Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hãm của tàu điện đường sắt đô thị Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

–––––––––––––o0o–––––––––––––

AN THỊ HOÀI THU ANH

VỀ MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG HÃM CỦA TÀU ĐIỆN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

–––––––––––––o0o–––––––––––––

AN THỊ HOÀI THU ANH

VỀ MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG HÃM CỦA TÀU ĐIỆN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. NGUYỄN THANH HẢI

2. PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN

HÀ NỘI – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này

là thành quả nghiên cứu của tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và

chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được

là chính xác và trung thực.

Tác giả luận án

An Thị Hoài Thu Anh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn,

PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải – hai người Thầy hướng dẫn khoa học của luận án

đã chỉ bảo tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ và động viên tôi trong

suốt quá trình thực hiện luận án.

Cảm ơn Các Thầy, Cô Bộ môn Điều khiển học, Phòng Đào tạo Sau đại học

Trường Đại học Giao thông Vận tải - cơ sở đào tạo NCS đã giúp đỡ tận tình và

góp ý để tác giả có thể hoàn thành luận án.

Cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Điện - Điện tử, cùng các bạn đồng nghiệp

Bộ môn Kỹ thuật điện – Trường ĐH Giao thông Vận tải với những sự hỗ trợ

về công việc tại cơ quan công tác trong quá trình tác giả thực hiện luận án.

Cảm ơn Ban Lãnh đạo cùng toàn thể cán bộ Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự

động hóa Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, Các Thầy Cô bộ môn Tự động hóa

Công nghiệp Trường ĐHBK Hà Nội đã cho phép tác giả được sinh hoạt chuyên

môn tại Viện và Bộ môn.

Cảm ơn TS. Vũ Hoàng Phương (Bộ môn Tự động hóa công nghiệp – Trường

ĐH Bách khoa Hà Nội), ThS. Nguyễn Văn Quyền (Bộ môn Cơ học ứng dụng –

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ, trao đổi chuyên môn trong quá trình

nghiên cứu, và triển khai thí nghiệm.

Tôi dành những lời biết ơn chân thành nhất gửi đến gia đình. Sự động viên,

chia sẻ và giúp đỡ của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó

khăn để hoàn thành luận án này.

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................ ii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................ xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................. xii

MỞ ĐẦU .................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM ............................................................... 8

1.1. Các loại hình giao thông điện ........................................... 8

1.1.1. Giao thông điện đường sắt Quốc gia .................................. 9

1.1.2. Giao thông điện đô thị..................................................... 10

1.2. Cấu trúc chung hệ thống cung cấp điện giao thông điện đô thị ..................................................................................... 10

1.3. Tiêu chuẩn cấp điện ....................................................... 12

1.3.1. Điện cung cấp cho sức kéo EN 50163 và IEC 60850 ........ 12

1.3.2. Điện hạ áp ....................................................................... 13

1.4. Năng lượng sử dụng trong hệ thống đường sắt đô thị .... 14

1.4.1. Phân loại năng lượng sử dụng cho đoàn tàu .................... 14

1.4.2. Các tổn thất năng lượng của đoàn tàu ............................. 14

1.5. Tình hình nghiên cứu các giải pháp thu hồi năng lượng hãm hiệu quả năng lượng cấp cho tàu điện đô thị ................ 15

1.5.1. Các nghiên cứu trong nước .............................................. 15

1.5.2. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................... 15

1.5.2.1. Các nhóm nghiên cứu về thu hồi năng lượng hãm tái sinh ........19

1.5.2.2. Các nhóm nghiên cứu về lái tàu hiệu quả năng lượng ............... 25

1.6. Lựa chọn hướng nghiên cứu và những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án .................................................................. 29

Kết luận chương 1 ................................................................. 31

CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐOÀN TÀU VÀ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ ................................... 33

2.1. Mô hình hóa đoàn tàu .................................................... 34

2.1.1. Phân loại các hệ truyền động sức kéo .............................. 34

2.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ....................... 36

2.1.3. Đồ thị chạy tàu ............................................................... 37

2.1.4. Mô hình hóa đoàn tàu ..................................................... 40

2.1.4.1. Các lực tác động lên đoàn tàu ....................................................41

2.1.4.2. Phương trình chuyển động của đoàn tàu ................................... 48

2.1.4.3. Phương trình chuyển động của động cơ ..................................... 49

2.2 Mô hình hóa thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ ............ 51

2.2.1. Giới thiệu một số thiết bị tích trữ năng lượng ............... 51

2.2.2. Cấu trúc thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ .................. 54

2.2.3 Tính toán dung lượng siêu tụ ........................................... 55

2.2.4. Mô hình hóa kho điện siêu tụ .......................................... 57

2.2.5. Mô hình hóa bộ biến đổi hai chiều DC-DC Interleave .... 59

2.2.5.1. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC Interleave ba nhánh van ..........................................................................................................60

2.2.5.2. Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van....... 62

Kết luận chương 2 ................................................................. 66

CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG VẬN HÀNH ĐOÀN TÀU CÓ SIÊU TỤ .......................................... 67

3.1. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave ..................... 68

3.1.1. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện ....................... 69

3.1.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp - điều khiển điện áp DC-link ................................................................................ 74

3.1.3. Kiểm chứng thiết kế bộ biến đổi DC-DC Interleave ........ 76

3.2. Tổng quát điều khiển tối ưu hệ liên tục ......................... 78

3.2.1. Đối tượng điều khiển ....................................................... 79

3.2.2. Trạng thái đầu và cuối của điều khiển ............................ 79

3.2.3. Tiêu chuẩn tối ưu ............................................................ 80

3.2.4. Lớp điều khiển cho phép .................................................. 80

3.2.5. Bài toán điều khiển tối ưu tổng quát ............................... 81

3.3. Nguyên lý cực đại của Pontryagin ................................. 81

3.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu chuyển động đoàn tàu theo nguyên lý cực đại của Pontryagin ........................... 85

3.4.1. Tiêu chuẩn tối ưu ............................................................ 85

3.4.2. Điều khiển tối ưu năng lượng chạy tàu theo nguyên lý cực đại của Pontryagin .................................................................... 87

3.4.2.1. Xây dựng phương trình chuyển động và hàm mục tiêu .............88

3.4.2.2. Tối ưu quỹ đạo chuyển động của một đoàn tàu trên cơ sở PMP ........................................................................................................ 92

3.4.3. Điều kiện chuyển các chế độ vận hành tối ưu và biến đồng trạng thái .................................................................................. 96

3.4.3.1. Đoàn tàu chạy trên tuyến đường bằng, không bị hạn chế bởi tốc độ ............................................................................................................96

3.4.3.2. Đoàn tàu chạy trên tuyến đường có độ dốc thay đổi .................97

Kết luận chương 3 ................................................................. 99

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .. 100

4.1. Mô phỏng Off-line ......................................................... 100

4.1.1. Chương trình mô phỏng hệ thống tàu điện với SCESS trên tuyến Cát Linh - Hà Đông ...................................................... 101

4.1.2. Chương trình mô phỏng profile tốc độ tối ưu chạy tàu trên tuyến Cát Linh -Hà đông áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin với hệ thống tàu điện có tích hợp SCESS. ............ 110

4.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm thiết bị kho điện .......... 122

Kết luận chương 4 ............................................................... 126

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 128

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................... 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................... 132

PHỤ LỤC .............................................................................. 140

Phụ lục 1. Tính toán và lựa chọn bộ tích trữ năng lượng siêu tụ ......................................................................................... 140

Phụ lục 2. Phương trình vi phân chuyển động của đoàn tàu có sử dụng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu ...... 142

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắt

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

ESS Thiết bị tích trữ năng lượng (Energy Storage System)

SCESS Hệ thống tích trữ năng lượng siêu tụ (Super-Capacitor Energy

Storage System)

Hệ thống hỗ trợ lái tàu (Driving Assistance System) DAS

Hệ thống lái tàu tự động (Automated Train Orgnization) ATO

PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet

Synchronous Motor)

Điều hòa thông gió HVAC

Nghịch lưu nguồn áp ba pha DC-AC

Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly DC-DC

Nguyên lý cực đại của Pontryagin (Pontryagin' Maximum PMP

Principle)

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI

Bộ điều khiển có thời gian đáp ứng hữu hạn (Finite Response FRT

Time)

ĐC KĐB Động cơ không đồng bộ

ĐC ĐK Động cơ điện kéo

Bộ biến đổi BBĐ

Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc (Induction Motor) IM

Truyền động điện TĐĐ

Điều khiển vô hướng U/F

Điều khiển áp đặt mô men (Direct Torque Control) DTC

Điều khiển tựa từ thông rô to (Flux Oriented Control) FOC

Lực kéo lớn nhất (Full Power) FP

Lực kéo một phần (Partial Power) PP

Chạy đà (Coasting) C

vii

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

FB Lực hãm lớn nhất (Full Braking)

PB Lực hãm một phần (Partial Braking)

DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor)

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

NLNA Nghịch lưu nguồn áp

NL Nghịch lưu

PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)

SOC Trạng thái nạp của siêu tụ (State of Charge)

viii

Các ký hiệu

Ký hiệu Ý nghĩa

Lực kéo bám

Hệ số bám tính toán

Trọng lực bám của đầu máy

Lực cản chuyển động chính của đoàn tàu

windF

Lực cản gió

rollF

Lực cản ma sát

fA Mặt cắt lớn nhất của đoàn tàu

Hệ số cản không khí

Tốc độ đoàn tàu

wind

Tốc độ gió

Hệ số cản lăn

Khối lượng đoàn tàu

m ki

Độ dốc của đường

Hệ số quán tính của đoàn tàu

trF

Lực kéo đoàn tàu

brF

Lực hãm đoàn tàu do hãm điện

mbF

gradF Lực cản sinh ra do độ dốc của đường

tru Biến điều khiển lực kéo

Lực hãm đoàn tàu do phanh cơ khí

bru

Biến điều khiển lực hãm

trf

Lực kéo đơn vị

brf

Lực hãm điện đơn vị

mbf

Lực hãm đơn vị bằng phanh cơ

Hệ số chuyển đơn vị

elT Mô men điện từ

Ký hiệu Ý nghĩa

mJ Mô men quán tính của động cơ

eqJ Mô men quán tính của đoàn tàu được quy về trục động cơ

Mô men tải

whD

Đường kính bánh xe

Số lượng động cơ

Tỷ số truyền

t morh

Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ

genh

Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ máy phát

mechh

,m vw Vận tốc góc của động cơ

Hiệu suất của hộp số

SCU -

max

Điện áp làm việc lớn nhất của dàn siêu tụ

SCU -

min

Điện áp làm việc bé nhất của dàn siêu tụ

U -

SC inM

Điện áp dàn siêu tụ ở chế độ sẵn sàng hoạt động

SCE -

max

SCP Công suất siêu tụ

Năng lượng huy động tối đa từ dàn siêu tụ

invh

Hiệu suất biến tần

SCh

SCN Số module siêu tụ

Hiệu suất siêu tụ

N N , s

Số lượng siêu tụ mắc nối tiếp, song song

C Giá trị tụ điện của mạch DC-Link trong SCESS

SCC

Giá trị điện dung của dàn siêu tụ trong SCESS

Hệ số điều chế của BBĐ DC-DC

Hệ số điều chế tín hiệu nhỏ của BBĐ DC-DC d d

D Giá trị xác lập của hệ số điều chế BBĐ DC-DC

Ký hiệu Ý nghĩa

Giá trị tức thời của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC

Li Li

Giá trị tín hiệu nhỏ của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC

invi

Dòng điện phía DC-AC trao đổi với lưới quy đổi về phía một

chiều

H Hàm Hamilton

,p p 1 2

Biến đồng trạng thái

J Hàm mục tiêu

Nhân tử Lagrange

L Giá trị điện cảm của mạch DC-DC

Giá trị điện trở của mạch DC-DC

SCR

Giá trị điện trở của siêu tụ

SCC

Giá trị điện dung của siêu tụ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1.

Thông số điện áp cho phép trên cần tiếp xúc theo tiêu chuẩn EN 50163 ......................................................................................... 12

Bảng 1.2. Đánh giá chung các giải pháp hiệu quả năng lượng trong đường sắt đô thị ...................................................................................16

Các minh chứng thử nghiệm ESS đặt trên tàu ......................... 20 Bảng 1.3.

Các minh chứng ESS đặt nhà ga/dọc tuyến chạy tàu .............. 21 Bảng 1.4.

Bảng 1.5.

So sánh ưu, nhược điểm của các biện pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh .............................................................................. 22

So sánh các động cơ điện kéo [40] ............................................. 35 Bảng 2.1.

So sánh các phương pháp điều khiển truyền động sức kéo ....... 36 Bảng 2.2.

Thông số đo lực kéo /01 động cơ .............................................. 43 Bảng 2.3.

Thông số đo lực hãm/01 động cơ .............................................. 43 Bảng 2.4.

Tính toán bộ tích trữ năng lượng siêu tụ ..................................57 Bảng 2.5.

Các thông số của động cơ điện kéo ......................................... 102 Bảng 4.1.

Các tham số chính của đoàn tàu ............................................. 102 Bảng 4.2.

Bảng 4.3.

So sánh năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu khi có/không có PMP ........................................................................................ 120

Tham số thí nghiệm thiết bị kho điện SCESS ........................ 123 Bảng 4.4.

Bảng PL.1. Thông số của siêu tụ maxwell BMOD0063 P125 ...................... 140

Bảng PL.2. Thông số của tàu điện tuyến Cát linh - Hà đông ..................... 140

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.

So sánh lượng khí thải C02 của một số phương tiện giao thông [74] .............................................................................................. 1

Phân loại giao thông điện [24] .................................................... 9 Hình 1.2.

Sơ đồ hệ thống cung cấp điện cho giao thông điện tại Hà Nội .11 Hình 1.3.

Cấu trúc hệ thống cấp điện hai phía [24] .................................. 12 Hình 1.4.

Tiêu thụ năng lượng trong hệ thống tàu điện đô thị ................14 Hình 1.5.

Hình 1.6.

Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong giao thông điện đường sắt [31] .......................................................................................16

Hình 1.7.

Các chiến lược quản lý hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu. ............................................................................................19

ESS đặt trên tàu ....................................................................... 20 Hình 1.8.

ESS đặt tại trạm điện kéo hay trên tuyến ................................ 20 Hình 1.9.

Hình 1.10. Trạm điện kéo có dòng năng lượng chảy hai chiều ................... 22

Hình 1.11. Điều độ chạy tàu ....................................................................... 24

Hình 1.12. Tối ưu hành trình chạy tàu [89] ................................................ 26

Hình 1.13. Xác định profile tốc độ chạy tàu tối ưu .................................... 28

Hình 1.14. Cấu trúc được lựa chọn để nghiên cứu ...................................... 30

Hệ truyền động tàu điện có tích hợp SCESS ............................ 33 Hình 2.1.

Hệ thống tàu điện đô thị sử dụng động cơ điện kéo một chiều . 34 Hình 2.2.

Hình 2.3.

Hệ TĐĐ lưới cấp một chiều sử dụng ĐCKĐB xoay chiều 3 pha ............................................................................................ 35

Đồ thị chạy tàu trường hợp 1 ................................................... 37 Hình 2.4.

Đồ thị chạy tàu trường hợp 2 ................................................... 38 Hình 2.5.

Đồ thị chạy tàu trường hợp 3 ................................................... 38 Hình 2.6.

Đồ thị chạy tàu trường hợp 4 ................................................... 39 Hình 2.7.

Sơ đồ điện hệ thống tàu điện đô thị .......................................... 40 Hình 2.8.

Sơ đồ các loại lực tác động nên đoàn tàu [1] .............................41 Hình 2.9.

Hình 2.10. Sự sản sinh lực kéo vành bánh xe ............................................. 42

Hình 2.11. Đặc tính lực kéo/01 động cơ ..................................................... 42

Hình 2.12. Đặc tính lực hãm điện/01 động cơ ............................................ 42

Hình 2.13. Đường hồi quy lực kéo/01 động cơ ............................................ 45

Hình 2.14. Đường hồi quy lực hãm điện/01 động cơ .................................. 45

xiii

Hình 2.15. Đặc tính kéo của đầu máy ........................................................ 45

Hình 2.16. Các thành phần lực tác dụng lên đoàn tàu ............................... 46

Hình 2.17. Cấu hình điển hình của hệ thống tích trữ năng lượng .............. 52

Hình 2.18. Đặc tính Ragone của các thiết bị dự trữ năng lượng ................ 52

Hình 2.19. Đặc tính Ragone phân bố thời gian các thiết bị lưu trữ năng lượng/giải phóng năng lượng ..................................................... 53

Hình 2.20. Cấu trúc SCESS được tích hợp với hệ truyền động sức kéo thông qua bộ biến đổi DC-DC Interleave ............................................ 54

Hình 2.21. Quá trình nạp và xả khi hệ truyền động trong chế độ hãm và kéo ..................................................................................................56

Hình 2.22. Mô hình của siêu tụ ..................................................................58

Hình 2.23. Phân loại các bộ biến đổi DC-DC hai chiều [3].........................59

Hình 2.24. Cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi DC-DC Interleave .............60

Hình 2.25. Dạng sóng của dòng điện trên các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với hệ số điều chế d = 0.75 ................................................61

Hình 2.26. Dạng sóng của dòng điện trên các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với hệ số điều chế d = 0.25 ................................................61

Hình 2.27. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC một nhánh van ........... 62

Hình 2.28. Chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van trong chế độ nạp (Buck) ................................................................................ 63

Hình 2.29. Chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc trong chế độ xả (Boost) ...................................................................... 64

Hình 2.30. Mô hình động học trung bình của BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van .................................................................................65

Hình 2.31. Mạch điện tương đương được biểu diễn theo tín hiệu trung bình của BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van ..............................66

Cấu trúc điều khiển tổng thể năng lượng vận hành đoàn tàu ..67 Hình 3.1.

