PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đang phát triển nhanh chóng, và Việt Nam cũng đang trên đà chuyển mình từ lắp ráp sang tự sản xuất ô tô Do đó, việc nâng cao hiểu biết và áp dụng công nghệ tiên tiến trong kiểm tra và kiểm định ô tô thông qua mô phỏng là nhiệm vụ cấp bách và quan trọng.
Ngày nay, phần mềm hỗ trợ thiết kế đóng vai trò quan trọng trong công việc của kỹ sư, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả sản xuất Các công cụ này hỗ trợ từ việc tạo bản vẽ chi tiết máy cho đến mô phỏng lắp ghép và kiểm tra độ bền trước khi sản xuất thực tế, giảm thiểu sai sót và tiết kiệm chi phí Trong số đó, Matlab Simulink là phần mềm nổi bật cho những ai học tập và làm việc trong lĩnh vực thiết kế và mô phỏng ô tô Nhóm chúng tôi đã chọn nghiên cứu ứng dụng Matlab Simulink để mô phỏng lượng điện năng sản xuất và tiêu thụ trong 24 giờ.
Mục đích nghiên cứu
Phần mềm Matlab Simulink là công cụ hữu ích cho việc mô phỏng hệ thống mạng lưới điện, phục vụ cho sinh hoạt và sạc ô tô điện trong 24 giờ Bài viết sẽ giúp bạn tìm hiểu các phương pháp và công cụ khảo sát đặc tính đồ thị năng lượng sản xuất và tiêu thụ trong suốt 24 giờ Đồng thời, bạn sẽ làm quen với việc ứng dụng khoa học công nghệ vào thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điện.
Phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về thời gian, điều kiện và trình độ chuyên môn, nhóm tập trung nghiên cứu cách sử dụng phần mềm Matlab Simulink Mục tiêu là ứng dụng phần mềm này để mô phỏng mạng lưới tiêu thụ điện trong 24 giờ.
TỔNG QUAN VỀ MATHLAB, SIMULINK
Khái quát matlab, simulink
MATLAB (Matrix Laboratory) là phần mềm khoa học mạnh mẽ, được thiết kế để thực hiện tính toán số và hiển thị đồ họa thông qua ngôn ngữ lập trình cấp cao Phần mềm này cung cấp tính năng tương tác linh hoạt, cho phép người dùng thao tác dữ liệu dưới dạng mảng ma trận để thực hiện các phép toán và quan sát kết quả Dữ liệu vào có thể được nhập từ "Command line" hoặc từ các "mfiles" đã được lập trình sẵn MATLAB cũng cung cấp các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn, đồng thời cho phép người dùng tạo ra các hộp công cụ riêng với các "mfiles" cho ứng dụng cụ thể Để tìm hiểu thêm về các chức năng và lệnh liên quan, người dùng có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB (dùng lệnh help).
Simulink là một công cụ trong Matlab cho phép mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động qua giao diện đồ họa Việc xây dựng mô hình trở nên dễ dàng với các thao tác nhấp chuột và kéo thả Simulink cung cấp một bộ thư viện khối phong phú, hỗ trợ cả phân tích tuyến tính và phi tuyến Là một phần thiết yếu của Matlab, Simulink cho phép người dùng chuyển đổi linh hoạt giữa hai môi trường, tối ưu hóa quy trình phân tích.
Các kiểu dữ liệu của matlab
MATLAB hỗ trợ 15 kiểu dữ liệu cơ bản, mỗi kiểu đều lưu trữ thông tin dưới dạng ma trận hoặc mảng Kích thước tối thiểu của ma trận hoặc mảng là 0 hàng và 0 cột, trong khi kích thước tối đa có thể là bất kỳ.
Cấu trúc xây dựng phương pháp mô phỏng
Mô hình này mô phỏng 1 lưới điện nhỏ, được chia thành bốn phần quan trọng:
Máy phát điện diesel hoạt động như một máy phát điện cơ bản, cân bằng giữa công suất tiêu thụ và công suất sản xuất Để xác định độ lệch tần số của lưới, ta có thể quan sát tốc độ rôto của máy điện đồng bộ.
Một trang trại PV kết hợp với một trang trại gió, để sản xuất năng lượng tái tạo:
Trang trại năng lượng mặt trời (PV) sản xuất điện dựa trên ba yếu tố chính: diện tích khu vực mà trang trại chiếm giữ, hiệu suất của các tấm pin mặt trời, và dữ liệu bức xạ mặt trời.
Mô hình trang trại gió đơn giản cho thấy rằng năng lượng điện được sản xuất theo mối quan hệ tuyến tính với tốc độ gió Khi gió đạt giá trị danh định, trang trại sẽ cung cấp công suất tối đa Tuy nhiên, nếu tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép, trang trại gió sẽ ngừng hoạt động cho đến khi gió giảm về giá trị danh nghĩa.
