Simpower-system Page 1 of 545 Nhập môn SimPowerSystems SimPowerSystems and Physical Modeling Sử dụng mô phỏng SimPowerSystems với các sản phẩm MathWorks khác để thiết kế hệ thống điện Using This Guide Hiểu những yêu cầu cơ sở của người sử dụng và cách tiếp cận hiệu quả nhất đối với tài liệu này Simulating a Simple Circuit Xây dựng mạch đơn giản với khối SimPowerSystems và nối với khối Simulink khác Analyzing a Simple Circuit Sử dụng khối Powergui và phân tích đáp ứng tĩnh và miền tần số Simulating Transients Tạo hệ thống điện nhỏ, mô phỏng quá độ, and discretize simple circuits Introducing the Phasor Simulation Method Dùng phưong pháp phasor để phân tích biên độ và pha mạch tuyến tính Mô hình các hệ thống đơn giản SimPowerSystems làm việc trên môi trường Simulink đ . Do đó trước khi bắt đầu với tài liệu này, bạn nên làm quen với Simulink. ở phần trợ giúp Simulink, xem tài liệu Using Simulink. Đến phần chính SimPowerSystems, bạn phải học cách để mô hình và mô phỏng mạch điện. Chương này sắp xếp theo 4 phần, tất cả dựa trên hệ thống điện đơn giản, mà nó trình diễn mô hình mạch, phân tích và mô phỏng. SimPowerSystems and Physical Modeling Sử dụng mô phỏng SimPowerSystems với các sản phẩm MathWorks khác để thiết kế hệ thống điện Using This Guide Hiểu những yêu cầu cơ sở của người sử dụng và cách tiếp cận hiệu quả nhất đối với tài liệu này Simulating a Simple Circuit Xây dựng mạch đơn giản với khối SimPowerSystems và nối với các khối Simulink Simpower-system Page 2 of 545 khác Analyzing a Simple Circuit Sử dụng khối Powergui và phân tích đáp ứng tĩnh và miền tần số Simulating Transients Tạo hệ thống điện nhỏ, mô phỏng quá độ, và làm gián đoạn mạch đơn giản Introducing the Phasor Simulation Method Dùng phưowng pháp phasor để phân tích biên độ và pha mạch tuyến tính SimPowerSystems và mô hình vật lý SimPowerSystems và SimMechanics là sản phẩm mô hình vật lý làm việc cùng với Simulink để mô phỏng điện, cơ và các hệ thống điều khiển. The Role of Simulation in Design Hệ thống điện là sự kết hợp các mạch điện và các thiết bị điện cơ như động cơ và máy phát. Các kỹ sư làm việc trong môn này luôn cải thiện sự làm việc của hệ thống. Các yêu cầu đưa ra ngày càng tăng cao làm cho người thiết kế hệ thống điện sử dụng thiết bị điện tử công suất và những khái niệm hệ thống điều khiển phức tạp là gánh nặng cho các công cụ phân tích và kỹ thuật truyền thống. Xa hơn nữa làm phức tạp cho người phân tích vì hệ thống thường phi tuyến do đó cách duy nhất để hiểu nó là mô phỏng. Thế hệ máy phát điện từ thủy điện, hơi nước, hoặc các thiết bị khác không chỉ dùng cho hệ thống năng lượng. Một thuộc tính chung những hệ năng lượng này là sử dụng những những hệ thống điện tử công suất và hệ thống điều khiển để đạt được những mục tiêu cần thực hiện. SimPowerSystems là công cụ thiết kế hiện đại cho phép các nhà khoa học và các kỹ sư nhanh chóng và dễ dàng xây dựng các mô hình mô phỏng hệ thống điện. SimPowerSystems sử dụng môi trường Simulink, cho phép bạn xây dựng mô hình dùng thủ tục đơn giản nhấp và kéo. Không chỉ có thể vẽ mạch tôpô nhanh chóng mà bạn phân tích mạch có thể tương tác với cơ khí, nhiệt, điều khiển và các môn kỹ thuật khác. Điều này là có thể vì tất cả các phần điện mô phỏng tác động qua lại với thư viện mô hình Simulink mở rộng. Từ đây Simulink sử dụng MATLAB như động cơ tính toán, người thiết kế cũng có thể sử dụng các công cụ MATLAB và các khối Simulink. SimPowerSystems và SimMechanics chia sẻ khối mô hình vật lý đặc biệt và kết nối giao diện. Các thư viện SimPowerSystems Bạn có thể nhanh chóng đưa SimPowerSystems vào làm việc. Các thư viện chứa các mô hình thiết bị điện tiêu biểu như máy biến