Hình 3.2.

Sơ đồ khối phương pháp điều khiển dòng điện theo nguyên lý dòng điện trung bình cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều ...........68

Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện ................................69 Hình 3.3.

Cấu trúc mạch vòng dòng điện dưới dạng hàm truyền .............71 Hình 3.4.

Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng .......................................... 74 Hình 3.5.

Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng dưới dạng hàm truyền ......75 Hình 3.6.

Hình 3.7. Giá trị dòng điện iL trong các nhánh và dòng điện tổng ..........76

xiv

Hình 3.8.

Trạng thái nạp, điện áp, dòng điện của siêu tụ trong một chu trình chạy tàu ...........................................................................77

Nạp/xả siêu tụ khi đoàn tàu có tích hợp SCESS ......................77 Hình 3.9.

Hình 3.10. Sơ đồ khối xác định năng lượng tối ưu vận hành đoàn tàu ......88

Hình 3.11. Đặc tính chạy tàu...................................................................... 92

Hình 3.12. Sơ đồ chuyển các chế độ trên tuyến đường bằng ......................96

Hình 3.13. Các chế độ vận hành và biến đồng trạng thái p của chiến lược PMP ..........................................................................................97

Hình 3.14. Các chế độ vận hành khi đoàn tàu chạy trên tuyến đường có độ dốc thay đổi ..............................................................................98

Hình 3.15. Đặc tính tốc độ và biến liên hợp p với tuyến có độ dốc thay đổi .............................................................................................98

Chu trình chạy tàu .................................................................. 101 Hình 4.1.

Hình 4.2. Mô phỏng hai đoàn tàu ........................................................... 103

Sơ đồ mạch lực được thiết kế cho 01 đoàn tàu ....................... 103 Hình 4.3.

Thiết kế mạch vòng điều khiển cho 01 đoàn tàu .................... 104 Hình 4.4.

Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 hãm và T2 kéo ..................... 105 Hình 4.5.

Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 hãm và T2 kéo......... 105 Hình 4.6.

Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi T1 hãm và T2 kéo ......... 106 Hình 4.7.

Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 và T2 kéo ............................. 106 Hình 4.8.

Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 và T2 kéo ................. 107 Hình 4.9.

Hình 4.10. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi T1 và T2 kéo ................. 107

Hình 4.11. Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 và T2 kéo, đoàn tàu có tích hợp SCESS ..................................................................................... 108

Hình 4.12. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi có SCESS ...................... 109

Hình 4.13. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi có SCESS ...................... 109

Hình 4.14. Đặc tính lực kéo lớn nhất /01 động cơ .................................... 110

Hình 4.15. Đặc tính lực hãm lớn nhất /01 động cơ .................................. 111

Hình 4.16. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Cát Linh - La Thành ................................................................................. 111

Hình 4.17. So sánh thời gian chạy tàu tối ưu/không tối ưu từ Cát Linh - La Thành ...................................................................................... 111

Hình 4.18. So sánh profile vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Cát Linh - La Thành .......................................................... 112

Hình 4.19. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Cát Linh - La Thành ...................................................................... 112

Hình 4.20. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ La Thành - Thái Hà ................................................................................. 112

Hình 4.21. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ La Thành - Thái Hà ................................................................ 112

Hình 4.22. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ La Thành -Thái Hà ............................................................ 112

Hình 4.23. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ La Thành - Thái Hà ..................................................................... 112

Hình 4.24. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Thái Hà - Láng ........................................................................................ 113

Hình 4.25. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Thái Hà - Láng ........................................................................ 113

Hình 4.26. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP ga Thái Hà - Láng ................................................................... 113

Hình 4.27. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Thái Hà - Láng ........................................................................ 113

Hình 4.28. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Láng - ĐH QG ........................................................................................... 113

Hình 4.29. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Láng - ĐH QG ........................................................................ 113

Hình 4.30. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Láng - ĐH QG .................................................................... 114

Hình 4.31. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Láng - ĐH QG ........................................................................ 114

Hình 4.32. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ ĐH QG - Vành Đai 3 .............................................................................. 114

Hình 4.33. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ ĐH QG - Vành Đai 3 .............................................................. 114

Hình 4.34. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ ĐH QG - Vành Đai 3 ......................................................... 114

xvi

Hình 4.35. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ ĐH QG - Vành Đai 3 ..................................................................... 114

Hình 4.36. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân ....................................................................... 115

Hình 4.37. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân ...................................................... 115

Hình 4.38. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân .................................................. 115

Hình 4.39. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân ...................................................... 115

Hình 4.40. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Thanh Xuân - BXHĐ ................................................................................... 115

Hình 4.41. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với thời gian từ Thanh Xuân - BXHĐ .............................................................. 115

Hình 4.42. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Thanh Xuân - BXHĐ ......................................................... 116

Hình 4.43. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Thanh Xuân - BXHĐ .............................................................. 116

Hình 4.44. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ BX Hà Đông - BV Hà Đông ................................................................ 116

Hình 4.45. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với thời gian từ BX Hà Đông - BV Hà Đông .......................................................... 116

Hình 4.46. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ BX Hà Đông - BV Hà Đông ............................................... 116

Hình 4.47. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ BX Hà Đông - BV Hà Đông .......................................................... 116

Hình 4.48. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ BV Hà Đông - La Khê ......................................................................... 117

Hình 4.49. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu từ BV Hà Đông - La Khê ..................................................................................... 117

Hình 4.50. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ BV Hà Đông - La Khê ........................................................ 117

Hình 4.51. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ BV Hà Đông - La Khê ................................................................... 117

xvii

Hình 4.52. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ La Khê - Văn Khê .................................................................................. 117

Hình 4.53. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ La Khê - Văn Khê ................................................................... 117

Hình 4.54. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không có PMP từ La Khê - Văn Khê ................................................................... 118

Hình 4.55. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không có PMP từ La Khê - Văn Khê ................................................................................ 118

Hình 4.56. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Văn Khê - BX HĐ mới ............................................................................. 118

Hình 4.57. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Văn Khê - BX HĐ mới ............................................................ 118

Hình 4.58. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Văn Khê - BX HĐ mới ....................................................... 118

Hình 4.59. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không có PMP từ Văn Khê - BX HĐ mới ........................................................................... 118

Hình 4.60. So sánh 12 ga khi có/không áp dụng PMP tối ưu quĩ đạo chạy tàu ........................................................................................... 119

Hình 4.61. So sánh thời gian chạy tàu tương ứng trên 12 ga với profile tốc độ tối ưu/ không tối ưu ........................................................... 119

Hình 4.62. Nạp/xả siêu tụ khi đoàn tàu có tích hợp SCESS .................... 121

Hình 4.63. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Cát Linh - La Thành ................................................................................. 121

Hình 4.64. So sánh profile tốc độ tối ưu/không tối ưu với thời gian từ Cát Linh - La Thành ...................................................................... 121

Hình 4.65. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Cát Linh - La Thành ...................................................................... 121

Hình 4.66. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi không áp dụng PMP và áp dụng PMP với tàu điện có SCESS từ Cát Linh - La Thành... 121

Hình 4.67. Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm .............................................. 123

Hình 4.68. Hệ thống thí nghiệm SCESS ................................................... 124

Hình 4.69. Khối vi điều khiển và mạch đo ............................................... 124

Hình 4.70. Khối mạch lực ......................................................................... 124

Hình 4.71. Xung PWM với d=0.625 ......................................................... 125

xviii

Hình 4.72. Đo dạng dòng điện trên ba cuộn cảm với d=0.625 ................. 125

Hình 4.73. Điện áp ra với d=0.625 ........................................................... 125

Hình 4.74. Xung PWM với d= 0.33 ......................................................... 125

Hình 4.75. Dạng dòng điện trên ba cuộn cảm với d=0.33 ........................ 125

Hình 4.76. Điện áp đầu ra với d=0.33 ...................................................... 126

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, giao thông là một trong những lĩnh vực gây ô nhiễm môi

trường và tiêu thụ năng lượng nhiều nhất ở cả các nước phát triển và đang phát

triển. Theo khảo sát, các nước thuộc liên minh Châu âu, khí thải từ giao thông

chiếm xấp xỉ 31 % của tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG) [28];

trong đó, giao thông thành phố chiếm khoảng 25% lượng khí thải C02 [29,33].

Khi quá trình đô thị hóa diễn ra ngày càng mạnh mẽ, việc xây dựng hệ thống

giao thông thân thiện môi trường, vận hành hiệu quả, tin cậy không chỉ tuân

thủ được hiệp định quốc tế về giảm lượng khí thải GHG, mà còn đảm bảo điều

kiện sống của các cư dân trong thành phố. Trong hình 1.1 thể hiện lượng khí

thải của các phương tiện giao thông, cho thấy giao thông đường sắt sinh ra lượng

khí thải ít nhất. Vì vậy, trong các thành phố, giao thông điện đường sắt đô thị

được xem như phương thức vận tải hiệu quả với khả năng vận tải hành khách

và hàng hóa lớn, độ an toàn tin cậy cao, lượng khí thải ít, giảm ùn tắc giao

thông. Ở Việt Nam, một số tuyến đường sắt đô thị đang được triển khai ở thành

phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, năm 2019 tàu điện tuyến Cát Linh - Hà Đông sẽ đi

vào vận hành.

Đường sắt

19 Hàng không

111

51 Xe bus

Xe khách

389 Xe riêng

173

150

0

50

100

200

250

300

350

400 g/(Hành khách/ km)

Hình 1.1. So sánh lượng khí thải C02 của một số phương tiện giao thông [74]

Theo báo cáo hàng năm về tiêu thụ điện năng ở một số nước Trung Quốc,

Mỹ, Anh... điện năng tiêu thụ bởi các tuyến đường sắt lên tới hàng tỷ kWh,

trong đó năng lượng sử dụng vận hành đoàn tàu chiếm 40 - 70% của tổng năng

lượng tiêu thụ [69,70,81]. Do đó, việc đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả

năng lượng giao thông điện đường sắt có vai trò quan trọng góp phần đáng kể

cho chiến lược phát triển giao thông điện của các Quốc gia cũng như Việt Nam

trong thời gian tới.

Với hệ thống giao thông điện đô thị ở Việt Nam gồm hệ thống cung cấp

điện phía ngoài, thường từ cấp điện áp trung áp 22KV lấy từ lưới điện khu vực

cấp đến các trạm điện kéo, từ trạm điện kéo cấp điện cho vận hành đoàn tàu,

ngoài ra còn cấp điện cho hệ thống điện chiếu sáng, thang máy, thang cuốn,

điều hòa, thông gió, bơm cấp thoát nước, các hệ thống thông tin tín hiệu, quay

ghi, bẻ ghi... Trong đó, các trạm điện kéo quản lý phân đoạn cấp điện có chiều

dài nhỏ hơn 5km, cấp điện cho các ga, khoảng cách giữa các ga thường từ vài

trăm mét đến hơn 1km. Đặc thù của tàu điện đô thị với khối lượng vài trăm

tấn, điện áp cấp trên bus DC cao: 750, 1500VDC, các động cơ kéo truyền chuyển

động cho đoàn tàu có công suất lớn vài trăm KW, đoàn tàu vận hành theo chu

trình: gia tốc  chạy ổn tốc  chạy đà hãm dừng, trong đó chế độ gia tốc và

hãm là hai chế độ vận hành tải nặng nhất tiêu tốn điện năng, gây dao động điện

áp trên lưới. Khi gia tốc, đoàn tàu huy động công suất kéo lớn nhất gây công

suất đỉnh, sụt áp trên bus DC, khi hãm dừng về ga, các động cơ làm việc như

máy phát trả năng lượng về lưới, điện áp trên lưới tăng [16,51,52,65,67,70,71].

Với các hệ thống tàu điện cũ không có thiết bị thu hồi năng lượng hãm tái sinh,

năng lượng này thường bị đốt trên điện trở hãm gây lãng phí năng lượng, tăng

nhiệt độ môi trường, đồng thời điện áp trên lưới biến động ảnh hưởng tiêu cực

đến chất lượng điện năng, chế độ vận hành, tuổi thọ của các thiết bị điện trong

hệ thống đường sắt. Do vậy, việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp sử dụng

hiệu quả năng lượng, đồng thời cải thiện chất lượng điện năng là rất cần thiết.

Có rất nhiều các giải pháp được đề xuất, nhưng có hai giải pháp được đề cập

nhiều trong các công trình được công bố gần đây: thu hồi năng lượng hãm tái

sinh sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc

hấp thụ công suất dư thừa khi vận hành các đoàn tàu trên tuyến; tối ưu profile

tốc độ chạy tàu dựa trên các thuật toán điều khiển tối ưu. Giải pháp thứ nhất,

sử dụng các bộ biến đổi có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều tại trạm điện

kéo; sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng đặt dọc tuyến chạy tàu, tại trạm điện

kéo hoặc trên tàu. Với tần suất gia tốc/hãm của tàu liên tục tính bằng giây, đòi

hỏi thiết bị tích trữ năng lượng có tính động học nhanh, siêu tụ đã thể hiện ưu

thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác. Thiết bị kho điện

sử dụng siêu tụ (SCESS) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng có

khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu,

thử nghiệm tích hợp trên các hệ thống giao thông điện loại tải trọng nhẹ [33].

Hệ thống tàu điện với điện áp trên bus DC cao, các động cơ kéo công suất lớn

nên cấu trúc bộ biến đổi DC-DC hai chiều đề xuất trong luận án được phân

tích, lựa chọn là bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly (để giảm khối lượng

đặt trên tàu), nhiều nhánh song song với các phương pháp điều khiển dòng điện

(Current mode), dòng điện đỉnh (Peak current mode). Giải pháp thứ hai: Áp

dụng lý thuyết điều khiển tối ưu xác định profile tốc độ vận hành tối ưu tương

ứng với các chế độ chạy tàu nhằm tiết kiệm năng lượng.

Trong luận án tác giả tập trung nghiên cứu điều khiển phân tán độc lập

từng đoàn tàu trên tuyến; cụ thể, đặt bộ tích trữ năng lượng trên tàu thu hồi

năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm, và xả năng lượng thu hồi này hỗ trợ

cho chế độ kéo nhờ điều khiển quá trình nạp/xả bộ tích trữ năng lượng; đồng

thời kết hợp điều phối năng lượng nạp/xả của siêu tụ đưa vào hàm mục tiêu áp

dụng nguyên lý điều khiển tối ưu xác định profile chạy tàu tối ưu nhằm tiết

kiệm năng lượng.

Mục đích và nội dung nghiên cứu:

Đề xuất các phương pháp sử dụng hiệu quả năng lượng trong vận hành tàu điện

đô thị.

 Đề xuất cấu trúc điều khiển quá trình nạp/xả năng lượng của hệ thống tích

trữ năng lượng siêu tụ với mục tiêu tiết kiệm năng lượng: thu hồi năng

lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm và hỗ trợ năng lượng cho đoàn tàu

vận hành trong chế độ kéo.

 Đề xuất chiến lược tối ưu tốc độ vận hành đoàn tàu khi hệ thống lưới điện

có thêm nguồn siêu tụ đặt trên đoàn tàu.

 Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện, chiến lược điều khiển

tối ưu tốc độ vận hành đoàn tàu được đề xuất thông qua những minh

chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng: Tàu điện đô thị có hệ truyền động sức kéo tích hợp bộ tích trữ năng

lượng siêu tụ bao gồm các thành phần: Hệ truyền động sức kéo, siêu tụ, bộ biến

đổi DC-DC hai chiều.

Phạm vi nghiên cứu:

 Tàu điện đô thị có hệ truyền động điện sức kéo tích hợp bộ tích trữ năng

lượng siêu tụ, xét các chế độ vận hành đoàn tàu (chế độ kéo, chế độ chạy

đà, chế độ hãm dừng) không xem xét các trường hợp sự cố khi vận hành

đoàn tàu.

 Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố lực kéo, lực hãm và phụ tải

đều trên các động cơ kéo.

 Luận án tập trung hai vấn đề điều khiển: vấn đề thứ nhất - điều khiển

SCESS nhằm thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong quá trình hãm, hỗ

trợ năng lượng quá trình kéo và góp phần giảm dao động điện áp trên bus

DC; vấn đề thứ hai - điều khiển đoàn tàu vận hành theo profile tốc độ tối

ưu năng lượng với nguồn hỗn hợp: nguồn lưới và nguồn siêu tụ.

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu lý thuyết:

- Các thuật toán điều khiển cấp thiết bị kho điện đảm bảo khả năng

nạp/xả hỗ trợ năng lượng kéo khi đoàn tàu vận hành ở chế độ kéo và thu

hồi năng lượng hãm tái sinh khi đoàn tàu vận hành ở chế độ hãm.

- Lý thuyết điều khiển tối ưu, phân tích, lựa chọn phương pháp phù hợp

tối ưu năng lượng chạy tàu khi có thêm nguồn phụ siêu tụ.

 Nghiên cứu thực nghiệm:

- Tổng hợp hệ thống bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB để đánh

giá kết quả nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ biến đổi, điều khiển tối

ưu năng lượng vận hành đoàn tàu; thí nghiệm minh chứng các chế độ làm

việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave trong hệ thống thí nghiệm thiết bị

tích trữ năng lượng siêu tụ SCESS.

Ý nghĩa của đề tài:

Do những ưu điểm nổi bật của tàu điện đô thị chuyên chở hành khách lớn, giảm

ô nhiễm môi trường, giảm ùn tắc giao thông, ngày 09/07/2008, Thủ tướng Chính

phủ đã có Quyết định số 90/2008/QĐ-TTg về việc phê duyệt Quy hoạch phát

triển giao thông vận tải Thủ đô Hà Nội đến năm 2020. Theo đó, mạng lưới

đường sắt đô thị của Hà Nội đến năm 2020 bao gồm 5 tuyến, Tp. Hồ Chí Minh

theo quy hoạch có 6 tuyến đường sắt đô thị. dự kiến cuối năm 2018 đến 2020 sẽ

đi vào hoạt động một số tuyến. Tuy nhiên, điện năng cần cấp để vận hành các

tuyến giao thông đô thị rất lớn hàng tỷ kWh, rất cần những giải pháp tiết kiệm

năng lượng.

Do đó, luận án đặt ra mục tiêu quản lý hiệu quả năng lượng chạy tàu; cụ

thể, thiết kế điều khiển quá trình nạp-xả thiết bị tích trữ năng lượng kho điện

thu hồi năng lượng hãm tái sinh, giảm dao động điện áp trên Bus DC; áp dụng

lý thuyết tối ưu xác định profile tốc độ chạy tàu nhằm tối ưu năng lượng chạy

tàu khi nguồn cấp cho tàu điện gồm cả nguồn lưới và nguồn siêu tụ. .

Với những tiền đề như vậy luận án sẽ đem lại những ý nghĩa tích cực cả về mặt

khoa học lẫn thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học: Đề xuất các giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng vận

hành đoàn tàu thông qua giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng

hệ thống tích trữ năng lượng siêu tụ thay vì năng lượng này bị tiêu tán

trên điện trở hãm, đồng thời giảm dao động điện áp trên bus DC; giải

pháp xác định profile tốc độ tối ưu chạy tàu với năng lượng cấp cho đoàn

tàu là nguồn lai.

 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp

thiết bị dự trữ năng lượng vào hệ thống tàu điện, thiết kế các phương

pháp điều khiển tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng vận hành đoàn tàu; có

khả năng áp dụng cho các tuyến đường sắt đô thị Việt Nam trong tương

lai.

Những kết quả mới của luận án:

 Đề xuất sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu tích hợp

với hệ truyền động động cơ điện kéo thông qua bộ biến đổi DC-DC hai

chiều và thiết kế điều khiển siêu tụ theo đặc tính chạy tàu.

 Ứng dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin tìm được các điểm chuyển tối

ưu các chế độ vận hành, xác định được đồ thị đặc tính tốc độ tối ưu năng

lượng vận hành đoàn tàu có sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ

đặt trên tàu.

Bố cục luận án gồm 4 chương chính như sau:

 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG

LƯỢNG HÃM: Giới thiệu các loại giao thông điện, vấn đề phân cấp điều

khiển trong hệ thống tàu điện; phân tích đánh giá các công trình nghiên

cứu đã có của các nhà Khoa học trong và ngoài nước liên quan đến sử

dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu thông qua các nhóm giải

pháp. Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà luận

án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.

 Chương 2. MÔ HÌNH HÓA ĐOÀN TÀU VÀ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ

NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ: Trình bày về mô hình hóa đoàn tàu, phân tích

các lực tác động lên đoàn tàu, xây dựng phương trình chuyển động của

động cơ điện kéo và của đoàn tàu; mô hình hóa siêu tụ và bộ biến đổi

DC-DC Interleave từ đó làm cơ sở xây dựng các phương án điều khiển tối

ưu năng lượng vận hành đoàn tàu có siêu tụ trong chương 3.

 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG VẬN HÀNH ĐOÀN

TÀU CÓ SIÊU TỤ: Trình bày hai giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng

vận hành đoàn tàu: Giải pháp thứ nhất đặt bộ tích trữ năng lượng siêu

tụ trên tàu để thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm; giải

pháp thứ hai: áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin với đoàn tàu có

SCESS, tìm được profile tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu làm cơ sở để

đánh giá năng lượng cho toàn tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông.

 Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM: Thể hiện những

kết quả kiểm chứng cho các cấu trúc điều khiển, các giải pháp tối ưu năng

lượng đã đề xuất. Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng

MATLAB/Simulink/SimPower Systems và mô hình thí nghiệm SCESS

chứng minh khả năng làm việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave.

 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận án và

hướng phát triển tiếp theo.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM

Giao thông điện phát triển mạnh mẽ ở các nước trên thế giới vì những ưu điểm

nổi bật của loại hình giao thông này so với các phương tiện giao thông khác

[63,78]. Tuy nhiên tổng năng lượng tiêu thụ của hệ thống tàu điện là rất lớn

[69,70], việc đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng là cần thiết. Theo

[19,20,21,22,23] chỉ ra sự kết hợp của các dạng nguồn năng lượng khác nhau với

nguồn lưới, và xây dựng các chiến lược điều khiển cho hệ thống tàu điện nhằm

đạt được mục tiêu không những giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của đoàn tàu,

mà còn đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

Nội dung chương này trình bày tổng quan về cấu trúc hệ thống, những xu hướng

nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng vận hành tàu điện trong và ngoài

nước. Từ đó tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ cần giải

quyết trong luận án này.

1.1. Các loại hình giao thông điện

Căn cứ vào hình thức cấp điện mà giao thông điện có thể phân thành: loại lấy

điện từ mạng tiếp xúc và loại tự hành.

 Giao thông điện tự hành: Điện năng cần thiết cho việc vận chuyển được

sản sinh bởi máy phát điện đặt trên đầu máy diezen hoặc từ pin, ăc qui,

năng lượng tái tạo… Ví dụ: ôtô điện, xe đạp điện, xe điện... sử dụng năng

lượng mặt trời.

 Giao thông điện tiếp xúc: Là loại phát triển và phổ biến nhất, năng lượng

nhận qua mạng tiếp xúc. Tùy thuộc vào hệ thống cấp điện tiếp xúc, cấp

điện áp, tốc độ chạy tàu trung bình, tốc độ chạy tàu lớn nhất, khoảng cách

vận chuyển... mà giao thông điện tiếp xúc chia thành: giao thông điện

đường sắt chính tuyến (đường sắt quốc gia và khu vực) và giao thông điện

thành phố (đô thị).

Việc phân ra các loại hình giao thông điện tương ứng với cấp điện áp và tốc độ

đoàn tàu được trình bày chi tiết trong Hình 1.2.

Hình thức cấp điện

Giao thông điện tiếp xúc

Giao thông điện tự hành

Giao thông điện đô thị

Giao thông điện đường sắt Quốc gia và khu vực

Ôtô điện, xe đạp điện, đầu máy diezen

Đường sắt cao tốc

Đoàn tàu chạy điện (động cơ được gắn trên các toa)

Đầu máy kéo toa chở khách, chở hàng (chỉ đầu máy có động cơ)

Metro, tàu điện bánh sắt, xe điện - bánh hơi, tàu điện một ray

Cấp điện áp: 25kVAC (50,60 Hz); 11-15kVAC(16 2/ 3Hz)

Cấp điện áp: 550-750VDC; 1.5kVDC Vận tốc: 40- 100km/h

Cấp điện áp: 3KVAC, 25kV AC(50,60Hz) Vận tốc : 120- 130km/h

Cấp điện áp: 25kVAC (50,60 Hz); 11-15kVAC(16 2/ 3Hz) Vận tốc : 200km/h

Hình 1.2. Phân loại giao thông điện [24]

1.1.1. Giao thông điện đường sắt Quốc gia

Giao thông điện đường sắt quốc gia bao gồm 3 loại:

 Đầu máy điện kéo các toa tàu chở khách, chở hàng hóa: Động cơ điện được

gắn trên đầu máy kéo. Cấp điện áp sử dụng cho đoàn tàu thường là xoay

chiều 1 pha 25 kV, tần số công nghiệp 50 Hz (hoặc 60 Hz) hoặc 11-15 kV tần

số thấp 16,66 Hz. Đầu máy kéo theo các toa chở khách có vận tốc 150, 160

km/h và có thể đạt hơn 200 km/h.

 Đoàn tàu chạy điện: Các toa tàu có gắn động cơ nối với nhau và nối với các

toa không có động cơ được sử dụng chạy ở ngoại ô hoặc khu vực. Các đoàn

tàu chạy điện cho phép lập từ 4, 6, 8, 11 toa phụ thuộc vào lưu lượng hành

khách. Tốc độ đoàn tàu chạy ở ngoại ô có thể đạt tới 120-130 km/h. Các đoàn

tàu chạy khu vực có thể đạt đến 250km/h. Hệ thống cung cấp điện 1 chiều

1,5 kV hay 3 kV hoặc xoay chiều 25 kV tần số công nghiệp.

 Đường sắt tốc độ cao: Cho phép các đoàn tàu chạy với vận tốc lớn hơn 200

km/h như tuyến đường sắt cao tốc ở Nhật năm 1964. Đến năm 2001 có 15

nước trên thế giới đã khai thác hơn 500 km đường sắt tốc độ cao.

1.1.2. Giao thông điện đô thị

Giao thông điện đô thị bao gồm: Tàu điện ngầm metro, tàu điện bánh sắt và xe

điện bánh hơi, tàu điện một ray…

 Tàu điện bánh sắt: là loại giao thông điện thành phố trên ray với sức kéo

điện lấy từ mạng lưới tiếp xúc. Mạng tiếp xúc và đường ray tạo mạch kín cho

hệ thống cung cấp điện. Hệ thống cung cấp điện với điện áp định mức trên lưới

tiếp xúc là 550V và 750V (Nga 550V, Pháp 750V), công suất động cơ điện kéo

(ĐCĐK) từ 45-80 kW. Những năm gần đây sử dụng động cơ điện kéo (ĐCĐK)

xoay chiều.

 Xe điện bánh hơi: là loại giao thông điện thành phố không ray. Mạng tiếp

xúc gồm hai đường dây: đường dây cung cấp điện - dây dương và đường dây hồi

lưu - dây âm. Điện áp một chiều định mức trên lưới tiếp xúc là 550V.

 Tàu điện ngầm: Xuất hiện từ năm 1863 tại Anh sau đó được áp dụng tại

Pháp, Mỹ, Nga do tính tiện dụng của nó. Tàu điện ngầm là loại hình vận tải

công cộng tiện nghi và hiện đại. Giao thông điện trên ray đi theo đường riêng

có thể đi trên mặt đất hoặc dưới ngầm. Đặc điểm của tàu điện ngầm là khối

lượng vận chuyển hành khách lớn, tốc độ điều khiển cao. Hệ thống cung cấp

điện một chiều có thể cung cấp điện theo lưới tiếp xúc trên cao: với cấp điện áp

1,5kV, hoặc ray thứ ba (với cấp điện áp 600, 750VDC).

Ở Việt nam một số tuyến đường sắt đô thị đang được xây dựng, nên trong

luận án tác giả tập trung nghiên cứu về loại hình giao thông điện đô thị, với

phương tiện vận chuyển là tàu điện ngầm.

1.2. Cấu trúc chung hệ thống cung cấp điện giao thông điện đô thị

Hệ thống cung cấp điện giao thông điện đô thị nói chung được lấy nguồn từ

lưới điện trung thế của thành phố từ các trạm biến áp trung gian cấp điện áp

có thể là 6, 10, 22, 35, 110kV. Sau đó, đường dây này sẽ được đưa tới các trạm

biến áp điện kéo để hạ áp - biến đổi phù hợp với điện áp sử dụng, trong đô thị

thường sử dụng điện áp 1 chiều cung cấp cho phương tiện chạy điện là 600 VDC,

750VDC, 1500VDC.

t o p e D

i

t o p e D

i

ớ m g n ô Đ

à H e x n ế B a G

6 o é k n ệ đ m ạ r T

V 5 2 8 +

i

ê h K a L a G

5 o é k n ệ đ m ạ r T

V 5 2 8 +

i

n á u Q n ă V

V k 2 2 / V k 0 1 1 A B T

4 o é k n ệ đ m ạ r T

g n ô Đ à H e x n ế B

V 5 2 8 +

i

3 i a Đ h n à V

3 o é k n ệ đ m ạ r T

V 5 2 8 +

i

g n á L a G

2 o é k n ệ đ m ạ r T

g n ô C h n à h T

V k 2 2 / V k 0 1 1 A B T

i

V 5 2 8 +

y a R

i

1 h n L t á C a G

o é k n ệ đ m ạ r T

i

đ

i ồ h y â d

u ề h c u ư

l

u à t n à o Đ

i

V 5 2 8 +

c ú x p ế

i

đ u ề h c

p ấ c g n u c y â D

i t y â d

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống cung cấp điện cho giao thông điện tại Hà Nội

AC 22KV

Trạm điện kéo A

Trạm điện kéo B

Máy biến áp

Chỉnh lưu điôt

Thanh cái DC

+ DC 750V

‐

Feeder

Đường hồi lưu

Hình 1.4. Cấu trúc hệ thống cấp điện hai phía [24]

Hình 1.3, Hình 1.4 chỉ ra hệ thống cung cấp điện cho giao thông điện gồm có:

 Hệ thống cung cấp điện phía ngoài: nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây

truyền tải cao áp 3 pha.

 Hệ thống cung cấp điện kéo và trạm điện kéo: Trạm điện kéo, dây cung cấp,

dây hồi lưu, mạng tiếp xúc, đầu máy điện, ray. Trong các trạm điện kéo, điện

năng được biến đổi thành cấp điện áp và dòng điện phù hợp với động cơ điện

kéo trên các phương tiện giao thông điện. Sau đó dòng điện theo hệ thống

mạng tiếp xúc (dây tiếp xúc trên cao hoặc ray thứ 3) cung cấp đến cho động

cơ điện kéo thông qua cần tiếp điện. Động cơ điện kéo biến đổi điện năng thành

cơ năng, qua hộp giảm tốc truyền chuyển động làm quay các bánh xe.

1.3. Tiêu chuẩn cấp điện

1.3.1. Điện cung cấp cho sức kéo EN 50163 và IEC 60850

Điện áp cung cấp cho sức kéo theo tiêu chuẩn EN 50163 và IEC 60850 [29,30,43]

Bảng 1.1. Thông số điện áp cho phép trên cần tiếp xúc theo tiêu chuẩn EN 50163

Umin2 Umin1 Umax1 Umax2 Umax3 Hệ thống cấp Un

(V) (V) (V) (V) (V) (V) điện sức kéo

DC 600V 600 400 720 770 1015

DC 750V 750 500 900 950 1269

Umin2 Umin1 Umax1 Umax2 Umax3 Hệ thống cấp Un

(V) (V) (V) (V) (V) (V) điện sức kéo

DC 1,5KV 1500 1000 1800 1950 2538

AC 15KV, 16,7Hz

DC 3,0KV 3000 2000 3600 3900 5075

15000 11000 12000 17250 18000 24311

AC 25KV, 50Hz 25000 17500 19000 27500 29000 38746

Un - Điện áp đặt

Umin1 - Điện áp vận hành lâu dài ở mức thấp

Umin2 - Điện áp không lâu dài ở mức thấp, vận hành trong vòng 10 phút

Umax1 - Điện áp vận hành lâu dài ở mức cao

Umax2 - Điện áp vận hành không lâu dài, vận hành trong vòng 5 phút

Umax3 - Điện áp vận hành lớn nhất trong vòng 20ms.