Phần tải của lưới điện được mô phỏng để đại diện cho khoảng một nghìn hộ gia đình trong một ngày tiêu thụ thấp vào mùa xuân hoặc mùa thu Mô hình cơ sở có 100 xe điện, tương ứng với tỷ lệ 1:10 giữa ô tô và hộ gia đình, cho thấy tiềm năng hiện thực hóa trong tương lai gần.
Hệ thống V2G được lắp đặt bên cạnh phần cuối cùng của hệ thống là tải của lưới điện:
PHÂN TÍCH MODEL
Tổng quan về Model, điều kiện thử nghiệm
Mô hình này mô phỏng 1 lưới điện nhỏ, được chia thành bốn phần quan trọng:
Máy phát điện diesel hoạt động như một máy phát điện cơ bản, cân bằng giữa công suất tiêu thụ và công suất sản xuất Để xác định độ lệch tần số của lưới điện, có thể kiểm tra tốc độ rôto của máy điện đồng bộ.
Một trang trại PV kết hợp với một trang trại gió, để sản xuất năng lượng tái tạo:
Một trang trại năng lượng mặt trời (PV) tạo ra điện dựa trên ba yếu tố chính: kích thước khu vực mà trang trại chiếm giữ, hiệu suất của các tấm pin mặt trời và dữ liệu bức xạ mặt trời.
Mô hình trang trại gió đơn giản cho thấy rằng năng lượng điện được tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ gió Khi gió đạt giá trị danh định, trang trại gió sẽ phát điện ở công suất tối đa Tuy nhiên, khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng an toàn, trang trại sẽ tạm ngừng hoạt động cho đến khi gió trở lại mức danh nghĩa.
Mô hình tải của lưới điện đại diện cho khoảng một nghìn hộ gia đình trong một ngày tiêu thụ thấp vào mùa xuân hoặc mùa thu Trong mô hình này, có 100 xe điện, tạo ra tỷ lệ 1:10 giữa số lượng ô tô và hộ gia đình Điều này hoàn toàn có thể trở thành hiện thực trong tương lai gần.
Hệ thống V2G được lắp đặt bên cạnh phần cuối cùng của hệ thống là tải của lưới điện:
V2G có hai chức năng chính: kiểm soát mức sạc của pin và điều chỉnh lưới điện bằng cách sử dụng nguồn điện có sẵn trong các sự kiện khác nhau Năm điều kiện thử nghiệm người dùng xe hơi bao gồm: 1) Những người đi làm có khả năng sạc xe tại nơi làm việc; 2) Những người đi làm có khả năng sạc xe nhưng thời gian di chuyển lâu hơn; 3) Những người đi làm không thể sạc xe tại nơi làm việc; 4) Những người ở nhà; và 5) Những người làm ca đêm.
Tải điện sản suất và hộ gia đình
Phụ tải trong hệ thống điện bao gồm phụ tải dân dụng và máy điện không đồng bộ, phản ánh tác động của tải điện công nghiệp lên lưới vi mô Phụ tải dân dụng hoạt động theo điều kiện tiêu thụ với hệ số công suất cố định, trong khi máy điện không đồng bộ được điều khiển dựa trên mối quan hệ bình phương giữa tốc độ rôto và mômen cơ.
Hình 1 Sơ đồ khối của Mô hình
Mô phỏng kéo dài 24 giờ cho thấy cường độ mặt trời tuân theo phân phối chuẩn, với cường độ cao nhất vào giữa trưa Gió có sự biến đổi lớn trong ngày, với nhiều đỉnh và thấp Phụ tải dân cư theo mô hình tiêu thụ điển hình của hộ gia đình, với mức tiêu thụ thấp vào ban ngày, đạt đỉnh vào buổi tối và giảm dần vào ban đêm Ba sự kiện chính sẽ tác động đến tần số lưới điện trong suốt cả ngày.
