xây dựng và vận hành một hệ thống điện thông qua phần mềm mô phỏng matlabsimulink

Trạm biến áp là một phần rất quan trọng trong hệ thống điện, việc tải điện năng đi xa từ nhà máy điện bộ phận tiêu thụ trong các hệ thống điện hiện nay cần phải có tối thiểu 3 đến 4 lần

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trình độ khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ Đã có nhiều nhà máy, xí nghiệp ra đời với trình độ công nghẹ cao, hiện đại hóa trên cả nước vì vậy yêu cầu đất nước phải có một hệ thống điện ổn định, chất lượng cao đẻ đáp ứng và phục vụ đắc lực cho sản xuất và trong cả đời sống Để đảm bảo điều đó việc truyền tải điện năng phải ngày càng đổi mới và hoàn thiện về các trang bị thiết bị và kỹ thuật Trạm biến áp là một phần rất quan trọng trong hệ thống điện, việc tải điện năng đi xa từ nhà máy điện bộ phận tiêu thụ trong các hệ thống điện hiện nay cần phải có tối thiểu 3 đến 4 lần tăng giảm điện áp do đó tổng công suất đặt (hay dung lượng) của các máy biến áp gấp mấy lần công suất của máy phát điện Để hệ thống hoạt động ổn định thì việc giám sát vận hành trạm là một trong những việc rất quang trọng đối với hệ thống điện.

Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài năng Sinh viên ngành KTĐ tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy đồ án môn học hệ thống điện là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên KTĐ Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành KTĐ tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về hệ thống điện và hơn nữa có thể tự mình xây dựng và vận hành một

hệ thống điện thông qua phần mềm mô phỏng Matlab/simulink Mặc dù vậy,

với kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp

đỡ của thầy giáo Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy Ngô Minh Khoa

đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này.

Đồ án này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn về môn học mà còn giúp em dược tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn,linh hoạt hơn và đặc biệt là sự quan trọng của phương pháp làm việc theo nhóm.Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt.

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP

I GIỚI THIỆU CHUNG

Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, hiện nay đã là một dạng nănglượng rất phổ biến, sản lượng điện năng trên thế giới ngày càng tăng và chiếmhàng nghìn tỉ KWh Sở dĩ điện nặng được thông dụng như vậy vì nó có nhiều ưuđiểm như: dễ dàng chuyển thành các dạng năng lượng khác ( cơ, hóa, nhiệt…), dễtruyền tải đi xa, hiệu suất lại cao

Trong quá trình sản xuất và phân phối, điện năng có một số đặt điểm chínhnhư sau:

a Điện năng sản xuất ra nói chung không tích trữ được ( trừ một vài trường hợp

cá biệt với công suất nhỏ, người ta dùng pin và ắc quy làm bộ phận tích trữ) Tạimọi lúc ta phải đảm bảo cân bằng giữa điện năng được sản xuất ra với điện năngtiêu thụ kể cả những tổn thất do truyền tải

b Quá trình về điện xảy ra rất nhanh Ví dụ sóng điện từ lan truyền trong dây

dẫn với tốc độ rất lớn xấp xĩ tốc độ ánh sáng, quá trình sóng sét lan truyền, quátrình quá độ ngắn mạch xảy ra rất nhanh

c Đặc điểm thứ ba là công nghiệp điện lực có quan hệ chặt chẽ đến hầu hết các

ngành kinh tế quốc dân Đó là một trong những động lực tăng năng suất lao động,tạo nên sự phát triển nhịp nhàng trong cấu trúc kinh tế

Công nghiệp điện giữ vai trò rất quan trọng trong giai đoạn phát triển hiện nay,các ngành kinh tế trọng điểm đang trên đà phát triển mạnh mẽ, hàng loạt các công

ty xí nghiệp cũng như các khu dân cư đã và đang được hình thành Vì vậy, nhu cầu

sử dụng điện ngày càng cao, đòi hỏi ngành công nghiệp năng lượng điện phải đápứng kịp thời theo sự phát triển đó Chính vì những nguyên nhân trên làm cho hệthống điện ngày càng phức tạp Một trong những vấn đề cấp bách đặt ra là làm saotìm ra những phương pháp đơn giản trong vận hành, dễ dàng trong sữa chữa, hiệuquả đạt được phải cao nhưng phải đảm bảo tính thẩm mỹ, an toàn cho người vàthiết bị

Hệ thống cung cấp điện là một hệ thống gồm các khâu sản xuất, truyền tải vàphân phối điện năng để cung cấp cho một khu vực nhất định được lấy từ hệ thốnglưới điện quốc gia sử dụng điện áp trung bình trở xuống.