1.3.2. Điện hạ áp

Để phục vụ các tải khác trên đường sắt và ở các ga sử dụng hệ thống 3 pha 4

dây với điện áp định mức là 380/220V như với các tải công nghiệp và sinh hoạt

khác. Trong đó thiết kế các ga phụ tải điện trên đường sắt và ở các ga cần được

tính cụ thể các phụ tải sau:

 Phụ tải chiếu sáng

 Quạt thông gió

 Thang cuốn

 Bơm nước

 Hệ thống phòng cháy, chữa cháy

 Hệ thống tín hiệu

 Hệ thống thông tin

1.4. Năng lượng sử dụng trong hệ thống đường sắt đô thị

1.4.1. Phân loại năng lượng sử dụng cho đoàn tàu

Năng lượng sử dụng trong đường sắt đô thị được chia thành hai loại: Tiêu thụ

năng lượng "kéo" để vận hành đoàn tàu và năng lượng "không kéo" dùng cho

các thiết bị điện khác [70].

100% (Esub)

Thoát nước

4%

Sức kéo

Chiếu Sáng

40%

10%

Năng lượng hãm tái sinh 33% (Ereg)

Tổn thất động cơ 8% (Emech)

12%

Tổn thất bộ biến đổi 2% (Econv)

Thang Máy

4%

30%

Tổn thất truyền tải 4% (Eline)

Truyền tải

Phanh hãm 17% (Ebrmech)

Thiết bị phụ trợ 20% (Eaux)

Thông khí và điều hòa nhiệt độ

Điện trở 16% (Eres)

Hình 1.5. Tiêu thụ năng lượng trong hệ thống tàu điện đô thị  Tiêu thụ năng lượng kéo: Mạng lưới cấp điện một chiều điển hình cho

đường sắt đô thị, bao gồm: các trạm điện kéo có máy biến áp hạ áp và

các bộ chỉnh lưu AC/DC; hệ thống phân phối năng lượng kéo bằng ray

thứ 3, hoặc đường dây trên cao.

 Tiêu thụ năng lượng "không kéo": sử dụng tại các nhà ga, depot, hệ thống

quạt thông gió, tín hiệu, hê thống bơm, hệ thống chiếu sáng, thang máy,

thoát nước.

Trong Hình 1.5 cho thấy năng lượng dùng cho sức kéo đến 40%; tuy nhiên, năng

lượng kéo lại không đạt được hiệu suất tối đa khi có các tổn thất.

1.4.2. Các tổn thất năng lượng của đoàn tàu

 Tổn thất cơ: Công suất cơ cần thiết tại các bánh tàu để thắng được các lực

cản đoàn tàu: Lực cản ma sát, cản gió, cản đường cong, cản độ dốc...

 Tổn thất của các thiết bị sức kéo: Để đoàn tàu chuyển động cần có hệ

thống cấp điện và hệ thống truyền động sức kéo. Năng lượng được lấy từ

trạm điện kéo đi qua cần tiếp xúc cấp cho các thiết bị kéo: biến tần, động

cơ điện kéo, hãm điện trở... Các thiết bị này đều có tổn thất.

 Tổn thất của các thiết bị phụ trợ: Loại tổn thất này bao gồm tổn thất

trong hệ thống điều hòa, thông gió, chiếu sáng, vệ sinh...

 Tổn thất đường dây: Tổn thất từ trạm điện kéo đến cần tiếp xúc.

Do đó, để sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu cần thu hồi được

năng lượng hãm tái sinh thường bị đốt trên điện trở hãm, giảm các tổn thất bao

gồm: tổn thất cơ, hệ truyền động, các bộ biến đổi, thiết bị phụ trợ, tổn thất

đường dây, ...

1.5. Tình hình nghiên cứu các giải pháp thu hồi năng lượng hãm hiệu quả năng lượng cấp cho tàu điện đô thị

Trong mục này, tác giả trình bày khái quát các công trình nghiên cứu trong

nước và nước ngoài về các giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành tàu

điện đô thị.

1.5.1. Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay các tuyến tàu điện đô thị ở Việt Nam đang được xây dựng và lắp đặt

thiết bị; trong đó tuyến sớm nhất đi vào vận hành là tuyến tàu điện Cát Linh -

Hà Đông. Tuy nhiên, có rất ít các công trình nghiên cứu về tối ưu năng lượng

vận hành tàu điện đô thị [60].

1.5.2. Các nghiên cứu trên thế giới

Trong lĩnh vực giao thông đường sắt có rất nhiều công trình nghiên cứu đã đề

xuất các giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu. Các giải

pháp hiệu quả năng lượng được chia thành: Nhóm giải pháp các quy trình vận

hành (lái tàu hiệu quả năng lượng, giảm tiêu thụ năng lượng của dịch vụ tiện

ích) và nhóm giải pháp ứng dụng công nghệ tiên tiến (hãm tái sinh, hiệu quả

năng lượng hệ thống sức kéo, đo và quản lý năng lượng thông minh). Nhóm giải

pháp vận hành là tạo ra những thay đổi hiệu quả năng lượng trong các đoàn

tàu hoặc cơ sở hạ tầng của tuyến có sẵn; trong khi nhóm giải pháp về ứng dụng

công nghệ tiên tiến đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn và thay đổi đáng kể trong hệ

thống trang thiết bị đoàn tàu, như được nêu trong Hình 1.6.

Những giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả

Công nghệ tiên tiến

Các quy trình vận hành

Hãm tái sinh

Lái tàu hiệu quả năng lượng

Hiệu quả năng lượng hệ thống sức kéo

Đo và quản lý năng lượng thông minh

Giảm tiêu thụ năng lượng của dịch vụ tiện ích

- Giảm tổn thất năng lượng trong mạng lưới cấp điện - Giảm tổn thất của các thiết bị trên tàu - Giảm trọng lượng đoàn tàu

- Sử dụng hệ thống đo tự động thu thập dữ liệu tiêu thụ năng lượng. - Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo - Quản lý năng lượng thông minh

- Thực hiện các giải pháp liên quan đến toa xe: nhiệt, thông gió, điều hòa.. - Thực hiện các giải pháp liên quan đến thời gian dừng tàu.

- Sử dụng thiết bị tích năng trữ lượng (trên tàu, trạm điện kéo, dọc tuyến chạy tàu) - Các bộ biến đổi tại trạm điện kéo cho dòng năng lượng chảy hai chiều ...

- Tối ưu điều độ chạy tàu - Tối ưu profile tốc độ - Tối ưu quãng đường chạy đà - Tối ưu độ dốc đường chạy tàu - Hệ thống hỗ trợ lái tàu DASs - Vận hành lái tàu tự động ATO

Hình 1.6. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong giao thông điện đường

sắt [31]

Bảng 1.2. Đánh giá chung các giải pháp hiệu quả năng lượng trong đường sắt đô thị

Chi phí Phù hợp Các nhóm giải pháp sử dụng năng lượng Tiết

đầu tư với các hệ hiệu quả kiệm

thống có năng

sẵn lượng

(%)

Nhóm giải Phân loại Giải pháp

pháp

1-10 cao thấp Điều độ thời Tối ưu

gian tàu này điều độ

kéo, thì tàu vận hành

kia hãm trên nhiều đoàn

cùng khu gian tàu Hãm tái sinh

cấp điện

trên tàu trung cao Bộ tích trữ

5-25 bình năng lượng

(ESS) Các nhà ga, cao cao

trạm điện kéo

Đặt tại trạm 5-20 cao cao Các bộ

điện kéo biến đổi

cho dòng

năng lượng

chảy hai

chiều

5-10 cao thấp Tối ưu quĩ đạo

chuyển động Kỹ thuật

đoàn tàu. lái tàu Lái tàu hiệu

quả năng 5-15 cao trung DAS (hệ Công cụ

lượng bình thống hỗ trợ hỗ trợ lái

lái tàu) tàu

5-15 trung cao ATO (hệ

bình thống lái tàu

tự động)

Điện áp lưới 1-5 thấp cao

cao hơn Mạng lưới

nguồn cấp Dây dẫn có 1-5 thấp cao

điện trở nhỏ

Hiệu quả về 5-10 cao cao Động cơ Động cơ đồng

sức kéo kéo bộ nam châm

vĩnh cửu

(PMSM)

Tối ưu phần 1-5 cao thấp

mềm

Giảm khối Sử dụng các 1-10 cao trung

lượng tàu vật liệu nhẹ bình

Cách nhiệt 1-5 cao trung

bình

Đèn LEDs 1-5 cao trung

bình

1-5 cao thấp Điều hòa

thông gió

Các chức (HVAC) và

năng tiện ích điều khiển

Tàu điện cho hành chiếu sáng

khách trong chế độ

dịch vụ

1-5 cao thấp HVAC và điều

khiển chiếu

sáng trong chế

độ dừng

Làm mát 1-5 cao thấp

đường hầm

1-5 cao thấp Điều khiển hệ

Cơ sở hạ thống chiếu

tầng sáng, HVAC,

băng tải hành

khách.

Đèn LEDS 1-5 cao trung

bình

Bảng 1.2 so sánh các nhóm giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng chạy

tàu, trong đó có hai nhóm giải pháp đạt tỷ lệ phần trăm tiết kiệm năng lượng

cao hơn: Nhóm giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh và nhóm giải pháp

lái tàu hiệu quả năng lượng.

Sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu

Năng lượng hãm tái sinh

Lái tàu hiệu quả năng lượng

Công cụ hỗ trợ lái tàu ATO,DAS

Tối ưu điều độ vận hành nhiều đoàn tàu

Xác định profile tốc độ chạy tàu tối ưu

Sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng

Hình 1.7. Các chiến lược quản lý hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu.

1.5.2.1. Các nhóm nghiên cứu về thu hồi năng lượng hãm tái sinh

a) Thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng thiết bị tích trữ năng lượng

Sự ra đời các bộ biến đổi công suất lớn giúp kết nối giữa thiết bị tích trữ năng

lượng (ESSs) với lưới, với hệ truyền động sức kéo, cho phép các bộ tích trữ năng

lượng thu hồi được năng lượng hãm tái sinh trong hệ thống đường sắt đô thị.

ESSs có thể được lắp đặt trên tàu, tại trạm điện kéo hoặc tại các điểm dọc tuyến

chạy tàu. ESSs trên tàu cho phép thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong quá

trình tàu vận hành ở chế độ hãm và sẽ giải phóng năng lượng, hỗ trợ quá trình

kéo tiếp theo của tàu, quá trình trao đổi năng lượng diễn ra độc lập trên từng

đoàn tàu. ESSs được lắp đặt tại trạm điện kéo hoặc trên tuyến thu hồi năng

lượng của bất kỳ đoàn tàu đang vận hành ở chế độ hãm mà ở gần hoặc cùng

khu đoạn cấp điện và sẽ giải phóng năng lượng này khi có các đoàn tàu khác

đang vận hành ở chế độ kéo. Thêm vào đó, ESS góp phần ổn định điện áp lưới

và san phẳng công suất đỉnh [9, 12, 21, 25, 44, 45, 46, 53, 58, 66, 68, 69, 72, 73,

75].

Năng lượng hãm không quay lại Bus DC

Bus DC

ESS

Kéo

Nhà ga

Hãm

Nhà ga

Quá trình nạp vào ESS

Quá trình xả của ESS

Hình 1.8. ESS đặt trên tàu Bảng 1.3. Các minh chứng thử nghiệm ESS đặt trên tàu

ESS

Nhà sản xuất

Ứng dụng trên các tuyến tàu điện đô thị

Bombadier Siêu tụ

Nhóm nghiên cứu/ Thiết bị thu hồi năng lượng hãm Iannuzzi và cộng sự (2012)[46]/MITRA CTMEnergy Saver/

-LRV ở Mannheim vận hành từ 2003-2007, xe điện ở Rhein-Neckar-Verkehr GmbH vận hành từ 2013. Tiết kiệm 30% năng lượng, giảm 50% công suất đỉnh

Sitras®MES STEEM Siemens Alstom

Sitras®HES Siemens

Siêu tụ +ắc quy

Siêu tụ Xe điện Innsbruck Siêu tụ Xe điện ở Paris vận hành từ 2009-2010, tiết kiệm 16% năng lượng Hệ thống tàu điện nhẹ ở miền nam Lisbon, vận hành từ 2008, tiết kiệm 10.8% năng lượng

Bus DC

ESS

Hãm

Nhà ga

Kéo

Quá trình nạp

Quá trình xả

Hình 1.9. ESS đặt tại trạm điện kéo hay trên tuyến

Bảng 1.4. Các minh chứng ESS đặt nhà ga/dọc tuyến chạy tàu

Nhà sản

ESS

Ứng dụng trên các tuyến

Nhóm nghiên cứu/

xuất

đường sắt đô thị

thiết bị thu hồi năng

lượng hãm Sitras®

SES

Siemens Siêu tụ - Tàu điện Madrid, vận hành

từ 2003

- Mạng lưới giao thông công

cộng Cologne, vận hành 2003.

- Tàu điện Bắc kinh, vận hành

2011.

- Tàu điện Toronto, vận hành

2011

Adeneo NeoGreen® Power Siêu tụ Xe điện Lyon, dự án thử

(Adetel nghiệm 2011

group)

Capapost Meiden Siêu tụ Tàu điện HongKong

Bánh Tàu điện Hannover, dự án thử Powerbrigde Piller

đà nghiệm 2004. Power

Tàu điện Rennes, dự án thử Systems

nghiệm 2010

Bánh -Tàu điện London, dự án thử GTR system Kinetic

đà nghiệm 2000. Traction

- Mạng lưới đường sắt New Systems

York, dự án thử nghiệm 2010.

Alfred Rufer và các cộng sự (2004) [66] đã nghiên cứu đặt siêu tụ tại các

ga cuối của tuyến được xem như trạm điện kéo bù để ổn định điện áp trên mạng

điện kéo. Ricardo Barrero và cộng sự (2008)[12] lắp siêu tụ dọc tuyến Metro cho

mục đích tiết kiệm năng lượng 11% trong giờ cao điểm và 26% vào buổi đêm và

cuối tuần.

b) Các trạm điện kéo có dòng công suất chảy hai chiều

Các trạm điện kéo DC thường dùng các bộ chỉnh lưu đi ôt - dòng năng lượng

chỉ chảy theo một chiều từ nguồn đến tải, nếu trạm điện kéo dùng bộ chỉnh lưu

tích cực hoặc bộ chỉnh lưu kết hợp bộ nghịch lưu để dòng năng lượng có thể

chảy hai chiều từ nguồn đến tải và ngược lại...

Warin và các cộng sự (2011)[86] đã chứng minh các trạm điện kéo sử dụng

chỉnh lưu tích cực cho dòng năng lượng chảy hai chiều giúp thu hồi năng lượng

hãm trả trên bus DC, Cornic (2010)[22] hãng Alstom Transport đã thử nghiệm

trạm điện kéo cấp nguồn 750VDC, tuyến dài 14km với 27 trạm có bộ biến đổi

làm việc cả chế độ nghịch lưu và chỉnh lưu tiết kiệm năng lượng đến 18%, sau

đó Alstom đã sản xuất các trạm điện kéo công suất 600kW đến 8MW với điện

áp cấp cho tàu là 750,1500, 3000VDC.

Lưới

Trạm điện kéo với bộ chỉnh lưu tích cực

AC DC

Bus DC

Hãm

Hình 1.10. Trạm điện kéo có dòng năng lượng chảy hai chiều Bảng 1.5. So sánh ưu, nhược điểm của các biện pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh

Ưu điểm

Nhược điểm

Vị trí đặt bộ

tích trữ

- Thu hồi năng lượng hãm trực tiếp - Hạn chế bởi Bộ tích trữ đặt

trên tàu điện không có tổn thất trên bus DC không gian để đặt

- Giảm công suất đỉnh bộ tích trữ.

- Hạn chế được dao động điện áp [73] - Tăng tải trọng

của tàu (2%).

Vị trí đặt bộ

Ưu điểm

Nhược điểm

tích trữ

- Cho phép mật độ chạy tàu nhiều hơn - Việc lắp đặt chỉ

mà không phải tăng công suất cho phù hợp với các

trạm điện kéo. tuyến mới, tàu

- Kết hợp với các nguồn khác (ắc quy) mới.

có thể chạy tàu không cần điện lưới

như: trong depo, hoặc các khu trung

tâm mà lưới cấp trên cao gây ảnh

hưởng mỹ quan.