Khởi động máy không đồng bộ sớm vào giờ thứ ba
Một phần bóng râm vào buổi trưa ảnh hưởng đến sản xuất điện mặt trời
Điều kiện gió tại trang trại gió lúc 22h khi sức gió vượt quá sức gió tối đa cho phép
3.1.3 các kí hiệu trong biểu đồ:
S: công suất toàn phần (VA)
Q: công suất vô công (hao phí, giá trị này càng cao càng không tốt)
Chi tiết các khối lệnh được sử dụng, và các điều kiện đầu vào, ra
Hình 2 Khối điều kiện bắt buộc phải có khi dùng tải bù RLC, máy điện có cuộn dây
Hình 3 Khối máy biến áp
Hình 4 Khối nối đất cho hệ thống điện 3 pha
Hình 5 Khối tạo điện xoay chiều ba pha chuẩn cho máy phát điện năng lượng gió
Hình 6 Khối tải bù RLC để giảm công suất vô công
3.2.2 Hệ máy phát điện năng lượng gió
Hình 7 Khối đo lường điện ba pha, xuất ra các giá trị chuẩn
Hình 8 Khối giả lập lượng gió trong 24h
Hình 10 Biểu đồ gió trong 24h mô phỏng
Hình 9 Hệ các khối mô phỏng turbin gió, xuất ra dòng điện xoay chiều 3 pha, đồng thời là các giá trị V, I, S, P, Q
Hình 11 Biểu đồ Công suất gió trong một ngày
3.2.3 Cánh đồng năng lượng mặt trời
Hiệu suất, diện tích được bao phủ PV và bức xạ tính bằng W / m2 sẽ cho biết công suất do PV tạo ra, với hiệu suất 10% và diện tích 8e4
Hệ khối mô phỏng PV Farm gồm có: Cổng đầu vào, dữ liệu bức xạ, PV Farm, Các phép đo điện áp và dòng điện, các port A, B, C.
Hình 13 Khối nhân hoặc chia Chọn nhân tố hoặc ma trận
Giới hạn tỷ lệ hạn chế tỷ lệ tăng giảm của tín hiệu với tỷ lệ quay vòng tăng 1e4 và giảm -1e4…
Hệ khối mô phỏng IRRADIANCE gồm: Port đầu ra, bảng tra cứu, các trị số không đổi, kết quả thu được và thời gian mô phỏng hiện tại
Hình 15 Cường độ ánh sáng
Khối mô phỏng tín hiệu nhiễu hoạt động trong một khoảng thời gian xác định, được quy định bởi các tham số Start và Duration, với đầu ra được thiết lập là 'Factor' Ngoài khoảng thời gian này, đầu ra sẽ duy trì ở mức 1,0.
Hệ khối mô phỏng tín hiệu nhiễu bao gồm các thành phần chính như thời gian mô phỏng, các phép so sánh hằng số, toán tử logic và tham số không đổi Ngoài ra, hệ thống còn có khối nhân hoặc chia đầu vào, cùng với phép tổng để thêm hoặc bớt đầu vào và đầu ra của hệ khối.
Hình 17 Đồ thị thể hiện Tổng năng lượng: Diesel, Wind, PV FARM Hình 18 Biểu đồ mô phỏng năng lượng mặt trời trong 24 giờ
Máy phát điện chạy dầu cân bằng giữa công suất tiêu thụ và công suất sản xuất.
Ta có thể xác định độ lệch tần số của lưới điện bằng cách xem tốc độ rôto của máy điện đồng bộ của nó.
Các khối trong Diesel Generator
Excitation System (Hệ thống kích từ)
Cung cấp hệ thống kích từ cho máy điện đồng bộ và điều chỉnh điện áp đầu cuối của nó ở chế độ phát
Low-pass filter time constant (Hằng số thời gian bộ lọc thông thấp)
Hình 19 Sơ đồ khối máy phát điện Diesel
Hình 20 Đầu vào Hệ thống kích từ
Hằng số thời gian Tr, tính bằng giây, của hệ thống bậc nhất đại diện cho bộ chuyển đổi điện áp đầu cuối stato Mặc định là 20e-3.
Regulator gain and time constant (Hằng số thời gian và ổn dịnh tăng tích)
Hệ số khuếch đại Ka và hằng số thời gian Ta tính bằng giây, của hệ thống bậc nhất đại diện cho bộ điều chỉnh chính Mặc định là [ 300, 0.001 ].
Hệ số khuếch đại Ke và hằng số thời gian Te, tính bằng giây, của hệ thống bậc nhất đại diện cho máy kích từ Mặc định là [ 1, 0 ].
Transient gain reduction (Giảm tăng tích tạm thời)
Hằng số thời gian Tb, tính bằng giây (giây) và Tc tính bằng giây, của hệ thống bậc nhất biểu thị bộ bù trễ dẫn Mặc định là [ 0, 0 ].
Damping filter gain and time constant (Lọc giảm chấn tăng tích và hằng số thời gian)
Hệ số khuếch đại Kf và hằng số thời gian Tf, tính bằng giây, của hệ thống bậc nhất biểu diễn phản hồi đạo hàm Mặc định là [ 0.001, 0.1 ].