áp, đường dây, động cơ và điện tử công suất. Các mô hình này đã được các tài liệu chứng minh, tính hợp lý Simpower-system Page 3 of 545 dựa kinh nghiệm trong phòng thí nghiệm kiểm tra và mô phỏng hệ thống năng lượng của Hydro-Quybec, một vùng Bắc Mỹ rộng lớn ở Canada, và ở Ecole de Technologie superieure và đại học Laval. Minh họa khả năng của SimPowerSystems là mô hình hệ thống điện tiêu biểu. Và người sử dụng muốn củng cố kiến thức về lý thuyết hệ thống, cũng có các trường hợp tự nghiên cứu. Yêu cầu và sản phẩm liên quan Bạn phải cài đặt các sản phẩm sau để sử dụng SimPowerSystems:  MATLAB 7.0  Simulink 6.0 Ngoài SimPowerSystems, gia đình sản phẩm mô hình vật lý bao gồm SimMechanics, để mô hình và mô phỏng các hệ thống cơ khí. Sử dụng cùng lúc các sản phẩm này để mô hình các hệ thống vật lý trong Simulink. Có môt số toolbox liên quan và một số sản phảm khác của MathWorks mà bạn có thể sử dụng với SimPowerSystems. Những thông tin cụ thể hơn về các sản phẩm này, xem Web site MathWorks ở địa chỉ http://www.mathworks.com; xem phần "Products". Sử dụng tài liệu Nếu bạn là người mới sử dụng Bắt đầu từ chương này và các chương kế tiếp học cách:  Xây dựng và mô phỏng mạch điện sử dụng thư viện powerlib  Giao diện một mạch điện với các khối Simulink  Phân tích trạng thái ổn định và đáp ứng tần số của mạch điện  Ngắt mô hình để tăng tốc độ mô phỏng, đặc biệt cho các mạch điện tử công suất và hệ thống công suất lớn  Sử dụng phương pháp mô phỏng phasor  Xây dựng các mô hình không tuyến tính cho riêng bạn Nếu bạn là người có kinh nghiệm Xem chi tiết ở Release Notes. Cũng nên xem các chương:  Modeling Simple Systems học cách mô phỏng các mạch điện theo ý mình  Advanced Components and Techniques học cách mô phỏng phasor để nghiên cứu ổn định quá trình quá độ các hệ thống nhiều máy  Improving Simulation Performance học cách tăng tốc độ mô phỏng All SimPowerSystems Users Simpower-system Page 4 of 545 Những thông tin tham khảo các khối, ví dụ đơn giản, và các công cụ GUI cơ bản, sử dụng SimPowerSystems Block Reference. Với các câu lệnh, liên quan đến phần SimPowerSystems Command Reference có tóm tắt cú pháp lệnh, giải thích đầy đủ các tùy chọn và làm việc. Đơn vị Tài liệu này sử dụng hệ thống đơn vị quốc tế (SI) và hệ thống đơn vị tương đối (p.u.). Xem chi tiết ở phụ lục A, "Technical Conventions". Mô phỏng mạch điện đơn giản SimPowerSystems cho phép bạn xây dựng và mô phỏng các mạch điện có các thành phần tuyến tính hoặc phi tuyến. Trong phần này bạn  Khám phá thư viện powerlib của SimPowerSystems  Học cách để xây dựng mạch điện đơn giản từ thư viện powerlib  Nối các khối Simulink Mạch điện bên dưới thể hiện hệ thống điện tương đương đường dây truyền tải dài 300 km. Bù cảm ở cuối đường dây. Máy cắt cho phép đường dây làm việc hoặc không. Để đơn giản chỉ thể hiện một pha. Các thông số trên hình vẽ là kiểu hệ thống 735 kV. Hình 1-1: Mạch để mô phỏng bằng SimPowerSystems Xây dựng mạch điện bằng thư viện powerlib Giao diện đồ họa người sử dụng dùng các chức năng của Simulink để nối liền các phần điện khác nhau. Các phần điện nhóm trong thư viện đặc biệt gọi là powerlib. Nhập lệnh sau ở dấu nhắc của MATLAB Mở để mở thư viện SimPowerSystems:  powerlib Lệnh này hiển thị cửa sổ Simulink có các khối thư viện khác. Simpower-system Page 5 of 545 Bạn có thể mở các thư viện này sẽ hiện lên các cửa sổ có các khối có thể copy vào mạch của bạn. Thể hiện mỗi thành phần bằng biểu tượng (icon) đặc biệt có một hoặc nhiều đầu vào hoặc đầu ra tương ứng với các đầu của thành phần: 1. Từ menu File của cửa sổ powerlib, mở một cửa sổ mới chứa mạch đầu tiên của bạn và lưu với tên circuit1. 2. Mở thư viện nguồn và copy khối AC Voltage Source vào cửa sổ circuit1. 