›
›

Giáo trình Matlab - Chương 7: Power System Blockset

Download
CHƯƠNG 7: POWER SYSTEM BLOCKSET  
§1. KHÁI NIỆM CHUNG  
Power System Blockset được thiết kế để cung cấp cho chúng ta công cụ  
hiệu quả và tiện lợi để mô phỏng nhanh và dễ các mạch điện, các hệ thống  
điện. Thư viện của nó chứa các phần tử cơ bản của mạch điện như máy biến  
áp, đường dây, các máy điện và các thiết bị điện tử công suất. Giao diện đồ  
hoạ cung cấp các thành phần của hệ thống điện. Các thành phần này dược lưu  
trong thư viện powerlib. Để mở thư viện này từ cửa sổ MATLAB ta đánh lệnh  
powerlib. Khi này MATLAB mở một cửa sổ chứa các khối hệ thống con khác  
nhau. Các hệ thống con này bao gồm:  
Electrical Sources  
Elements  
Power Electronics  
Machines  
Connectors  
Measuremets  
Extras  
Demos  
Ta có thể mở các hệ thống con này để tạo ra các cửa sổ chứa các khối mà  
ta cần copy vào mô hình. Mỗi một thành phần được biểu diễn bằng một icon  
đặc biệt.  
§2. MÔ HÌNH HOÁ MỘT MẠCH ĐIỆN ĐƠN GIẢN  
Power System Blockset cho phép ta xây dựng và mô phỏng một mạch  
điện chứa các phần tử tuyến tính cũng như phi tuyến. Ta xét một mạch điện  
R
như hình vẽ:  
e = 2 .220sin(314π + 10°) V  
R = 10Ω  
L = 0.1 H  
L
E
C = 100µF  
Để mô phỏng mạch điện này ta dùng các khối:  
nguồn, điện trở, điện kháng, điện dung và dụng  
C
cụ đo. Để đo điện áp ta dùng khối Vmet. Nó cho trị số tức thời của điện áp. Để  
thấy đươc giá trị hiệu dụng ta dùng khối RMS. Các bước thực hiện như sau:  
•
Từ menu File của cửa sổ powerlib chọn New rồi chọn Model sẽ chứa  
143  
mạch điện đầu tiên của ta và gọi là ct7_1  
Mở thư viện Electrical Sources để copy AC Voltage Source Block vào  
cửa sổ ct7_1  
•
•
Mở hộp thoại AC Voltage Source Block bằng cách nhấp đúp lên nó để  
nhập vào biên độ, phase và tần số theo các giá trị đã cho trong sơ đồ. Chú ý là  
biên độ là giá trị max của điện áp.  
•
Do khối điện trở không có nên copy khối Series RLC Branch và đặt giá  
trị điện trở như đã cho và đặt L là vô cùng và C là zero.  
•
•
•
Thực hiện tương tự với phần tử L và C.  
Lấy khối đo điện áp trong hệ thống con Measurement  
Để xem điện áp, dùng khối Scope của Simulink chuẩn. Mở Simulink và  
copy khối Scope vào mô hình ct7_1. Nếu khối Scope được nối trực tiếp với đầu  
ra của thiết bị đo điện áp nó sẽ hiển thị điện áp theo V.  
•
Để hoàn thành mạch điện, ta cần nối các phần tử với nhau  
Sơ đồ mô phỏng(lưu trong ct7_1.mdl) như sau:  
Bây giờ ta có thể bắt đầu mô phỏng từ menu simulation. ta vào menu  
này, chọn các thông số cho qua trình mô phỏng và bấm nút start.  
Để dễ dàng cho việc phân tích trạng thái xác lập của mạch điện chúng ta,  
thư viện powerlib cung cấp giao diện đồ hoạ(GUI). Copy khối giao diện  
Powergui vào cửa sổ ct7_1 và nhấn đúp vào icon để mở nó. Mỗi dụng cụ đo  
đại lượng ra được xác định bằng mỗi chuỗi tương ứng với tên của nó. Các biến  
trạng thái được hiển thị tương ứng với các giá trị xác lập cảu dòng điện và  
điện áp. Tên các biến chứa tên các khối, bắt đầu bằng tiếp đầu ngữ Il‐ hay Uc_.  