- Quản lý năng lượng thu hồi đơn giản

hơn vì việc điều khiển độc lập

Bộ tích trữ đặt - Giảm công suất đỉnh - Khảo sát, tính

tại trạm điện kéo, - Có thể thu hồi năng lượng của một toán và chọn điểm

nhà ga hoặc dọc số tàu ở chế độ hãm tại cùng thời đặt bộ tích trữ.

tuyến chạy tàu điểm. - Có tổn thất trên

- Không bị hạn chế bởi không gian đặt đường dây

bộ tích trữ

Bộ chỉnh lưu tích - Tổn thất qua các bộ biến đổi ít hơn - Không sử dụng

cực trao đổi năng - Giảm được không gian đặt thiết bị đề ổn định điện áp

lượng hai chiều - Giảm sóng hài, nâng cao chất lượng hoặc giảm công

đặt tại trạm điện điện áp so với bộ chỉnh lưu điôt suất đỉnh.

- Chi phí cho thiết kéo

bị cao.

- Gây tổn thất trên

đường dây

c) Các nhóm nghiên cứu về thu hồi năng lượng hãm bằng tối ưu điều độ vận

hành nhiều đoàn tàu.

Sử dụng năng lượng hãm tái sinh từ một đoàn tàu làm nguồn năng lượng cho

đoàn tàu tiếp theo đòi hỏi phân bổ thời gian chạy tàu sao cho đoàn tàu này hãm

về ga, đoàn tàu khác gần nhất trên cùng phân đoạn cấp điện sẽ gia tốc, năng

lượng hãm được chuyển sang đoàn tàu đang gia tốc, hỗ trợ quá trình kéo. Giải

pháp này không đòi hỏi chi phí đầu tư bổ sung như giải pháp sử dụng bộ tích

trữ năng lượng siêu tụ, bánh đà, ắc quy...

Dòng năng lượng hãm tái sinh

Bus DC

Hãm

Nhà ga

Kéo

Hình 1.11. Điều độ chạy tàu

Subin Sun (2017) [71] đề xuất giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh

bằng cách kết hợp hai đoàn tàu: đoàn tàu thứ nhất U1 vận hành ở chế độ hãm,

năng lượng của đoàn tàu U1 trong chế độ hãm đẩy lên lưới, đoàn tàu thứ hai U2

vận hành trong chế độ kéo sẽ thu hồi năng lượng hãm của U1. Thể hiện thu hồi

năng lượng hãm tái sinh được biểu diễn qua công suất ( )q t trong phương trình

( ) / q t

( ) r v

( ) g x

( ) u f v f

( ) u b v b

dv dx

chuyển động của đoàn tàu:

q t ( )

t < b £ £ t

t c

t t b t c

ìï 0 ïïï= q t ( ) í ïïïïî 0

Với quá trình hãm xảy ra trong khoảng thời gian [tb, tc]:

Nhận xét: Không chủ động thu hồi năng lượng hãm tái sinh ( )q t vì phụ thuộc

vào điều độ chạy tàu và không thu hồi được năng lượng dư thừa này khi chỉ có

01 đoàn tàu chạy trong khu gian.

Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra điều độ chạy tàu tiết kiệm năng lượng

đến 14% [34,35,48,57]. Ngoài ra, tối ưu điều độ chạy tàu có thể hạn chế công

suất đỉnh [20,36], chi phí đầu tư thấp hơn so với những công nghệ khác như đầu

tư bộ tích trữ năng lượng, các trạm điện kéo cho dòng năng lượng chảy hai

chiều.

Nasri và các cộng sự (2010)[62], tối ưu biểu đồ chạy tàu để sử dụng năng

lượng hãm tái sinh là lớn nhất và đã đưa ra ảnh hưởng của thời gian hãm, thời

gian dừng tàu giữa các ga với so sánh tiêu thụ năng lượng; X. Yang và các cộng

sự [81,82,83] đã đồng bộ các đoàn tàu vận hành ở chế độ kéo và hãm để đoàn

tàu chạy trong chế độ kéo có thể tận dụng năng lượng của đoàn tàu chạy trong

chế độ hãm nhiều nhất, nhưng vẫn đảm bảo thời gian theo lịch trình thông qua

xây dựng tối ưu biểu đồ chạy tàu, Lin Fei (2016)[55] dùng giải thuật thay đổi

thời gian dừng tàu nhằm sử dụng tối đa năng lượng hãm tái sinh;

Kim và các cộng sự (2011)[49], Lu Shaofeng và các cộng sự (2016)[56] đã

phát triển một mô hình "Mixed Integer Programming" để giảm thiểu năng lượng

kéo lớn nhất khi các đoàn tàu vận hành đồng thời;

1.5.2.2. Các nhóm nghiên cứu về lái tàu hiệu quả năng lượng

a) Xác định hành trình chạy tàu tối ưu trên tuyến

Trong các giải pháp tiết kiệm năng lượng, việc áp dụng các phương pháp điều

khiển để xác định được hành trình chạy tàu tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng,

là giải pháp không gây chi phí tốn kém đầu tư, hay thay đổi cơ sở hạ tầng, có

thể áp dụng cho tất cả các tuyến cũ cũng như các tuyến mới xây dựng.

Hình 1.12Hình 1.12 cho thấy tối ưu hành trình chạy tàu có hai hướng tiếp

cận: Tối ưu profile tốc độ, và bám đường tốc độ tối ưu. Tác giả tập trung phân

tích hướng nghiên cứu tối ưu profile tốc độ vận hành đoàn tàu gồm khảo sát đối

tượng và áp dụng các phương pháp theo lý thuyết điều khiển tối ưu hoặc điều

khiển thông minh; với hướng nghiên cứu bám đường tốc độ tối ưu phù hợp với

lĩnh vực điều khiển robot.

Khởi điểm là nhóm nghiên cứu của trường đại học Nam Úc gồm Howlett,

Benjamin, Pudney, Albrecht, Xuan Vu và các cộng sự được tài trợ bởi Nhà

nghiên cứu Milroy đã áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu vào điều khiển đoàn

tàu và một loạt các công trình được công bố. Những công trình này nghiên cứu

các vấn đề về điều khiển tối ưu có xét đến các điều kiện thực tế: như giới hạn

tốc độ, thời gian chạy tàu, độ dốc của đường và các dạng đầu máy khác nhau:

đầu máy diezen, tàu trở hàng với đầu máy diezen, tàu điện trở khách. Tuy

nhiên, nhóm nghiên cứu này cũng không xét đến thời gian chạy tàu đảm bảo

đúng thời gian.

Nguyên lý cực đại Pontryagin

Quy hoạch động

Lý thuyết điều khiển tối ưu

Biến phân

Phương pháp

Mờ & Nơron

Điều khiển thông minh

Phương pháp tối ưu tiến hóa (GA, ACO & PSO‡ )

Mô hình hóa lý thuyết

Tối ưu profile tốc độ

Mô hình

Mô hình có sai lệch thông số

Mô hình phức hợp

Đường có độ dốc thay đổi

Đối tượng

Phần đường đặc biệt

Đóng đường

Tối ưu hành trình chạy tàu

Hãm tái sinh

Tối ưu hóa cục bộ

Lái tàu hiệu quả năng lượng

Tối ưu hóa toàn cục

Điều khiển PID

Mờ

Bám đường tốc độ tối ưu

Mạng Nơron

Điều khiển thích nghi Điều khiển hiện đại

Hệ chuyên gia

Hình 1.12. Tối ưu hành trình chạy tàu [89]

Từ năm 1980 Milroy đã nghiên cứu tối ưu năng lượng của đoàn tàu chạy

trên tuyến đường thẳng không có bất cứ ràng buộc nào, năm 1981 Milroy đã

dựa trên nguyên lý cực đại của Pontryagin xác định được profile tốc độ tối ưu

và đã minh chứng tính hiệu quả của profile tốc độ này [57]. Howlett (1988)[34]

đã chứng minh vận hành tối ưu cho 01 đoàn tàu với quãng đường dài có bốn

chế độ vận hành tuần tự: kéo, ổn tốc, chạy đà, hãm. Howlett cũng đề xuất mối

liên hệ giữa tốc độ không đổi và các điểm chuyển chế độ [35], nhiều năm sau (từ

1992 đến 1996), ông đã chuyển từ vấn đề nghiên cứu vận hành hiệu quả năng

lượng thành xác định các điểm chuyển chế độ giữa bốn chế độ vận hành có ràng

buộc và sử dụng thuật toán tối ưu hóa toàn cục để giải quyết vấn đề vận hành

đoàn tàu hiệu quả năng lượng trong những điều kiện khác nhau của tuyến đường

thẳng và tuyến đường có độ dốc liên tục [36,48]. Cũng Howlett [37] ứng dụng

PMP để nghiên cứu điều khiển tối ưu cho cả trường hợp điều khiển liên tục và

gián đoạn, coi thời gian là biến độc lập trong mô hình, Ông đã dựa trên các

phương trình tính vận tốc đoàn tàu tại các điểm chuyển tối ưu từ đó tìm được

thời gian và quãng đường tối ưu tại từng chế độ vận hành đoàn tàu.

Howlett, Pudney, Liu and Golovitcher [37,54] đã thành công trong việc

phát triển ý tưởng của Strobel cải tiến giải pháp vận hành tối ưu trong điều

kiện không có nhiễu. Điều khiển các chế độ vận hành: Chế độ kéo và hãm đặt

lực kéo và lực hãm lớn nhất; trong giai đoạn chạy đà không cấp năng lượng và

là chế độ tiết kiệm năng lượng, chế độ ổn tốc giữ tốc độ không đổi, lực cản

chuyển động và tỷ lệ độ dốc quyết định sử dụng chế chế độ kéo/hãm một phần.

Xuan Vu (2006)[84] đã phát triển công thức mới để cập nhật các profile

tốc độ tối ưu của đầu máy chạy đường dài, kết quả đạt được là tính toán các

điểm chuyển chế độ của mỗi đoạn dốc trong chiến lược toàn cục có thể được

tính toán riêng rẽ bằng ứng dụng nguyên lý tối thiểu hóa năng lượng từng phần.

Howlett (2009)[38] đã tính toán các điểm chuyển chế độ cho chiến lược tối

ưu toàn cục với đường có độ dốc xuống sử dụng nguyên lý giảm thiểu hóa năng

lượng. Phương pháp đã được ứng dụng thành công ở Úc để tính toán các điểm

chuyển chế độ đưa ra các thông điệp hỗ trợ người lái tàu với những tàu chở

hàng đường dài.

Albrecht (2013) [10] đã chứng minh các điểm chuyển chế độ tối ưu được

xem là duy nhất cho mỗi cung đường, từ đó suy ra chiến lược tối ưu toàn cục là

duy nhất.

Hình 1.13 chỉ ra vận hành đoàn tàu với khoảng cách ga ngắn gồm ba chế

điểm chuyển chế độ tối ưu đó là

độ: kéo  chạy đà  hãm, để tìm được quĩ đạo chạy tàu tối ưu cần tìm được các hv là điểm chuyển từ chế độ kéo sang chế độ chạy đà, Bv là điểm chuyển từ chế độ chạy đà sang chế độ hãm, tương ứng với

luật điều khiển công suất kéo lớn nhất, công suất hãm lớn nhất. Từ đó, xác định

được quỹ đạo chạy tàu tối ưu là profile tốc độ 1.

v(km/h)

Profile tốc độ 2

Profile tốc độ 1

X3 X4

Hình 1.13. Xác định profile tốc độ chạy tàu tối ưu

Nhận xét: Nhóm nghiên cứu của trường đại học Nam Úc trong các nghiên cứu

đã công bố không đề cập đến vấn đề tàu chạy đúng thời gian.

Hai Nguyen (2018)[2] đã áp dụng PMP cho đoàn tàu với đầu máy diezen

chạy đường dài, tìm ra profile tốc độ tối ưu ứng với các cung đường có độ dốc

khác nhau và trong hàm mục tiêu cũng đã đề cập đến vấn đề về ga đúng thời

gian. Nhận xét: Trong luận án tác giả không đề cập đến vấn đề thu hồi năng

lượng hãm.

Với những phương pháp tối ưu cổ điển được áp dụng dựa trên mô hình

toán học chính xác mô tả đối tượng. Trong thực tế, gặp bài toán với những điều

kiện tuyến phức tạp như độ dốc thay đổi, tuyến đường dài thì việc mô tả chính

xác đối tượng khó đạt được. Vì vậy, một cách tiếp cận hiệu quả là kết hợp phân

tích toán học và những phương pháp điều khiển thông minh như: mạng nơron

(NN), điều khiển mờ (FC), điều khiển dự báo (PC), thuật toán di truyền(GA),

phương pháp tối ưu bầy đàn (PSO)... được áp dụng vận hành hiệu quả năng

lượng đoàn tàu. B. R. Ke và N. Chen [13], đã xây dựng thuật toán di truyền để

điều khiển hệ thống tín hiệu tối ưu biểu đồ chạy tàu nhằm tiết kiệm năng lượng.

Việc ứng dụng thuật toán di truyền trong nghiên cứu điều khiển tối ưu cũng

được nghiên cứu bởi Borcharnikov, Wong, K.K, Yang và K.li [14,87,88]. Trong

khi đó, H. HU, Yin – Ping, Chao HU [39] đã sử dụng phương pháp tối ưu bầy

đàn (PSO) trong điều khiển tối ưu, các tác giả đã mô phỏng và so sánh với việc

ứng dụng thuật toán di truyền, kết quả bước đầu cho thấy có những giá trị tối

ưu hơn.

b) Hệ thống lái tàu tự động ATO/DAS

Với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý từ những năm 1960, hệ thống ATO đã

trở thành chủ đề quan tâm của các Nhà nghiên cứu [70,71], rất nhiều công trình

được thực hiện bởi các nước Úc, Nhật, Canada, Nga, Đức, Pháp, Hà Lan, Anh

và các quốc gia Châu âu khác.

Hãng Siemens của Đức đã sản xuất nhiều hệ thống thông minh như

LZB700, SACEM, METEO, CBTC, ETCS, ATC đã được sử dụng thành công

trên tàu điện Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Đông, Nam Kinh.

Nhật bản đã cho thử nghiệm hệ thống ATO đầu tiên vào năm 1962 và

đưa vào sử dụng năm 1977, trong nhiều năm hệ thống tàu Shinkansen nổi tiếng

về độ an toàn, đúng giờ, thoải mái, dừng chính xác, vận hành ổn định.

Nghiên cứu của Trung Quốc được thực hiện tương đối muộn, tuy nhiên

một số hệ thống ATO đã được thiết kế và ứng dụng cho các tuyến tàu điện

ngầm Bắc kinh.

Urbalis của hãng Alstom và tập đoàn Thales cung cấp cho Bắc Kinh,

Thượng Hải, Quảng Đông, Vũ Hán, và Hong Kong.

1.6. Lựa chọn hướng nghiên cứu và những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án

Qua phân tích các công trình đã được công bố ở trên cho thấy: hướng nghiên

cứu sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu thu hút sự quan tâm của

các nhà khoa học, có nhiều công trình nghiên cứu đã được đưa vào thử nghiệm

trên các hệ thống tàu điện thuộc các tuyến đường sắt của nhiều nước trên thế

giới và đem lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng kể, đặc biệt các giải pháp

thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng ESS và xác định profile tốc độ chạy tàu

tối ưu. Do vậy, tác giả đề xuất giải pháp kết hợp tiết kiệm năng lượng vận hành

tàu điện đô thị bằng chiến lược điều khiển bộ tích trữ năng lượng để thu hồi

năng lượng hãm tái sinh với các phương pháp điều khiển tối ưu profile tốc độ

chạy tàu nhằm tăng tỷ lệ thu hồi năng lượng. Cấu trúc được lựa chọn để nghiên

cứu trình bày trong Hình 1.14.

Thu hồi năng lượng hãm

Công nghệ

Hệ thống biến đổi năng lượng

Chiến lược điều khiển

- Bộ biến đổi DC-AC - Bộ biến đổi DC-DC

Trạm điện kéo

- Điều khiển quá trình nạp/xả của siêu tụ - Áp dụng PMP với đoàn tàu có SCESS, xác định profile tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu

DC Link

ESS

NL nguồn áp

IM

Bánh tàu

Hình 1.14. Cấu trúc được lựa chọn để nghiên cứu  Công nghệ: Tìm hiểu công nghệ vận hành tàu điện trong một số tuyến

đường sắt đô thị Việt Nam, cụ thể là đường sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà

Đông.

 Hệ thống biến đổi năng lượng trên tàu điện gồm: Biến tần điều khiển động

cơ điện kéo, bộ biến đổi DC-DC Interleave có cấu trúc nửa mạch cầu H,

nhiều nhánh song song để kết nối thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ với

hệ truyền động điện kéo. Tuy nhiên, trong luận án tác giả chỉ tập trung

nghiên cứu bộ biến đổi DC-DC Interleave đảm bảo trao đổi năng lượng

giữa bộ siêu tụ và hệ truyền động sức kéo.