II GIỚI THIỆU SƠ LƯỢT VỀ TRẠM BIẾN ÁP

Trạm biến áp dùng để biến đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện ápkhác Nó đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống cung cấp điện

Nhà máy điện và trạm biến áp là các phần tử quan trọng trong hệ thống điện

có thể cung cấp điện năng cho phụ tải ở một nơi khác xa hơn, khoảng cách xa đónhiều cây số Sự lựa chọn một trung tâm phát triển điện liên quan đến nhiều vấn đềnhư cần một số vốn đầu tư ban đầu lớn, phí tổn hao khai thác nhiều hay ít, và vị trícần thiết để lắp đặt ở xa nơi công chúng để tránh gây bụi và ồn ào Do đó ở hầu hếtmọi nơi điện được truyền tải, chuyên chở từ một nơi nào đó (nhà máy phát điện )đến nơi tiêu thụ Sự truyền tải một số điện năng đi xa sẽ xãy ra nhiều vấn đề, nhất

là chi phí cho hệ thống truyền tải điện và tổn thất điện Phương pháp hữu hiệu nhất

để giảm chi phí này là bằng cách nâng điện áp lên cao, khi đó tiết diện dây cáp vàtổn thất điện năng truyền tải giảm đáng kể Tuy nhiên mức điện áp chỉ nâng đếnmột cấp nào đó để phù hợp với vấn đề cách điện và an toàn

Hiện nay, nước ta đã nâng mức điện năng lên tới 500KV để tạo thành hệthông điện hoàn hảo vận hành từ năm 1996 đến nay

Chính vì lẽ đó trạm biến áp thực hiện nhiệm vụ chính là nâng điện áp lên caokhi truyền tải, rồi đến những trung tâm tiếp nhận điện năng (cũng là trạm biến áp)

có nhiệm vụ hạ mức điện áp xuống để phù hợp với như cầu

Trạm biến áp có thể phân loại theo điện áp và địa dư

+ Theo cấp điện áp: như đã trình bày thì có trạm tăng áp, trạm hạ áp, và trạm

trung gian

a Trạm tăng áp : thường đặt ở những nhà máy điện làm nhiệm vụ tăng

điện áp lên cao hơn để truyền tải đi xa

b Trạm giảm áp : thường đặt gần ở những nơi tiêu thụ, phân phối, nhằm

chuyển đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp phù hợ với nhu cầu sửdụng

c Trạm trung gian : là trạm dùng để liên tục giữa hai nơi có cấp điện áp

khác nhau trong hệ thống

+ Theo địa dư: có trạm biến áp khu vực ( từ điện áp của mạng điện chính của

khu vực hay mạng điện chính của hệ thống thường là các trạm 110KV, 220KV,500KV…, nó chủ yếu cung cấp điện cho khu vực rộng lớn bao gồm các thànhphố,các khu công nghiệp …, trạm biến áp địa phương)

III VỊ TRÍ ĐẶT TRẠM

Vị trí đặt trạm phải thỏa mãn các yêu cầu sau :

 Gần trung tâm phụ tải, gần đường ô tô để thuận tiện cho việc chuyênchở các thiết bị đến trạm đặt biệt là MBA gần các công trình, phục vụ công cộngnhư đường cấp thoát nước, đường dây thông tin liên lạc, phòng cháy chửa cháy…

 Không nên đặt trạm biến áp ở các vùng gần bờ biển nhiểm mặn, cácvùng ô nhiểm do các chất thải của nhà máy công nghiệp

 Không nên đặt trạm ở vùng đất qua thấp thường bị ngập nước hoặcmực nước ngầm cao hơn cao trình đáy móng

 Không nên đặt trạm gần bờ sông, vùng đất đá vôi, đường ống dẫnxăng dầu, khí đốt, sân bay… với khoảng cách theo quy định

 Không nên đặt trạm biến áp ở những khu vực đã có công trình xâydựng hoặc nhà dân cư để khỏi đền bù khi phá vỡ các công trình đó

Trong đề tài này, ta sử dụng chức năng Simulink của Matlab để xây dựng môhình mô phỏng trạm biến áp Để hổ trợ cho công việc mô phỏng, Simulink củaphần mềm Matlab cung cấp một số các thư viện thiết bị có sẵn Ở đây ta sử dụngcác khối thiết bị mô phỏng từ các thư viện như ; SimElectronics,SimPowerSystems….

Để tiến hành mô phỏng, ta nhấp vào biểu tượng trênToolbar của Matlab

để mở Simulink Libraly Browser, sau đó vào File/New, chọn Model để mở mộtmodel mới để chúng ta bắt đầu xây dựng mô hình trạm và mô phỏng

II XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠM BA PHA BẰNG CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG SIMULINK.