144  
Dấu quy ước được sử dụng với dòng điện và điện áp và các biến trạng thái  
đươc xác định bằng hướng của các khối:  
‐ dòng điện điện cảm chạy theo hướng mũi tên tướng ướng với dấu  
dương  
‐ điệ áp trên tụ C bằng điện áp ra trừ đi điện áp vao  
Chọn menu Tool | Staedy ‐ State Voltages and Currents để xem các trị số xác  
lập của dòng điện và điện áp.  
Bây giờ chọn menu Tool | Initial Value of State Variables để hiển thị các  
giá trị khởi đầu của các biến trạng thái. Các giá trị khởi đầu này được đặt để  
bắt đầu simulation ở trạng thái xác lập.  
Bây giờ ta tính các biểu diễn của không gian trạng thái của mô hình ct7_1  
bằng hàm power2sys. Nhập dòng lệnh sau đây vào cửa sổ MATLAB :  
[A,B,C,D,x0,states,inputs,outputs] = power2sys(’ct7_1’);  
Hàm power2sys trả về mô hình không gian trạng thái của mạch trong 4  
ma trận A,B,C,D,x0 là vec tơ các điều kiện đầu mà ta vừa hiển thị với  
Powergui. Tên của các biến trạng thái, các đại lượng vào và các đại lượng ra  
được trả về trong 3 ma trận chuỗi.  
Một khi mô hình trạng thái đã biết, nó có thể phân tích được trong vùng  
tần số. Ví dụ các mode của mạch này có thể tìm từ các giá trị riêng của ma trận  
A(dùng lệnh MATLAB eig(A))  
eig(A)  
ans =  
1.0e+002 *  
‐0.5000 + 3.1225i  
‐0.5000 ‐ 3.1225i  
Hệ thống này có dao động tắt dần vì phần thực âm. Nếu ta dùng Control  
System Toolbox, ta có thể vẽ đồ thị Bode. Các lệnh MATLAB(lưu trong  
ct7_1m.m) như sau  
freq = 0:1500;  
w = 2*pi*freq;  
[bien,pha,w] = bode(A,B,C,D);  
semilogy(w,mag1(:,2));  
semilogy(w,mag1(:,2));  
145  
§3. MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ  
Một trong những phạm vi ứng dụng của Power System Blockset là  
simulation quá trình quá độ trong các mạch điện. Điều này có thể làm được cả  
với cầu dao cơ khí và mạch điện tử. Ta xét quá trình quá độ khi đóng một  
mạch RL vào nguồn điện xoay chiều. Sơ đồ mô phỏng (lưu trong ct7_2.mdl)  
như sau:  
Trước quá trình quá độ, cầu dao ( được mô phỏng bằng phần tử breaker)  
ở trạng thái mở. Sau khoảng thời gian 1.5 chu kì, cầu dao đóng, nối mạch RL  
vào nguồn e = 2 sin314t.  
§4. MÔ HÌNH HOÁ ĐƯỜNG DÂY DÀI  
Đường dây dài là đường dây có thông số rải. Nó được mô phỏng bằng  
khối Distributed Parameter Line. Nó được xây dựng trên cơ sở xét quá trình  
truyền sóng trên đường dây. Ta xét một đường dây dài 1000 km có mô hình  
(lưu trong ct7_3.mdl)như sau:  
146  
Khi sử dụng mô hình ta phải khai báo điện trở, điện dung và điện cảm  
của đường dây trên một đơn vị dài, số pha và chiều dài của đường dây.  