Regulator output limits and gain (Giới hạn đầu ra bộ điều chỉnh và tăng tích)
Giới hạn Efmin và Efmax được áp dụng cho đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp, với Efmax có thể cố định hoặc thay đổi theo điện áp đầu cuối stato đã chỉnh lưu Vtf nhân với độ lợi tỷ lệ Kp Nếu Kp bằng 0, giá trị cũ được giữ nguyên; nếu Kp dương, giá trị mới sẽ được áp dụng Mặc định của các giới hạn này là [-11.5, 11.5, 0].
Các giá trị ban đầu của điện áp đầu cuối Vt0 (pu) và điện áp trường Vf0 (pu) rất quan trọng để bắt đầu mô phỏng ở trạng thái ổn định Điện áp đầu cuối Vt0 thường được đặt là 1 pu Cả hai giá trị Vt0 và Vf0 đều được cập nhật tự động bởi tiện ích dòng tải trong khối Powergui, với giá trị mặc định là [1.0 1.28].
Giá trị mong muốn của điện áp đầu nối stato được tính bằng pu, với vd là thành phần điện áp đầu cuối tính bằng pu và vq là thành phần vq của điện áp đầu cuối cũng tính bằng pu Thêm vào đó, vstab cũng là một yếu tố quan trọng trong việc xác định điện áp này.
Kết nối đầu vào này với bộ ổn định hệ thống điện để cung cấp thêm sự ổn định dao động của hệ thống điện.
Vf Điện áp trường, tính bằng pu, đối với khối Máy đồng bộ.
Diesel Engine Governor (Bộ điều tốc dộng cơ Diesel)
Khối này thực hiện một động cơ diesel và hệ thống điều tốc: Đầu vào thứ nhất và thứ hai: Tốc độ mong muốn và thực tế (pu)
Hình 21 Thông số đầu vào bộ điều tốc Đầu ra: Công suất cơ học của động cơ Diesel Quán tính động cơ nên kết hợp với máy phát điện.
Mô hình động lực học của máy điện đồng bộ ba pha rôto tròn hoặc máy điện đồng bộ cực nổi
Khối Máy đồng bộ có thể hoạt động như máy phát hoặc động cơ, tùy thuộc vào dấu hiệu của công suất cơ học, với công suất dương cho chế độ máy phát và âm cho chế độ động cơ Phần điện của máy được mô phỏng bằng mô hình không gian trạng thái bậc sáu, trong khi phần cơ được thiết kế tương tự như khối Máy đồng bộ đơn giản.
Mô hình bao gồm động lực của cuộn dây stato, trường và van điều tiết, với mạch tương đương được biểu diễn trong hệ quy chiếu rôto (hệ quy chiếu qd) Tất cả thông số rôto và đại lượng điện được quan sát từ stato và được xác định bởi các biến mồi Các chỉ số phụ cũng được xem xét trong mô hình này.
R, s - Số lượng rôto và stato
l, m - Độ tự cảm rò rỉ và nhiễm từ
f, k - Số lượng cuộn dây và van điều tiết
3.2.5 Tải điện hộ gia đình và công nghiệp
Hình 22 Khối đồng bộ ba pha
Hình 23 Hệ các khối giả lập máy điện công nghiệp (Asynchronous Machine)
Hình 24 Biểu đồ các giá trị của máy điện công nghiệp
Hình 26 Khối giả lập tải điện dân dụng
Mô hình tập hợp các loại xe điện bao gồm 5 cấu hình khác nhau, cho phép người dùng tùy chỉnh bằng cách thay đổi phích cắm và bảng tra cứu trạng thái Người dùng có thể điều chỉnh số lượng xe theo từng cấu hình, đồng thời lựa chọn công suất định mức, công suất và hiệu suất của bộ chuyển đổi điện năng theo nhu cầu của mình.
Khối triển khai năm hồ sơ người dùng xe hơi khác nhau bao gồm: Điều kiện thử 1 dành cho những người đi làm có khả năng sạc xe tại nơi làm việc; Điều kiện thử 2 là những người đi làm có khả năng sạc xe tại nơi làm việc nhưng có thời gian đi lâu hơn; Điều kiện thử 3 là những người đi làm không có khả năng sạc xe tại nơi làm việc; Điều kiện thử 4 áp dụng cho những người ở nhà; và cuối cùng, Điều kiện thử 5 dành cho những người làm ca đêm.
Hình 27 Sơ đồ khối giả lập 5 điều kiện
Hình 28 Thông số Mô phỏng 5 profile
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Các biểu đồ thể hiện công suất phát
Hình 30 Tổng công suất phát ra của 3 nguồn năng lượng
Hình 31 Công suất có ích đến mạng lưới tiêu thụ
Các biểu đồ thể hiện công suất tiêu thụ
Hình 32 Công suất tiêu thụ Cư dân (Load Resident)