Để xây dựng mô hình trạm ba pha ta lần lượt sử dụng các khối sau đây :

1 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 nốiđất sẵn bên trong khối hoặc được nối với khối khác Ta có thể đặt giá trị điện trở

trong và điện cảm trực tiếp hoặc gián tiếp bằng cách đánh dấu check vào ô Specify

impedence using short-circuit level.

Hình 1: khối nguồn

 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 phải nhập góc

của pha A vì khối này sẽ tạo ra một nguồn áp ba pha thứ tự thuận, trong đópha 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 trực tiếp giá trị của R và L Nếu không thì ta nhập giá trị của R và Ltheo cách gián tiếp bằng cách dùng thông số: giá trị điện cảm khi ngắn mạch

và tỉ số X/R theo công thức:

)R/X(

fL2)R/X(

X

Giá trị L được tính theo công thức ( )

f2

1.Psc

V

L Base 2

π

 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 Theo

 Base voltage: nhập giá trj điện áp cơ bản VBase

 X/R ratio: nhập tỉ số giữa X và L.

2 Khối đường dây

Theo đề thì trạm biến áp được nói với hệ thống bằng 2 đường dây 171 và 172,

ở đây ta đặt tên cho 2 đường dây là DD171 và DD172

Ở khối đường dây ta có các thông số sau:

 Frequency used for rlc specification: Nhập tần số sử dụng

cho đặc điểm kỹ thuật RLC, ở đây ta nhập f = 50HZ

 Line section length: Nhập chiều dài đoạn đường dây, theo

đề ta có 2 dường dây dài 92km

 r 1, r 0 : đơn vị Ω/km.

 l 1 , l 0 : đơn vị H/km.

Ta có thông số của đường dây như hình sau:

Hình 2: khối đường dây ba phaLàm tương tự cho đường dây 172 ( DD172)

3 Khối CB 3 pha

- Khối CB 3 pha dùng để đóng cắt các thiết bị Khối này có 3 Cb bên trong

và hoạt động riêng lẽ với nhau, không có nối đất

- Ngoài ra để điều khiển đóng cắt bằng tay thì ta đánh dấu vào ô External

control of switching times Lúc này trên khối máy cắt có một đầu vào điều khiển com như hình

- Trong sơ đồ ta có các máy cắt 412 và 312 là máy cắt phân đoạn của hainhánh phụ tải phía 35KV và 22KV là đặt ở chế độ thường mở (opened) còn cácmáy cắt và dao cách ly khác đều thường đóng (closed).

Hình 3: Khối máy cắt và DCLCác thông số cần nhập:

 Trạng thái ban đầu (Initial status of breakers):thường đónghay thường mở (opened)

 Đóng cắt ở pha A hay B hay C hay cả ba pha

 Thời gian dóng cắt CB (transition time).

4 Khối đo điện áp và dòng điện ba pha.

Khối này dùng như một thanh cái, đồng thời dùng để đo điện áp và dòng điệntrên đường dây Khi mắc nối tiếp với thiết bị ba pha, khối này sẽ đo điện áp phahoặc dây và đo dòng điện ba pha.

Trong bảng thông số của khối ta đặt các thông số như sau:

Hình 4: khối đo điện áp và dòng điện

 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

(hoặc dòng điện) đo được sẽ thực hiện theo tín hiệu đã được gán Nếukhông chọn thì điện áp (dòng điện) đo được có giá trị bằng ngỏ ra Vabc

(Iabc) của khối

 Signal label: Chọn tín hiệu để gán chọ điện

áp đo được

 Voltage in pu: Nếu chọn thì điện áp đo

được ở đơn vị tương đối Nếu không thì đo bằng Volt

sẽ không hiện ra nếu không chọn 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 Ampere

 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.

Sau khi cài đặt ta có khối đo dòng điện và điện áp như sau:

5 Khối máy biến áp ba pha

Khối này mô tả một máy biến áp ba pha ba cuộn dây.

Ba cuộn dây của mấy biến áp có thể được đấu nối theo những cách dưới đây:

Sau khi cài đặt ta có thông số của khối như hình sau:

Hình 5: Khối máy biến áp ba pha

6 Khối phụ tải RLC 3 pha mắc nối tiếp :

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

Sau khi liên kết các khối lại với nhau ta sẽ được sơ đồ trạm hoàn chỉnh.