3. Mở hộp hội thoại AC Voltage Source bằng cách nhấp đôi chuột vào biểu tượng và nhập các thông số biên độ, pha và tần số theo các giá trị cho trên hình 1-1. 1. Lưu ý rằng xác định biên độ cho nguồn hình sin có giá trị đỉnh là (424.4e3*sqrt(2) volts). 4. Thay đổi tên khối từ Voltage Source thành Vs. 5. Copy khối Parallel RLC Branch, trong thư viện Elements của powerlib, đặt các thông số cho khối như trong hình 1-1, và tên là Z_eq. 6. Điện trở mạch Rs_eq có ở khối Parallel RLC Branch. Nhấp đôi chuột vào khối Parallel RLC Branch, có trên cửa sổ circuit1, đặt thông số R theo hình 1-1, và đặt thông số L và C tương ứng là vô cùng (inf) và 0 (0). 1. Khi đóng hộp hội thoại lưu ý thành phần L và C biến mất vì vậy boểu tượng bây giờ chỉ còn điện trở. Kết quả tương tự đối với khối Series RLC Branch bằng cách đặt L và C tương ứng là 0 và inf. 7. Tên khối này là Rs_eq. 8. Thay đổi kích thước các thành phần và nối các khối lại với nhau bằng cách kéo các đường từ đầu ra đến đầu vào khối thích hợp. Simpower-system Page 6 of 545 Để hoàn thành mạch hình 1-1, bạn cần thêm đường dây truyền tải và điện kháng shunt. Bạn thêm máy cắt sau trong phần Simulating Transients. Mô hình đường dây với các thông số phân phối R, L, và C không đổi thông thường có thời gian trễ bằng thời gian truyền sóng trên đường dây. Mô hình này không thể mô phỏng như hệ tuyến tính vì trễ tương ứng với số trạng thái hữu hạn. Tuy nhiên, thích hợp nhất với đường dây có số trạng thái hữu hạn có thể có bằng cách ghép nối vài mạch PI, mỗi PI thể hiện một phần nhỏ đường dây. Phần PI có nhánh R-L nối tiếp và 2 nhánh shunt C. Mô hình chính xác tùy thuộc vào số PI dùng cho mô hình. Copy khối PI Section Line từ thư viện Elements vào cửa sổ circuit1, đặt thông số như trong hình 1-1. Mô hình điện kháng shunt bằng điện trở nối tiếp với điện cảm. Bạn có thể dùng khối Series RLC Branch để mô hình điện kháng shunt, trừ khi bạn tính toán bằng tay và đặt các giá trị R và L từ hệ số phẩm chất và công suất phản kháng xác định trong hình 1-1. Do vậy, bạn có thể thấy thuận lợi hơn khi sử dụng khối Series RLC Load cho phép xác định trực tiếp công suất tác dụng và phản kháng do điện kháng shunt tiêu thụ. Copy khối Series RLC Load, trong thư viện Elements của powerlib. Tên khối này là 110 Mvar. Đặt các thông số như sau: Vn 424.4e3 V fn 60 Hz P 110e6/300 W (quality factor = 300) QL 110e6 vars Qc 0 Lưu ý, khi không có dung lượng điện dung xác định, tụ xuất hiện trên biểu tượng khối khi đóng hộp hội thoại. Nối các khối mới lại với nhau như hình vẽ. Simpower-system Page 7 of 545 Bạn cần khối Voltage Measurement để đo điện áp ở nút B1. Khối này có trong thư viện Measurements của powerlib. Copy và đặt tên là U1. Nối đầu dương đến nút B1 và đầu vào âm đến khối Ground mới. Để quan sát điện áp đo bằng khối Voltage Measurement tên là U1, cần một hệ thống hiển thị. Điều này có thể thực hiện với bất kì thiết bị nào tìm trong thư viện Sinks của Simulink. Mở thư viện Sinks của Simulink và copy khối Scope vào cửa sổ circuit1. Nếu scope đã nối trực tiếp ở đầu ra đo áp, nó sẽ hiển thị áp là volts. Tuy nhiên, các kỹ sư điện sử dụng các đại lượng thông thường (hệ thống đơn vị tương đối). Điện áp bình thường giá trị volts chia cho điện áp cơ bản tương ứng giá trị đỉnh điện áp định mức hệ thống. Trong trường hợp này hệ số tỉ lệ K là  Copy khối Gain từ thư viện Simulink và đặt hệ số khuyếch đại ở trên. Nối đầu ra với khối Scope và nối đầu ra khối Voltage Measurement với khối Gain. Copy hệ thống đo điện áp này đến nút B2 như hình vẽ dưới. Giao diện mạch với Simulink Khối Voltage Measurement làm việc như một giao diện giữa khối SimPowerSystems và