 Chiến lược điều khiển:

 Đề xuất phương pháp điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave:

điều khiển theo phương pháp Dòng điện đỉnh (Peak current mode),

Dòng điện (Current mode) với thiết kế bộ điều khiển vòng trong

PI/FRT; vòng ngoài PI.

Chỉ tiêu đánh giá: Đánh giá khả năng trao đổi công suất hai chiều

của bộ biến đổi và điều khiển điện áp UDC-link trong giới hạn cho

phép đảm bảo cân bằng năng lượng giữa nguồn và tải.

 Đề xuất PMP xác định profile tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu

Chỉ tiêu đánh giá: Đánh giá năng lượng tiêu thụ của từng đoàn tàu

khi chưa áp dụng/áp dụng PMP

Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận án:

 Mô hình hóa đoàn tàu và thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ

 Xây dựng hệ truyền động sức kéo: một biến tần điều khiển nhiều

động cơ, với lực cản gồm: lực cản chính (lực cản ma sát, lực cản

gió) và lực cản phụ (lực cản độ dốc, lực cản đường cong).

 Lựa chọn cấu trúc bộ tích trữ năng lượng siêu tụ tích hợp với hệ

truyền động sức kéo.

 Thiết kế điều khiển bộ tích trữ năng lượng siêu tụ. Bước tiếp theo, xây

dựng công cụ mô phỏng kiểm chứng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ (SCESS)

có đáp ứng với mục tiêu đặt ra.

 Thực hiện điều khiển tối ưu năng lượng: Áp dụng nguyên lý cực đại của

Pontryagin tính năng lượng tối ưu cho vận hành 01 đoàn tàu có tích hợp

SCESS trên tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông.

 Kiểm chứng kết quả nghiên cứu của luận án, thông qua mô phỏng offline,

và tiến hành thí nghiệm mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ trong

phòng thí nghiệm.

Kết luận chương 1

Thông qua phân tích, tổng hợp một số công trình nghiên cứu trong và ngoài

nước về các giải pháp tiết kiệm năng lượng vận hành tàu điện đô thị, tác giả đã

lựa chọn đối tượng nghiên cứu là tàu điện đô thị có tích hợp bộ tích trữ năng

lượng siêu tụ đặt trên tàu và đề xuất các chiến lược điều khiển năng lượng độc

lập trên từng đoàn tàu; cụ thể là: đề xuất điều khiển thu hồi năng lượng hãm

tái sinh bằng cách điều khiển chế độ nạp/xả của siêu tụ theo đặc tính chạy tàu;

sử dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin xác định profile tốc độ vận hành đoàn

tàu để tối ưu năng lượng vận hành đoàn tàu với hệ thống nguồn lai. Những đề

xuất đó sẽ được kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng MATLAB và mô hình

thí nghiệm với hệ thống SCESS.

Nội dung tóm tắt của Chương 1 đã được tác giả công bố trong bài báo số [3]

thuộc danh mục các công trình đã công bố của tác giả.

CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐOÀN TÀU VÀ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ

Quá trình thiết kế hệ thống điều khiển tối ưu năng lượng cấp cho vận hành đoàn

tàu có tích hợp bộ tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu được thực hiện trình

tự theo các bước: Xây dựng mô hình toán học của đối tượng điều khiển, phân

tích hệ thống và tìm ra các phương pháp điều khiển phù hợp với đối tượng, cuối

cùng là mô phỏng và thử nghiệm. Trong đó, tính chính xác và đặc điểm của mô

hình toán học tìm được là yếu tố cốt lõi quyết định đến chất lượng hệ thống. Vì

vậy, trong chương 2 tập trung mô hình hóa hệ thống bao gồm:

 Mô hình hóa đoàn tàu

 Mô hình hóa thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ

 Mô hình hóa siêu tụ

i day

dayR

 Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC interleave

Dây tiếp xúc

Cần tiếp xúc

invi

Trạm điện kéo tdkR

bri

brr

BBĐ DC-DC

tdkE

scU

iL L LR

NL nguồn áp

scC

IM

Hình 2.1. Hệ truyền động tàu điện có tích hợp SCESS

Sơ đồ mạch điện đơn giản hóa của một đoàn tàu có bộ tích trữ năng lượng đặt

trên tàu được mô tả trong Hình 2.1. Bộ tích trữ được nối với hệ truyền động sức

kéo thông qua bộ biến đổi DC-DC trao đổi năng lượng hai chiều. Trạm điện kéo

cấp điện qua dây tiếp xúc, cần tiếp xúc đến các thiết bị điện trên đoàn tàu.

2.1. Mô hình hóa đoàn tàu

Để đoàn tàu chuyển động được cần có nguồn cấp và hệ thống truyền động sức

kéo tạo chuyển động cho đoàn tàu.

- Có hai loại hình thức cấp điện: Nguồn một chiều với cấp điện áp từ 600

VDC, 750 VDC, 1.5kV DC được sử dụng cho đường sắt đô thị; nguồn một chiều

với cấp điện áp 3kV, nguồn xoay chiều với cấp điện áp 25kV, tần số 16,66 Hz,

25Hz, 50Hz, 60Hz được sử dụng cho đường sắt đường dài.

- Hệ truyền động sức kéo biến điện năng thành cơ năng truyền chuyển động

cho bánh tàu và thắng được các lực cản tạo chuyển động cho đoàn tàu.

Dựa vào hình thức cấp điện và hệ truyền động sức kéo mà phân loại như sau.

2.1.1. Phân loại các hệ truyền động sức kéo

Theo khía cạnh thiết bị truyền chuyển động - động cơ điện kéo có thể chia làm

2 dạng chính:

 Hệ truyền động động cơ điện kéo một chiều:

 Mạng tiếp xúc một chiều - động cơ điện kéo một chiều (sử dụng cho

đường sắt đô thị)

Trạm điện kéo A

AC 22KV

Trạm điện kéo B

Máy biến áp

Chỉnh lưu điôt

Thanh cái DC

+

DC 750V

‐

Feeder

Đường ray

Đường hồi lưu

Ldcm Rdcm

chopper

Ƞmech=92%

gearbox

DCM

Uch

Wheel

Udc

Edcm

Ƞchop=95%

Hình 2.2. Hệ thống tàu điện đô thị sử dụng động cơ điện kéo một chiều

 Mạng tiếp xúc xoay chiều - động cơ điện kéo một chiều (sử dụng cho

đường sắt đường dài)

 Hệ truyền động động cơ điện kéo xoay chiều KĐB 3 pha roto lồng sóc:

 Mạng tiếp xúc một chiều - động cơ điện kéo xoay chiều (sử dụng cho

đường sắt đô thị)

Mạng tiếp xúc trên cao 3kV; 1500V; 750V

Thiết bị đóng cắt nguồn

Bộ lọc

Thiết bị bảo vệ

Thiết bị chuyển đổi DC/AC

ĐCKĐB

Hộp số

Ray

Hình 2.3. Hệ TĐĐ lưới cấp một chiều sử dụng ĐCKĐB xoay chiều 3 pha

 Mạng tiếp xúc xoay chiều - động cơ điện kéo xoay chiều (sử dụng cho

đường sắt đường dài)

Trong hệ thống đường sắt đô thị: Hệ thống cấp điện chủ yếu là mạng tiếp

xúc một chiều, động cơ điện kéo được sử dụng trước đây là động cơ điện một

chiều hoặc xoay chiều. Tuy nhiên, với những ưu điểm của động cơ điện kéo xoay

chiều được chỉ ra trong Bảng 2.1, các tuyến đường sắt mới xây dựng hiện nay

sử dụng loại động cơ này.

Bảng 2.1. So sánh các động cơ điện kéo [40]

Động cơ điện kéo một chiều

Động cơ điện kéo KĐB rôto lồng sóc

Ưu điểm: Với sự phát triển của lĩnh vực Ưu điểm: Điều khiển tốc độ đơn

điện tử công suất. giản, có thể điều chỉnh, thay đổi

tốc độ và khả năng làm việc trong + cho phép điều chỉnh công suất trong

điều kiện quá tải. dải rộng.

Nhược điểm: Tổn hao năng lượng + Khởi động êm và cho phép nâng cao

lớn, đặc biệt trong khoảng cách gia tốc của đoàn tàu khi khởi động,

Động cơ điện kéo một chiều

Động cơ điện kéo KĐB rôto lồng sóc

không cần tăng công suất động cơ điện giữa các ga gần, số lần hãm nhiều,

kéo. khiến rất nhiều năng lượng điện

- Trọng lượng nhỏ, gọn hơn so với động trở thành nhiệt năng, làm cho giá

thành vận hành cao. cơ một chiều cùng công suất

- Chi phí bảo dưỡng lớn do hiện - Chi phí vận hành, bảo dưỡng ít hơn so

tượng đánh tia lửa điện giữu cổ với động cơ điện một chiều.

góp và chổi than.

Hiện nay các tuyến đường sắt đô thị sắp đi vào vận hành ở Việt Nam sử

dụng động cơ điện kéo là động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc.

2.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Đối với động cơ điện kéo tàu điện là động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc,

việc điều khiển tốc độ được sử dụng chủ yếu là các phương pháp điều khiển tần

số [15,76,77]:

 Điều khiển vô hướng (U/F)

 Điều khiển vectơ (DTC, FOC)

Bảng 2.2. So sánh các phương pháp điều khiển truyền động sức kéo

Điều khiển vô Điều khiển Điều khiển

Phương pháp

Chỉ tiêu

hướng u/f FOC DTC

Điều khiển mô men Gián tiếp Trực tiếp Trực tiếp

Điều khiển từ thông Gián tiếp Trực tiếp Trực tiếp

động cơ

Sai lệch điều khiển mô ±12 ±4 ±4

men động cơ (%)

Đáp ứng thời gian của 150 10 đến 20 1 đến 2

đầu vào điều khiển mô

men [ms]

Sai lệch tốc độ trong ±1 đến 3 ±0.01 ±0.01

chế độ xác lập, %

Trong bảng 2.2 so sánh các phương pháp điều khiển động cơ, phương pháp

điều khiển vectơ có ưu điểm huy động momen nhanh. Tuy nhiên, hệ truyền động

sức kéo sử dụng một biến tần điều khiển nhiều động cơ mắc song song nên việc

thiết kế điều khiển theo phương pháp FOC, DTC sẽ phức tạp hơn. Hướng nghiên

cứu của luận án không đi sâu nghiên cứu hệ truyền động sức kéo, nên về lý

thuyết để đơn giản trong thiết kế điều khiển mà vẫn đảm bảo các chế độ vận

hành của đoàn tàu, trong luận án sử dụng phương pháp điều khiển u/f điều

khiển nhiều động cơ KĐB vì phương pháp điều khiển này đơn giản, dễ thực

hiện, không phụ thuộc vào tham số của động cơ và phù hợp với tuyến tàu điện

đô thị Cát Linh - Hà Đông đang khảo sát.

2.1.3. Đồ thị chạy tàu

Hành trình chạy tàu gồm các chế độ: Chế độ kéo, chế độ ổn tốc, chế độ chạy

đà, chế độ hãm. Tùy thuộc vào khoảng cách dài, ngắn giữa các ga mà chọn chế

độ vận hành của tàu [84].

 Trường hợp 1: Tàu di chuyển với khoảng cách ngắn nên chế độ vận hành:

chế độ kéochế độ hãm. Trường hợp này khi vận tốc tàu chưa đạt tới

tốc độ tối đa thì tiến hành phanh hãm.

v(km/h)

x (m)

Hình 2.4. Đồ thị chạy tàu trường hợp 1

Trong đó:

ta: Thời gian gia tốc

xa: Quãng đường gia tốc

tb: Thời gian hãm

xb: Quãng đường chạy ở chế độ hãm

 Trường hợp 2: Tàu di chuyển với khoảng cách dài hơn, gồm ba chế độ vận

hành kéoổn tốc hãm. Khi tốc độ động cơ đạt vận tốc vmax, tàu chuyển

sang chế độ chạy ổn tốc sau một khoảng thời gian tc thì vận hành ở chế

v km h ( / )

max

x m ( )

bx bt

ax at

cx ct

độ hãm.

Hình 2.5. Đồ thị chạy tàu trường hợp 2

Trong đó:

ta: Thời gian gia tốc

xa: Quãng đường gia tốc

tc: Thời gian chạy ổn định

xc: Quãng đường ổn tốc

tb: Thời gian hãm

xb: Quãng đường chạy ở chế độ hãm

 Trường hợp 3: Gồm ba chế độ vận hành kéochạy đà hãm. Khi tốc độ

động cơ đạt vận tốc Vmax chuyển sang chế độ chạy đà ngắt nguồn cấp cho

động cơ để tàu chạy theo quán tính sau một khoảng thời gian tc thực hiện

chế độ hãm.

v(km/h)

vmax

x(m)

xa ta

xc tc

xb tb

Hình 2.6. Đồ thị chạy tàu trường hợp 3

Trong đó:

ta: Thời gian gia tốc

xa: Quãng đường gia tốc

tc: Thời gian chạy đà

xc: Quãng đường chạy đà

tb: Thời gian hãm

xb: Quãng đường chạy ở chế độ hãm

 Trường hợp 4: gồm chế độ kéoổn tốcchạy đàhãm, khi tốc độ động

cơ đạt vận tốc vmax, chuyển sang chế độ chạy ổn tốc, sau khoảng thời gian

tv thì ngắt nguồn cấp cho động cơ để tàu chạy theo quán tính với khoảng

thời gian tc, sau đó chuyển sang chế độ hãm.

v (km/h)

vmax

x(m)

xc tc

xb tb

xv tv

xa ta

Hình 2.7. Đồ thị chạy tàu trường hợp 4

Trong đó:

ta: Thời gian gia tốc

xa: Quãng đường gia tốc tv: Thời gian chạy ổn tốc ở tốc độ maxv

xv: Quãng đường chạy ổn tốc với tốc độ maxv

tc: Thời gian chạy đà

xc: Quãng đường chạy đà

tb: Thời gian hãm

xb: Quãng đường chạy ở chế độ hãm

Xét các đồ thị chạy tàu với khoảng cách ga ngắn, đồ thị chạy tàu trường

hợp thứ ba có các chế độ vận hành tiết kiệm năng lượng hơn so với trường hợp

thứ hai. Với tàu điện chạy đường dài tuần tự các chế độ vận hành tương ứng

với trường hợp 4.

2.1.4. Mô hình hóa đoàn tàu

NL nguồn áp

Trạm điện kéo

Hãm điện trở

Động cơ kéo

n ệ i Đ

n ồ u g N

u à t

h n á B

TL

uDC-link

Froll

u*DC-link

FR

Fgrad

US

f*

U/f

Farc

PWM

Lực cản

Hình 2.8. Sơ đồ điện hệ thống tàu điện đô thị

Hình 2.8 chỉ ra sơ đồ điện hệ thống tàu điện đô thị. Điện năng cung cấp cho các

phụ tải giao thông điện được truyền tải từ nhà máy điện đi qua đường dây cao

áp 3 pha (cấp điện áp 110 kV, 220 kV dành cho giao thông điện đường sắt quốc

gia; 35, 110, 220 kV dành cho giao thông điện đường sắt khu vực; 22, 10, 6 kV

cho giao thông điện thành phố) đến trạm điện kéo (hiện các tuyến ở Việt Nam

sử dụng nguồn trung áp 22 kV).

Trong các trạm điện kéo, điện áp AC nhờ bộ chỉnh lưu đi ôt biến đổi thành

các cấp điện áp 750, 1500VDC. Sau đó dòng điện theo hệ thống mạng tiếp xúc

(dây tiếp xúc trên cao hoặc ray thứ 3) cung cấp cho hệ truyền động động cơ kéo

thông qua cần tiếp điện, qua nghịch lưu nguồn áp, động cơ biến đổi năng lượng

điện thành cơ năng, truyền chuyển động làm quay các bánh xe. Hệ truyền động

sức kéo gồm nghịch lưu nguồn áp điều khiển động cơ điện kéo không đồng bộ rô

to lồng sóc với phương pháp điều khiển vô hướng u/f. Khi đoàn tàu vận hành

trong chế độ hãm, năng lượng dư thừa được đốt trên điện trở hãm và đoàn tàu

chuyển động được khi lực kéo của đoàn tàu thắng các lực cản trở chuyển động.

2.1.4.1. Các lực tác động lên đoàn tàu

Ray thứ ba, 750 VDC

Feeder

Lực cản không khí

Tàu

Bánh tàu

Hộp số

Lực kéo

IM

Momen động cơ

Đường ray

Ma sát

𝛂 Trọng lực

Hình 2.9. Sơ đồ các loại lực tác động nên đoàn tàu [1]

Hình 2.9 đưa ra sơ đồ tổng thể các loại lực tác động lên đoàn tàu, từ đó phân

tích, tính toán, xác định được hệ truyền động sức kéo phù hợp đảm bảo đoàn

tàu vận hành "kéo nhiều, chạy nhanh, an toàn và đúng giờ".