§5. MÔ HÌNH HOÁ ĐƯỜNG DÂY BẰNG CÁC ĐOẠN pi  
Mục đích của mô hình này là thực hiện đường dây 1 pha với thông số  
được tập trung trên từng đoạn. Khối PI Section Line thực hiện đường dây  
truyền tải một pha với thông số tập trung trên từng đoạn pi. Đối với đường  
dây truyền tải, điện trở, điện cảm và điện dung phân bố đều trên suốt chiều  
dài. Một mô hình xấp xỉ đường dây thông số phân bố có được bằng cách nối  
nhiều đoạn pi giống nhau. Không giống như đường dây thông số rải có số  
trạng thái là vô hạn, mô hình tuyến tính các đoạn pi có số hữu hạn các trạng  
thái cho phép mô hình không gian‐trạng thái được dùng để rút ra đáp ứng tần  
số. Số đoạn được dùng phụ thuộc vào tần số được biểu diễn. Xấp xỉ tốt nhất  
thực hiện theo phương trình:  
Nv  
8l  
fmax  
=
Trong đó:  
•
•
•
N : số đoạn pi  
v : tốc độ truyền sóng(km/s = 1/√L(H/km)C(F/km)  
l : chiều dài đường dây(km)  
Ta xét đường dây trên không dài 100 km có tốc độ truyền sóng 300000 km/s,  
tần số lớn nhất biểu diễn được khi dùng 1 đoạn pi là 375Hz. Mô hình đơn giản  
này đủ dùng trong hệ thống truyền tải năng lượng. Ta xây dựng mô hình (lưu  
trong ct7_7.mdl)như sau:  
Ta nhập điện trở, điện cảm và điện dung trên một đơn vị dài vào 3 ô đầu tiên  
của hộp thoại. Nhập độ dài và số đoạn pi mong muốn vào 2 ô cuối.  
147  
§6. MÔ HÌNH HOÁ MÁY ĐIỆN  
Các máy điện nằm trong thư viện Machines. Các máy điện được mô  
phỏng dựa trên các phương trình cơ bản của nó và được chia thành 2 dạng:  
máy điện trong hệ đơn vị tương đói và máy điện trong hệ đơn vị SI. ta xét quá  
trình mở máy bằng điện trở một động cơ điện một chiều. Sơ đồ mô phỏng (lưu  
trong ct7_4.mdl) như sau:  
§7. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT  
Power System Blockset được thiết kế để simulation các thiết bị điện tử  
công suất. Chúng ta khảo sát một mạch điện có thyrsistor cung cấp cho một  
mạch RL.  
Sơ đồ mô phỏng (lưu trong ct7_5.mdl) như trên.  
148  
§8. MÔ HÌNH HOÁ MẠCH ĐIỆN 3 PHA  
Ta mô hình hoá một mạch điện 3 pha có nguồn đối xứng nhưng tải  
không đối xứng. Sơ đồ mô phỏng (lưu trong ct7_6.mdl) như sau:  
Điện áp các nguồn có trị hiệu dụng là 231 V. Tải pha thứ nhất là R = 1Ω,  
L = 1H, pha thứ hai R = 15Ω, L = 2H và pha thứ 3 là R = 10Ω, L = 1H và C = 1µF.  
§9. MÔ HÌNH ĐIỆN KHÁNG HỖ CẢM  
Phần tử điện kháng hỗ cảm thực hiện mối liên hệ từ giữa 2 hay 3 dây quấn.  
Khối Mutual Inductance thực hiện liên hệ từ giữa 3 dây quấn riêng biệt. Ta mô  
tả điện trở và điện cảm của từng dây quấn trên mục vào thứ nhất của hộp  
thoại và điện trở, điện cảm hỗ cảm trên mục vào cuối cùng. Mô hình điện như  
sau (lưu trong ct7_8.mdl):  
Nếu mục vào của dây quấn thứ 3 bị bỏ trống, nghĩa là chỉ có hỗ cảm giữa  
2 dây quấn. Các đầu vào của khối Mutual Inductance là cùng cực tính tại một  
thời điểm.  
149  
Do simulation nên cần:  
Rs > 0 , Rs > Rm , Lm ≠ 0 , Ls ≠ Lm  
Điện trở của dây quấn phải dương và lớn hơn điện trở hỗ cảm. Điện cảm hỗ  
cảm phải khác 0 nhưng điện trở hỗ cảm có thể bằng 0. Dây quấn có thể thả nối,  
nghĩa là không nối với tổng trở hay phần còn lại của mạch.  
§10. MÔ HÌNH NHÁNH RLC NỐI SONG SONG  
Phần tử này thực hiện nhánh RLC nối song song. Khối Parallel RLC Branch  
thực hiện điện trở, điện cảm và điện dung nối song song. Để bỏ một phần tử  
R,L hay C ta phải đặt các thông số tương ứng là Inf, Inf và 0. Ta có thể dùng  
giá trị âm cho các thông số.  