III XÂY DỰNG CÁC SƠ ĐỒ ĐO LƯỜNG VÀ HIỂN THỊ THÔNG SỐ

.1 Xây dựng các sơ đồ đo lường:

Đầu tiên xây dựng khối đo PQ tại các vị trí đặt máy cắt: 171, 172, 431, 432,

112, 331, 332, 312,412

Sử dụng các khối sau đây:

• Khối đo công suất P và Q tức thời của đường dây dựa vào sựthay đổi tuần hoàn của hai tín hiệu điện áp và dòng điện tại thờigian đó

• Khối Goto và From:

• Ngoài ra ta còn sử dụng khối Gain:

Ở khối này ta cài đặt hệ số như sau:

Hình 7: Khối GainGhép các khối lại với nhau ta được sơ đồ đo lường cho nhánh 171 như sau:

Hình 8: Sơ đồ đo công suất

Tương tự cho các sơ đồ đo lương ở các vị trí còn lại

Tiếp theo ta xây dựng sơ đồ đo điện áp tại các vị trí thanh cái phía 110kV,35kV và 22kV

Ta thay thế khối đo công suất bằng khối RMS ta sẽ được sơ đồ đo điện áp tạicác thanh cái

VD: Sơ đồ đo điện áp tại thanh cái C11 phía điện áp 110kV

Hình: Sơ đồ đo điện áp

Tương tự cho các thanh cái còn lại.

Sau khi lập xong các sơ đồ đo lường ta có thể sử dung lệnh Create

Subsystem để đưa tất cả vào chung một khối và đặt vào trong sơ đồ một sợi.

Để hiện thị kết quả ta sử dụng 1 khối From và 1 khối Display cho mỗi vị trí

cần đo

VD: Hiển thị công suất tại vị trí 171

Để hiển thị đồ thì ta dùng 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.

II XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ĐÓNG CẮT CÁC MÁY CẮT VÀ DAO CÁCH LI

Để trạm được vận hành và thực hiện đóng cắt khi có sự cố thì tại các nhánh

có đặt máy cắt và dao cách ly ta phải tạo các khối điều khiển đóng cắt các máy cắt

và dao cách ly

Sử dụng các khối sau để xây dựng sơ đồ điều khiển:

• Khối Constant tạo tín hiệu đầu vào là hằng số ở đây ta

cài đặt cho khối này hai chế độ 1(đóng), 0(cắt)

• Khối Manual switch có tác dụng chuyển đổi giữa 2

yếu tố đầu vào

• Khối Activex ở khối này ta cài đặt như sau:

Hình 11: Khối Activex

• Khối Goto nhận tín hiệu đầu ra đưa đến điều khiển đóng cắt

máy cắt hoặc dao cách li

VD: Tại nhánh 171 trên sơ đồ ta sử dụng 2 dao cách ly và 1 máy cắt thì sơ đồđiều khiển đóng cắt các dao cách ly và máy cắt như sau:

Tương tự cho các máy cắt và dao cách ly ở các nhánh còn lại.(bao gồm máycắt ở các nhánh phụ tải).

V XÂY DỰNG MÔ HÌNH SƠ ĐỒ MỘT SỢI VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM.

Từ sơ đồ ba pha như trên ta có thể xây dụng mô hình sơ đồ một sợi và hệthống giám sát vận hành trạm bằng các khối sau đây:

Liên kết các khối lại với nhau theo mô hình sơ đồ trạm ba pha đã lập ta được

sơ đồ một sợi

Để giám sát và vận hành trạm ta đặt các khối đo lường, điều khiển vào trong

sơ đồ một sợi Ngoài ra ta còn sử dụng khối Powergui.

Khối này 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 khối

Hình 12: Khối Powergui

Khối Powergui giúp ta tính toán mạch theo một trong ba phương pháp:

 Phương pháp liên tục (Continuos method)

 Phương pháp rời rạc hóa mô hình điện (Discretizeelectrical model).

Trong đồ án này ta sử dụng phương pháp Discrete.

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:

Hình 13Hiển 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 chomạng điện ba pha có máy điện ba pha để quá trình mô phỏng được tiến hành từtrạng thái ổn định Công cụ này chỉ sử dụng được khi trong mạch có khối máy điệnđồng bộ đơn giản hay 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 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:

Hình 14Dùng để tính toán các thông số R,L và C dựa trên các số liệu về loại dây dẫnđược chọn trong các tài liệu hay trong các bảng phụ lục

Sau khi đã xây dụng xong các sơ đồ đo lường, điều khiển giám sát và cáckhối hiển thị kết quả ta đặt các khối này vào trong sơ đồ một sợi tại các vị trí thíchhợp ta được sơ đồ một sợi và hệ thống giám sát vận hành trạm hoàn chỉnh nhưhình sau:

Hình 15: SƠ ĐỒ MỘT SỢI VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM

Smax = Pmax + j.Qmax

Ta có đồ thị phụ tải của các cấp điện áp như sau:

Hình 16: ĐỒ THỊ PHỤ TẢI CẤP 35KV