Lực kéo/lực hãm vành bánh xe

Đoàn tàu vận hành trên ray, tiếp xúc với bên ngoài chủ yếu với không khí,

ray và lưới điện. Đầu máy thông qua hệ thống truyền động động cơ sức kéo biến

điện năng thành cơ năng và truyền đến bánh chủ động; nhưng mô men của thiết

bị truyền động lực tác dụng lên bánh chủ động là mô men nội lực. Nếu bánh

này không ép lên ray thì nó chỉ tự quay mà không cho đầu máy chuyển động.

Do đó, ngoại lực khiến đầu máy kéo toa xe chuyển động trên ray là đến từ ray

và bánh xe.

Đối với đầu máy, FTr là ngoại lực cùng hướng đoàn tàu chuyển động, do

đó nó là lực kéo đầu máy mà người lái tàu có thể điều khiển được.

TrF

Hình 2.10. Sự sản sinh lực kéo vành bánh xe

Lực kéo và lực hãm trong trường hợp đầy tải, tải định mức và không tải

được nhà sản xuất cung cấp bằng thực nghiệm [60].

Hình 2.11. Đặc tính lực kéo/01 động cơ

Hình 2.12. Đặc tính lực hãm điện/01 động cơ Từ đường đặc tính lực kéo và lực hãm, có các bảng thông số đo (bảng 2.3và 2.4)

Bảng 2.3. Thông số đo lực kéo /01 động cơ

FtrRated (kN) FtrTare (kN) v (km/h) FtrMax (kN)

0 13.2 12 8.3

10 13.2 12 8.3

20 13.2 12 8.3

32 13.2 12 8.3

35 12.22 11.16 7.75

40 11 10 6.75

45 9.8 8.9 6.08

50 8.78 8 5.4

55 7.9 7.2 4.9

60 7.25 6.56 4.45

65 6.63 6.08 4.1

70 6.13 5.58 3.78

75 5.67 5.16 3.5

80 5.27 4.8 3.22

85 4.9 4.45 3

90 4.52 4.1 2.78

95 4.19 3.8 2.56

3.84 3.5 100 2.36

Trong đó:

trF

max

: Lực kéo khi tải định mức : Lực kéo lớn nhất khi đầy tải, trRated

trTare

: Lực kéo khi tải rỗng

Bảng 2.4. Thông số đo lực hãm/01 động cơ

FbrRated (kN) FbrTare (kN) v (km/h) FbrMax (kN)

0 0 0 0

5 0 0 0

6 5.74 4 3

FbrRated (kN) FbrTare (kN) v (km/h) FbrMax (kN)

7.88 7 10.84 5.81

10.44 7.5 15 8.12

12.4 7.86 15 8.8

12.36 20 14.93 8.77

12.31 35 14.86 8.74

12.25 50 14.78 8.71

12.2 65 14.7 8.67

12.18 70 13.44 8.66

12.16 75 12.16 8.65

11.2 80 11.2 8.63

10.19 85 10.19 8.62

9.12 90 9.12 8.61

8.6 93 8.6 8.6

8.23 95 8.23 8.23

7.26 7.26 100 7.26

Trong đó:

brF

max

: Lực hãm lớn nhất khi đầy tải

brRated

: Lực hãm khi tải định mức

brTare

: Lực hãm khi tải rỗng

Từ các số liệu đo lực kéo và lực hãm rời rạc, sử dụng hàm polyfit của MATLAB

để thực hiện phân tích hồi quy với các hàm tuyến tính hoặc có thể được chuyển

đổi thành dạng tuyến tính bằng phép biến đổi lôgarít hoặc phép biến đổi khác.

Hàm polyfit được dựa trên phương pháp bình phương nhỏ nhất (least square

method), cũng được gọi là hồi quy. Các đa thức thu được từ phương pháp hồi

quy cho các đường đặc tính trên là đa thức bậc ba thỏa mãn tiêu chuẩn R-

square xấp xỉ 1.

Hình 2.13. Đường hồi quy lực kéo/01 động cơ

Hình 2.14. Đường hồi quy lực hãm điện/01 động cơ

Lực kéo bám của tàu điện

f v= ( )

Đặc tính kéo của tàu điện là mô tả mối quan hệ của lực kéo lớn nhất tác động

trF

và lực kéo chịu sự hạn chế lên bánh xe với tốc độ vận hành đoàn tàu:

của lực kéo bám Fm .

F(kN)

Vùng lực kéo bám

FTr,max

Vùng FTr=const

Vùng P=const

0 v(km/h)

vmax

Hình 2.15. Đặc tính kéo của đầu máy

Trong Hình 2.15 chia ra hai vùng điều khiển:

Trong khoảng tốc độ bằng 0 đến tốc độ định mức vt,b: Giới hạn trên là lực kéo

1000

P (

´ ´ )

không đổi được xác định bởi giới hạn lực kéo bám Fm .

(2.1)

im - hệ số bám tính toán

Trong đó: Pm - Trọng lực bám của đầu máy [kN], g - gia tốc trọng trường 9.8m/s2

: Vùng giới hạn công suất không đổi, được xác Trong khoảng tốc độ từ bv đến maxv

định bởi công suất đặt của các động cơ.

FTr

Faero

Các lực cản

mgsinα

Froll

Hình 2.16. Các thành phần lực tác dụng lên đoàn tàu

Hình 2.16 mô tả các thành phần lực tác động lên tàu điện trong trường hợp

tàu đang lên dốc với mặt phẳng nghiêng a. Theo đó, lực phát động của xe sẽ

được sinh ra tại điểm tiếp xúc của bánh phát động và đường. Lực này bắt nguồn

từ động cơ, qua hệ thống truyền động chuyển đến các bánh phát động. Xét trong

trường hợp thông thường, lực cản bao gồm: Lực cản cơ bản có lực cản gió (Fwind)

lực cản ma sát lăn (Froll); lực cản đường dốc (Fgrad).

a. Lực cản chính

Lực cản chính (hay còn gọi là lực cản cơ bản) gồm lực cản gió và lực ma sát

W 0

F w

ind

roll

(2.2)

Khi đoàn tàu chuyển động, giữu đoàn tàu và không khí có sự chuyển động

tương đối, không khí mặt đầu đoàn tàu bị nén và đẩy ra khỏi đuôi đoàn tàu

sinh chân không và dòng xoáy, mặt ngoài (phía trên, dưới, phải, trái) ma sát

không khí. Tất cả những yếu tố này đều tạo ra lực cản đoàn tàu vận hành gọi

là lực cản gió.

 Lực cản gió phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu, kích thước và hình dạng đoàn

tàu, được biểu diễn theo công thức [93]:

wind

 C A v r f

 v wind

ind

 v w

 v cos( w

 { C A v r f

 }2 v , )

1 2

(2.3)

Ở đây: r là mật độ không khí;

Cd là hệ số cản không khí, quyết định bởi hình dạng đoàn tàu;

Af là mặt cắt lớn nhất của đoàn tàu;

v là tốc độ đoàn tàu;

b là góc nhọn tạo bởi phương của vận tốc gió với phương

chuyển động của đoàn tàu.

 Lực cản lăn Froll

Đường ray không cứng tuyệt đối. Khi bánh xe chuyển động lăn ép lên ray,

làm cho ray bị biến dạng. Mức độ biến dạng liên quan đến các yếu tố sau: Phụ

tải lên ổ trục, độ cứng của ray, loại và mật độ tà vẹt, chất lượng nền đường và

thời gian đoàn tàu đỗ. Tuy nhiên, để đơn giản hóa, ta chỉ xét đến ma sát lăn

trên đường cứng và xét trường hợp lý tưởng là tất cả các bánh xe có điều kiện

f mg

cos

giống nhau. Lúc này, lực ma sát lăn có thể được tính như sau [93]:

roll

(2.4)

Trong đó rf là hệ số cản lăn.

gra dF

b. Lực cản đường dốc

Khi đoàn tàu vận hành trên đường dốc, đoàn tàu còn chịu ảnh hưởng của

phản lực theo hướng đường ray của trọng lực, phần lực này là lực cản đường

dốc. Khi đoàn tàu lên dốc, lực cản đường dốc ngược chiều với hướng vận hành

của đoàn tàu, lực cản đường dốc lúc này là dương, khi đoàn tàu xuống dốc lực

cản đường dốc cùng chiều với hướng vận hành đoàn tàu, lực cản là âm gây ra

tác dụng kéo đoàn tàu, lực cản đường dốc được tính theo công thức [93]:

a sin( )

gradF

a =

(2.5)

sin(arctan(i ))k

ki (‰) là tỷ số chiều cao đỉnh dốc so với chân dốc, a là độ dốc của đường.

Trong đó: sin( )

2.1.4.2. Phương trình chuyển động của đoàn tàu

Sau khi đã phân tích các lực tác động lên đoàn tàu, từ đó xây dựng phương

trình chuyển động của đoàn tàu với giả thiết:

Lực kéo và lực hãm biến đổi liên tục trong các giá trị giới hạn

1 v

Phương trình trạng thái biểu diễn chuyển động của đoàn tàu [17,71]:

mv )

F v ( )

F v t W v ( )

( , )

F x ( )

grad

dv dx

ìïï =ïïïí dt dx ïï + (1 ïïïî Trong đó:

(2.6)

Tốc độ đoàn tàu

v [km/h] g Hệ số quán tính của đoàn tàu

m [t] Khối lượng đoàn tàu

Lực kéo đoàn tàu Ftr(v) [kN]

Lực hãm đoàn tàu do hãm điện Fbr(v)[kN]

Lực hãm đoàn tàu do phanh cơ khí Fmb(v)[kN]

W0(v) Lực cản chuyển động chính của đoàn tàu

Lực cản sinh ra do độ dốc của đường Fgrad(x)[kN]

Do luận án tập trung hướng nghiên cứu sử dụng hiệu quả năng lượng vận

hành đoàn tàu thông qua giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh, tuy nhiên,

trong phương trình (2.6) lực hãm cơ khí Fmb (v,t) chỉ được sử dụng khi đoàn tàu

hãm dừng về ga với tốc độ <5km/h, tại dải tốc độ này không thu hồi được năng

lượng hãm tái sinh. Do vậy, trong phương trình chuyển động của đoàn tàu không

xét đến Fmb (v,t).

Khi nghiên cứu các chế độ vận hành đoàn tàu, phương trình trạng thái

(2.6) thường được biến đổi thành dạng lực tác động riêng được quy đổi trên đơn

vị khối lượng của đoàn tàu như sau:

1 v

dt dx

( ) u f v

( ) w v

( ) x

br br

grad

dv dx

ìïï =ïïïí ïï v ïïïî

(2.7)

Ở đây: utr và ubr được định nghĩa là các biến điều khiển tương đối lực kéo và lực

[0,1],

[0,1]

;

hãm

( ) F v v F ( )

max

f v ( )

v m ( ) /

, và ;

trm

ftr(v)[N/kN]- Lực kéo đơn vị

f v ( )

v m ( ) /

Ftrmax(v) - Lực kéo lớn nhất của đoàn tàu

br max

fbr(v) [N/kN]- Lực hãm điện đơn vị

Fbrmax(v)- Lực hãm điện lớn nhất của đoàn tàu

( ) W ( ) /

v m

w v 0

fmb(v) [N/kN] - Lực hãm đơn vị bằng phanh cơ

W0(v) - Lực cản chính của đoàn tàu

x ( )

F x m ( ) /

 

w0(v) [N/kN] - Lực cản chính đơn vị của đoàn tàu

grad

Fgrad(x)- Lực cản độ dốc của đoàn tàu

fgrad(x) [N/kN] - Lực cản độ dốc đơn vị

)

x +

Hệ số chuyển đơn vị tính với các đại lượng không

phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế.

brF được cung cấp bởi nhà sản xuất đoàn

Đường đặc tính lực kéo trF và lực hãm

tàu, lực cản chính đơn vị (còn gọi là lực cản cơ bản đơn vị) được biểu diễn theo

= + +

phương trình David:

(2.8)

Với hệ số a,b,c do nhà sản xuất cung cấp.

T T

- =

;

= +

2.1.4.3. Phương trình chuyển động của động cơ

w d dt

(2.9)

Trong đó:

Mô men điện từ Tel [Nm]

Mô men tải TL [Nm]

Mô men quán tính của động cơ

Jm [kgm2] Jeq [kgm2] Mô men quán tính của đoàn tàu được qui về trục

động cơ.

Mô men quán tính của đoàn tàu được tính [59]:

1 4

æ Dm ç ç ç çè N t

ö÷ ÷ ÷ ÷ ø

(2.10)

Trong đó:

m [t] Khối lượng đoàn tàu

Đường kính bánh xe DWh [m]

N Số lượng động cơ

Tỷ số truyền.

Xét chế độ vận hành của tàu điện: Trong chế độ kéo thì động cơ kéo làm

việc ở chế độ động cơ; trong chế độ hãm thì động cơ kéo làm việc ở chế độ máy

phát trả năng lượng về nguồn. Do vậy, momen tải được tính trong cả hai chế

độ làm việc.

h W

K F

Mô men tải khi động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ [59]

m tr

F D 2 th h

mech

(2.11)

D th h

mech

với:

Khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát, mô men tải được tính theo công thức

F D

gen

K F

[59]:

G br

mech

gen

T (2.12)

mech

với:

Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ

o rmh genh mechh

Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ máy phát

Hiệu suất của hộp số.

2.2 Mô hình hóa thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ

2.2.1. Giới thiệu một số thiết bị tích trữ năng lượng

Hiện nay những nghiên cứu và ứng dụng thiết bị tích trữ năng lượng vào thực

tế sản xuất đang là chủ đề thu hút sự quan tâm của các nhà Khoa học do những

ưu điểm của thiết bị này không chỉ hỗ trợ hỗ trợ tiết kiệm điện năng, mà còn

nâng cao chất lượng vận hành lưới điện. Những đóng góp của thiết bị tích trữ

năng lượng trong hệ thống: san phẳng công suất đỉnh (Peak-shaving), cân bằng

tải (Load-leveling) do việc phân phối tải không đều trên lưới điện vào các thời

điểm khác nhau trong ngày, giảm chi phí nâng cấp lưới điện khi nhu cầu sử

dụng năng lượng tăng lên.

Trong vận tải đường sắt đô thị: xét đến mật độ chạy tàu, các chế độ vận

hành của đoàn tàu đòi hỏi năng lượng lớn nhất cần cấp trong chế độ kéo và lặp

đi lặp lại của một hoặc nhiều đoàn tàu, gây công suất đỉnh làm tăng dòng điện

trên lưới, gây sụt áp trên lưới; với chế độ hãm năng lượng hãm tái sinh bị đẩy

lên lưới gây tăng áp trên lưới và năng lượng dư thừa này thường bị đốt trên

điện trở hãm gây lãng phí năng lượng.

Do vậy, tăng khả năng thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng ESS có thể

được coi là một giải pháp tiết kiệm năng lượng, giảm công suất đỉnh, giảm dao

động điện áp trên bus DC, cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của thiết bị chấp

hành trong các hệ thống đường sắt đô thị. Các thiết bị tích trữ năng lượng có

thể phân loại thành dạng: cơ, điện, hóa, sinh, nhiệt [42]. Đặc biệt, tích trữ năng

lượng điện được xem như quá trình chuyển đổi năng lượng điện từ lưới điện

thành dạng năng lượng được dự trữ, sau đó lại biến đổi thành điện năng khi cần

thiết. Bộ tích trữ năng lượng hấp thụ năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo

như: Năng lượng gió, mặt trời, năng lượng hãm tái sinh của tàu điện... hoặc xả

năng lượng hỗ trợ cho nguồn qua các bộ biến đổi để cấp cho phụ tải tiêu thụ

điện như chỉ ra trong Hình 2.17.

