nước phi tuyến, 1 hệ thống ổn định PID, và 1 động cơ điều khiển.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
*Turbine nước được cấu tạo bởi hệ thống phi tuyến.
Hình 6.17.Cấu tạo Turbine nước *Cổng động cơ điều khiển được mô hình bởi 1 hệ thống thứ cấp.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
Hộp thoại và các thông số:
Hình 6.19.Hộp thoại HTG
Động cơ điều khiển(Servo-motor):hệ số khuếch đại Ka và thời hằng Ta của hệ thống thứ nhất đại diện cho động cơ điều khiển( tính bằng giây).
Cổng mở giới hạn( gate opening limits):giới hạn gmin and gmax (p.u) đặt lên cổng mở và vgmin và vgmax đặt lên cổng vận tốc.
Độ lệch cố định và máy điều chỉnh(permanent droop and regulator): hệ số tĩnh của bộ ổn định cân bằng với hệ số 1/R của vòng hồi tiếp. Máy điều chỉnh PID có hệ số cân bằng Kp , hệ số tích phân Ki , và hệ số vi phân Kd. Hệ số tần số cao của PID được giới hạn bởi bộ lọc chậm với thời hằng Td (s).
Turbine nước(hydraulic turbine):độ lệch vận tốc làm hoãn xung với hệ số và thời gian khởi động nước Tw(s).
So sánh độ lệch(droop reference):ngỏ vào đặc biệt của vòng hồi tiếp: vị trí cổng(ở mức 1) hoặc độ lệch công suất điện(ở mức 0).
Công suất cơ đầu: công suất cơ đầu Pmo (pu) ở trục máy. Giá trị này được tính toán bởi dòng tải cung cấp bởi khối Powergui.
Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab
6.1.3.11.Hệ thống kích từ trong Matlab:
Cung cấp hệ thống kích từ cho máy điện đồng bộ và điều chỉnh đầu ra máy phát.
vref: điện áp đặt đầu ra stator.
vd: thành phần điện áp ra vd.
vg:Thành phần điện áp ra vd.
vstab: điện áp ổn định cung cấp từ bộ ổn định hệ thống điện.