khối Simulink. Đối với hệ thống ở trên, bạn đã thực hiện như Simpower-system Page 8 of 545 một giao diện từ hệ thống điện thành hệ thống Simulink. Khối Voltage Measurement chuyển đổi giá trị điện áp đo được thành các tín hiệu Simulink. Lưu ý rằng khối Current Measurement từ thư viện Measurements của powerlib cũng có thể sử dụng để chuyển đổi bất kì dòng điện đo được nào thành tín hiệu Simulink. Bạn cũng có thể giao diện các khối từ Simulink với hệ thống điện. Ví dụ, bạn có thể dùng khối Controlled Voltage Source để xen điện áp vào mạch điện như hình vẽ sau. Electrical Terminal Ports and Connection Lines: SimPowerSystems là một phần môi trường mô hình vật lý. Các khối thường có cả 2 cổng đầu vào và đầu ra Simulink thông thường > và cổng đầu cuối đặc biệt : o Các đường nối cổng Simulink thông thường > là các đường tín hiệu trực tiếp. o Các đường nối các cổng đầu cuối là các đường nối đặc biệt. Có thể phân nhánh các đường vô hướng, nhưng bạn không thể nối chúng với cổng Simulink > hoặc với đường tín hiệu Simulink thông thường. o Bạn có thể nối cổng Simulink > chỉ đến các cổng Simulink khác và các cổng đầu cuối chỉ đến các cổng đầu cuối khác. o Chuyển đổi tín hiệu Simulink thành nối điện hoặc yêu cầu ngược lại dùng khối SimPowerSystems làm nổi bật cả các cổng Simulink và đầu cuối. Đặc tính một vài khối SimPowerSystems chỉ kiểu 1 cổng. Mô phỏng mạch Simpower-system Page 9 of 545 Bây giờ bạn có thể bắt đầu mô phỏng từ menu Simulation. Dòng lệnh hiển thị câu thông báo SimPowerSystems trong thời gian phân tích mô hình. Bạn có thể bỏ những thông báo bằng cách kéo khối Powergui trong mô hình của bạn và xóa Show messages during simulation. Xem tham khảo khối Powergui để có những trình bày cụ thể hơn khối này. Khi đang chạy mô phỏng, mở hộp hội thoại khối Vs và thay đổi biên độ. Quan sát ảnh hưởng từ 2 scope. Bạn cũng có thể thay đổi tần số và góc pha. Bạn có thể phóng to dạng sóng trên cửa sổ scope bằng cách vẽ một khung chữ nhật xung quanh vùng quan tâm bằng nút trái chuột. Lưu ý: Để mô phỏng mạch điện này sử dụng thuật toán tích phân mặc định (ode45). Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng của SimPowerSystems, mạch của bạn có các khóa và các mô hình phi tuyến khác. Trong mỗi trường hợp bạn phải xác định thuật toán tích phân khác. Điều này thảo luận trong Simulating Transients (mô phỏng quá độ), khi thêm máy cắt vào mạch. Phân tích mạch đơn giản Trong phần này bạn  Sử dụng khối Powergui (giao diện đồ họa người sử dụng)  Thiết lập các đầu ra trạng thái ổn định của hệ thống  Phân tích mạch với lệnh power_analyze  Phân tích mạch và phạm vi tần số Phân tích trạng thái ổn định Để dễ dàng phân tích trạng thái ổn định của mạch, thư viện powerlib có một khối giao diện đồ họa người sử dụng (GUI). Copy khối Powergui vào mạch circuit1 và nhấp đôi chuột trên biểu tượng để mở khối. Từ menu Analysis tools khối Powergui, chọn Steady-State Voltages and Currents. Nó sẽ mở cửa sổ Steady-State Tool đo các pha trạng thái ổn định bằng 2 khối đo hiển thị theo dạng cực. Simpower-system Page 10 of 545 Xác định mỗi đầu ra đo bằng chuỗi tương ứng tên khối đo. Biên độ pha U1 và U2 tương ứng với giá trị đỉnh điện áp hình sin. Từ cửa sổ Steady-State Tool, bạn cũng có thể hiển thị giá trị trạng thái ổn định điện áp nguồn hoặc giá trị trạng thái ổn định các trạng thái bằng cách chọn ô kiểm tra Sources hoặc States. . Simpower- system Page 1 of 545 Nhập môn SimPowerSystems SimPowerSystems and Physical Modeling Sử dụng mô phỏng SimPowerSystems với các sản. All SimPowerSystems Users Simpower- system Page 4 of 545 Những thông tin tham khảo các khối, ví dụ đơn giản, và các công cụ GUI cơ bản, sử dụng SimPowerSystems