Để có đáp ứng tần của bộ lọc tần số bậc 7 ở 660Hz ta dùng mạch như trong file  
ct7_9.mdl.  
Tổng trở của mạch:  
V(s) RLCs2 + Ls + R  
Z(s) =  
=
I(s)  
LCs2 + RCs  
Để có đáp ứng tần của tổng trở ta phải xác định mô hình không gian‐trạng thái  
(ma trận A B C D) của hệ thống (lưu trong ct7_9m.m)  
[A,B,C,D] = power2sys(’ct7_9’);  
freq = logspace(1,4,500);  
w = 2*pi*freq;  
[Z,phaseZ] = bode(A,B,C,D,1,w);  
subplot(2,1,1)  
loglog(freq,Z)  
grid  
title(’Bo loc song hai bac 11’)  
xlabel(’Tan so, Hz’)  
150  
ylabel(’Tong tro Z’)  
subplot(2,1,2)  
semilogx(freq,phaseZ)  
xlabel(’Tan so, Hz’)  
ylabel(’Pha Z’)  
grid  
§11. MÔ HÌNH TẢI RLC NỐI SONG SONG  
Phần tử này thực hiện tải RLC nối song song. Khối Parallel RLC Load  
thực hiện tải tuyến tính như tổ hợp nối song song của các phần tử R, L và C.  
Để xác định tham số ta nhập điện áp định mức và tần số định mức vào 2 mục  
đầu tiên. Nhập công suất tác dụng, công suất phản kháng trên cuộn dây và  
công suất phản kháng trên tụ điện vào 3 mục cuối. Các công suất phản kháng  
phải dương. Tại tần số đã mô tả, tải sẽ có tổng trở hằng và công suất tỉ lệ với  
bình phương điện áp đặt vào. Ta tìm các giá trị xác lập của điện áp và dòng  
điện tải trong mạch trong file ct7_10.mdl.  
§12. MÔ HÌNH NHÁNH RLC NỐI NỐI TIẾP  
Phần tử này thực hiện nhánh RLC nối nối tiếp. Khối Series RLC Branch  
thực hiện điện trở, điện cảm và điện dung nối nối tiếp. Để loại trừ R, L hay C  
ta cho chúng bằng 0, 0 hay Inf. Các giá trị này có thể đặt là số âm. Ta xét môt  
mô hình như trong file ct7_11.mdl. Tổng trở của nhánh là:  
V(s) LCs2 + RCs + 1  
Z(s) =  
=
I(s)  
Cs  
151  
Để nhận được đáp ứng tần số của tổng trở ta phải xây dựng mô hình  
không gian‐trạng thái của hệ thống:  
[A,B,C,D] = power2sys(’ct7_11’);  
freq = logspace(1,4,500);  
w = 2*pi*freq;  
[Y,phaseY] = bode(A,B,C,D,1,w);  
Z = 1./Y;  
phaseZ = ‐phaseY;  
subplot(2,1,1)  
loglog(freq,Z)  
grid  
title(’Bo loc song bac 5’)  
xlabel(’Tan so, Hz’)  
ylabel(ʹTong tro Z’)  
subplot(2,1,2)  
semilogx(freq,phaseZ)  
xlabel(’Tan so, Hz’)  
ylabel(’Pha Z’)  
grid  
§12. MÔ HÌNH TẢI RLC NỐI NỐI TIẾP  
4SeriePhần tử này thực hiện tải RLC nối nối tiếp tuyến tính.  
Khối Series RLC Load thực hiên tải RLC nối nối tiếp tuyến tính. Ta nhập  
giá trị điện áp và tần số định mức vào 2 ô đầu của hộp thoại. Nhập công suất  
tác dụng,công suất phản kháng trên điện cảm và công suất tác dụng trên điện  
dung vào 3 ô cuối.Các công suất phản kháng phải có trị số dương. Tại tần số  
đã mô tả, tải có tổng trở xác định hằng và công suất của nó tỉ lệ vởi bình  
152  
phương điện áp đặt vào. Ta tìm giá trị xác lập của điện áp và dòng điện của tải  
trong file ct7_11.mdl.  
153  
pdf 11 trang myanh 23720 Free
Download
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Matlab - Chương 7: Power System Blockset", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_matlab_chuong_7_power_system_blockset.pdf