Bộ biến đổi 2

Nạp

Xả

Nguồn NL tái tạo

Phụ tải

Bộ tích trữ năng lượng ESS

Hình 2.17. Cấu hình điển hình của hệ thống tích trữ năng lượng

Trong các thiết bị dự trữ năng lượng, có ba loại thiết bị tích trữ năng lượng

được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông: Ắc quy, bánh đà, siêu tụ do

có những đặc điểm sau [33,61,80]:

 Mật độ năng lượng cao, hoặc

 Mật độ công suất cao, và

310

 Số chu kỳ nạp/xả nhiều

Metal-Air

NaS

10h

Li-based

210

Ni-MH

Ni‐Cd

) g k / h W

Flywheel

Lead‐acid

110

Supercapacitors

360s

010

SMES

( g n ợ ư l g n ă n ộ đ t ậ M

36s

110

0.36s 310

410

3.6s 210

110

Mật độ công suất (W/kg)

Hình 2.18. Đặc tính Ragone của các thiết bị dự trữ năng lượng

310

Metal-Air

NaS

60-300 s Tàu điện vận tải nặng, đầu máy diezen

Li-based

210

20-60 s Tàu điện đường dài

Ni-MH

) g k / h W

Flywheel

4-20 s Metro và tàu điện vận tải nhẹ

110

Supercapacitors

010

SMES

( g n ợ ư l g n ă n ộ đ t ậ M

110

110

410

310

210

Mật độ công suất (W/kg)

Hình 2.19. Đặc tính Ragone phân bố thời gian các thiết bị lưu trữ năng

lượng/giải phóng năng lượng

Đặc tính ragone về mật độ công suất, mật độ năng lượng Hình 2.18 và Hình

2.19 chỉ ra:

Ắc quy: Có mật độ năng lượng cao nhất, nhưng mật độ công suất thấp dẫn

đến thời gian nạp/xả lâu hơn so với bánh đà và siêu tụ.

Bánh đà: Có mật độ công suất và năng lượng đều cao so với ắc qui và siêu

tụ, nhưng không phù hợp lắp đặt trên đoàn tàu hay xe điện do cồng kềnh và

khối lượng nặng hơn so với ắc quy và siêu tụ.

Siêu tụ: Có các ưu điểm nổi bật.

 Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad);

 Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh (tính bằng giây)

với công suất lớn;

 Mật độ công suất lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui;

 Hiệu năng cao, tần số xả/nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng

đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường.

Yêu cầu đặt ra với các thiết bị tích trữ năng lượng được ứng dụng cho đối

tượng tàu điện đô thị: thu hồi năng lượng hãm tái sinh khi tàu vận hành ở chế

độ hãm, thời gian nạp/xả nhanh do tần suất chạy tàu, khoảng cách giữu các ga

ngắn, mật độ công suất cao vì thời gian gia tốc và hãm của tàu điện chỉ tính

bằng giây. Từ những đặc điểm của siêu tụ đã phân tích ở trên: khả năng lưu trữ

lớn, thời gian nạp xả nhanh, mật độ công suất cao, việc lựa chọn siêu tụ là bộ

tích trữ năng lượng của tàu điện đô thị là thích hợp nhất.

2.2.2. Cấu trúc thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ

Năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm của các hệ thống tàu điện trước đây

thường bị đốt trên điện trở hãm gây lãng phí năng lượng điện, phát nhiệt, gây

ô nhiễm môi trường. Do vậy, tác giả đã đề xuất cấu trúc bộ tích trữ năng lượng

siêu tụ đặt trên tàu được tích hợp vào hệ truyền động sức kéo theo phương án

bù phân tán (điều khiển độc lập từng đoàn tàu) trong Hình 2.20. SCESS có khả

năng trao đổi công suất hai chiều với hệ truyền động thông qua bộ biến đổi DC-

DC Interleave. Khi tàu điện vận hành trong chế độ kéo siêu tụ sẽ xả năng lượng

cấp cho hệ truyền động điện kéo và khi tàu điện vận hành trong chế độ hãm,

năng lượng dư thừa sẽ đươc nạp vào siêu tụ.

Trạm điện kéo A Trạm điện kéo B

Pnguồn cấp

Trạm điện kéo

NL nguồn áp

Hãm điện trở

Động cơ kéo

,mT v

m,vw

PSC

UDC-link

n ệ i Đ

IM

n ồ u g N

Bánh tàu

TL

Các lực cản

Siêu tụ

DC-DC Interleave

Froll

FR

Csc

Fgrad

usc

e s r

RSC

Hệ truyền động sức kéo

u*DC-link

* iL

RU

RI

PWM

- iL

- uDC-link

Hình 2.20. Cấu trúc SCESS được tích hợp với hệ truyền động sức kéo

thông qua bộ biến đổi DC-DC Interleave

Tuy nhiên, siêu tụ đặt trên tàu có nhược điểm: hạn chế về không gian lắp

đặt, khối lượng không được quá lớn. Theo tài liệu [69] chỉ ra: với các hệ thống

tàu điện đã vận hành có siêu tụ đặt trên tàu thì khối lượng chiếm 2-3% tổng

khối lượng đoàn tàu. Do đó, trong phần tiếp theo dung lượng, khối lượng siêu

tụ sẽ được tính toán chi tiết.

2.2.3 Tính toán dung lượng siêu tụ

Quá trình tính toán chọn thông số siêu tụ được tham khảo trong tài liệu [32].

Khi siêu tụ tích lũy năng lượng, điện áp trên tụ tăng dần đến giá trị tối đa là

scU -

max

. Khi siêu tụ giải phóng năng lượng, điện áp trên tụ giảm dần đến giá trị

scU -

min

tối thiểu là

90%

Usc-max được lựa chọn dựa vào điện áp trên bus DC là UDC-link [32]

max

- DC link

(2.13)

Với UDC-link = 750V tính được Usc-max = 675V

C U

Năng lượng của siêu tụ được tính theo công thức [32]:

1 2 SC

(2.14)

Với giả thiết điện dung siêu tụ là hằng số, khi điện áp giảm thì năng lượng

trên siêu tụ cũng giảm và ngược lại. Do đó, trong quá trình trao đổi năng lượng,

giá trị điện áp tối thiểu Usc-min cần được lựa chọn sao cho siêu tụ không xả

kiệt năng lượng và cần phù hợp với khả năng làm việc của bộ biến đổi công

scU -

max

. Chọn: suất. Theo [31], thường lấy Usc-min bằng khoảng 40-50% giá trị

min

max

1 2

(2.15)

0, 5

Với sự lựa chọn như (2.15), trong quá trình xả, năng lượng còn lại là 25%

min

max

scU -

min

. Nếu lựa chọn khi điện áp giảm xuống đến giá trị

thấp hơn nữa thì có thể huy động sâu hơn năng lượng của siêu tụ nhưng lúc đó

hiệu suất của quá trình trao đổi năng lượng bị suy giảm nhiều phụ thuộc vào

khả năng tăng áp của bộ biến đổi DC-DC. Nếu hệ số tăng áp lên cao thì đi-ốt

phải truyền tải năng lượng nhiều hơn cho tụ C trong một khoảng thời gian càng

scU -

max

U -

quá sẽ dẫn ngắn sẽ làm giảm hiệu suất. Nếu lựa chọn gần sát với DC link

tới các van phải truyền tải năng lượng cực nhanh tới cuộn cảm, điều này cũng

làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi.

Khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau. Do

đó ở chế độ trung gian (sẵn sàng nạp hoặc xả) siêu tụ sẽ phải làm việc ở một

điện áp:

min

- sc inM

max

(2.16)

Cách xác định Usc-inM như sau [32]:

USCmax

USC

USCinM

USCmin

t3

t

t0

t1

t2

PSC

t

Chờ

Xả

Chờ

Nạp

Hình 2.21. Quá trình nạp và xả khi hệ truyền động trong chế độ hãm và kéo

Để tích lũy năng lượng thì quá trình nạp xảy ra, điện áp trên tụ sẽ tăng

đến Usc-max, Hình 2.21 mô tả siêu tụ được nạp khi hệ truyền động ở chế độ hãm.

Điện áp siêu tụ được nạp đến giá trị điện áp trung gian UscinM. Tại thời gian t0,

hệ truyền động vận hành ở chế độ hãm và siêu tụ bắt đầu nạp. Điện áp Usc

tăng đến điện áp Usc-max. Tại thời gian t1 quá trình hãm kết thúc. Siêu tụ giữ ở

trạng thái chờ, điện áp không đổi. Ngay khi động cơ làm việc ở chế độ kéo, tại

thời gian t2, siêu tụ xả đến giá trị điện áp trung gian UscinM. Ngay khi điện áp

đạt đến giá trị trung gian UscinM, tại khoảng thời gian t3, quá trình xả kết thúc

và siêu tụ lại ở trạng thái chờ, đợi quá trình hãm tiếp theo.

Giả thiết bỏ qua sự thay đổi điện dung của siêu tụ theo các yếu tố như điện áp,

)

( C U

nhiệt độ… (coi điện dung siêu tụ là không đổi) năng lượng nạp được tính:

- sc inM

arg

max

1 2

(2.17)

)

( C U

Tương tự như vậy, điện áp trên tụ sẽ giảm đến UscinM, năng lượng xả được tính:

disch

- sc inM

arg

min

1 2

(2.18)

Để khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau

)

( C U

thì điện áp sẵn sàng làm việc của siêu tụ được tính như sau:

- sc inM

min

max

1 2

(2.19)

U (

)

U (

)

- sc inM

max

min

max

1 2

5 U 8

1 2

æ ç ç ç çè

ö÷ ÷ ÷ ÷ ø

(2.20)

Kết quả tính toán chi tiết dung lượng siêu tụ được trình bày trong phụ lục.

Bảng 2.5. Tính toán bộ tích trữ năng lượng siêu tụ

Siêu tụ Maxwell BMOD0063 P125 Giá trị

Khối lượng siêu tụ đặt trên tàu 7,3 tấn

scN

Số modun siêu tụ 120

sN )

Số modun siêu tụ mắc nối tiếp ( 6

)pN

Số modun mắc song song ( 20

scC )

Điện dung siêu tụ ( 210 (F)

scE -

max

Năng lượng lưu trữ trong siêu tụ ( ) 12,25kWh

So với khối lượng đoàn tàu 247,6 tấn, khối lượng siêu tụ chiếm 3%.

2.2.4. Mô hình hóa kho điện siêu tụ

Siêu tụ là một đối tượng phức tạp, việc xác định mô hình siêu tụ phải dựa trên

các đặc tính vật lý sau:

 Đặc điểm điện hóa của hai lớp vật liệu được mô tả bằng một mạch RC. Thành

phần điện trở R phụ thuộc vào trở kháng của vật liệu làm điện cực, chất điện

môi, lớp tiếp xúc.

 Theo lý thuyết về lớp điện thế của tụ hai lớp thì thành phần C thay đổi theo

điện áp đặt vào hai cực của tụ.

 Sự tồn tại của hiện tượng tự xả năng lượng.

Việc mô hình siêu tụ được chia thành hai nhóm: Mô hình mạch điện tương đương

và mô hình điện hóa.

 Mô hình điện hóa: cho phép mô tả chính xác bản chất siêu tụ với các hiện

tượng vật lý xảy ra bên trong nó. Tuy nhiên, tham số cần thiết để mô hình

hóa do nhà sản xuất nắm giữ công nghệ chế tạo. Loại mô hình điện hóa không

phù hợp cho mục tiêu thiết kế điều khiển nên không được đề cập trong luận

án.

 Mô hình mạch điện tương đương: Siêu tụ được thay thế bằng mạch điện gồm

nhiều nhánh mắc song song [32]. Đối với mô hình nhiều nhánh RC: Các nhánh

đặc trưng cho những hằng số thời gian từ nhỏ đến lớn. Với mô hình ba nhánh

RC, động học siêu tụ được mô tả đủ chính xác với hằng số thời gian lên đến

phút. Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng siêu tụ ứng dụng cho tàu điện đô thị

với thời gian nạp/xả tính bằng giây nên việc mô tả siêu tụ với mô hình ba

nhánh RC là không cần thiết. Do đó, mô hình bậc hai (hai nhánh RC) trong

I d R

Ii R

C i

vsc

C d

Ci0

Ci Ci0

Ci1

V i

Hình 2.22 mang đầy đủ những thành phần phản ánh đặc điểm của siêu tụ.

a) b)

Hình 2.22. Mô hình của siêu tụ

Hai nhánh RC cung cấp hai hằng số thời gian để mô tả quá trình nhanh và

chậm trong Hình 2.22a:

 Nhánh RiCi là nhánh đặc trưng cho động học mang tính tức thời của siêu tụ

với hằng số thời gian cỡ giây, nó mô tả sự thay đổi của năng lượng trong quá

trình nạp/xả của siêu tụ.

 Nhánh RdCd được gọi là nhánh chậm với hằng số thời gian cỡ phút, nó mô tả

quá trình năng lượng ở cuối chu trình nạp/xả. Tụ điện Ci được mô tả bởi hai

thành phần Ci0 (hằng số) và Ci1 (thay đổi theo điện áp đặt vào). Điện trở Ri

là điện trở tương đương của siêu tụ. Điện trở Rp đặc trưng cho hiện tượng tự

xả. Điện trở Rp chỉ ảnh hưởng đến đáp ứng mang tính chất lâu dài của siêu

tụ do hiện tượng dòng rò.

Tàu điện đô thị với thời gian vận hành trong chế độ kéo, hãm tính bằng

giây thì chế độ nạp - xả của siêu tụ phải phù hợp với đặc tính làm việc của đoàn

tàu nên lúc này ta có thể bỏ qua nhánh RdCd (có hằng số thời gian cỡ phút) và

nhánh chứa điện trở RP (đặc trưng cho dòng rò dài hạn trong chế độ tự xả) như

hình 2.22b. Xem hệ hai tụ có điện dung tương đương là Ci phụ thuộc vào điện

C u (

)

k u .

áp ui theo quan hệ:

(2.21)

t ( )

)

C u ( sc sc

(0)

( ) t

du t ( ) sc dt u sc

Gọi Ci=Csc, ui=usc, Ri=rsc

r i sc sc U

= =

( ) t

,max sc ( ) ( ) t u t i sc sc

sc p SC

(2.22)

Mô hình toán học của siêu tụ được biểu diễn như sau: ìïï i ïïïïï sc ( ) u t í sc ïï (0) u ïïï ïïî

2.2.5. Mô hình hóa bộ biến đổi hai chiều DC-DC Interleave

Phân loại các bộ biến đổi DC-DC cho dòng năng lượng chảy hai chiều:

Bộ biến đổi DC-DC

Bộ biến đổi DC-DC cách ly: Flyback. Forward, Half-Bridge, Full bridge

Bộ biến đổi DC-DC không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk

Hình 2.23. Phân loại các bộ biến đổi DC-DC hai chiều [3]

a. Các bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly

Các bộ biến đổi hai chiều cách ly: Flyback, Forward, Half-Bridge, Full Bridge

sử dụng máy biến áp để cách ly giữu nguồn và tải nên gây tổn thất trên máy

biến áp, các bộ biến đổi này thường có công suất nhỏ vài trăm W đến vài kW.

b. Các bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly

Các bộ biến đổi hai chiều không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk không

bị tổn thất năng lượng do không sử dụng máy biến áp cách ly, giảm khối lượng

so với các bộ biến đổi cách ly.

Đặc biệt, những ứng dụng cho đường sắt cần giảm thiểu khối lượng thiết

bị đặt trên tàu, nên bộ biến đổi được chọn là loại không cách ly.

Do nguồn cấp, và hệ truyền động sức kéo sử dụng điện áp cao, công suất

lớn, nên đòi hỏi bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly gồm nhiều nhánh

song song (còn gọi là bộ biến đổi DC-DC Interleave) có ưu điểm giảm dòng điện

chảy qua các van, và giảm độ đập mạch của dòng điện tổng [47,79].

2.2.5.1. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC Interleave ba nhánh van

Kho điện thực hiện quá trình nạp/xả năng lượng theo đặc tính chạy tàu thông

qua bộ biến đổi DC-DC Interleave.

Chỉnh Lưu

Bánh Xe

NLNA

Động Cơ

Hộp Số

AC

i

n ệ Đ

n ồ u g N

RD

DC

SCESS

Bộ Biến Đổi

DC

Siêu Tụ

HB3

HB1

HB2

SBK1

SBK2

SBK3

DBS1

DBS2

DBS3

iL

RL1,L1

Siêu tụ

RL2,L2

UDC-link

CDC

RL3,L3

C s c

usc

e s r

R S C

SBS1

SBS3

SBS2

DBK1

DBK2

DBK3

Hình 2.24. Cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi DC-DC Interleave

Bộ biến đổi DC-DC Interleave có cấu hình gồm các nửa cầu H (Half bridge-

HB) mắc song song, như trong hình 2.24 có ba nửa cầu H mắc song song là:

HB1, HB2, HB3; được đặt giữa nguồn điện áp cao trên bus DC: 750, 1500VDC

và điện áp thấp phía siêu tụ, cho phép năng lượng đi cả hai chiều. Khi đoàn tàu

vận hành ở chế độ kéo, bộ tích trữ sẽ xả năng lượng hỗ trợ chế độ kéo và bộ

biến đổi DC-DC Interleave sẽ làm việc trong chế độ xả (Boost mode), khi đoàn

tàu vận hành ở chế độ hãm, siêu tụ thu hồi năng lượng hãm tái sinh, bộ tích

trữ sẽ nạp năng lượng và bộ biến đổi DC-DC Interleave làm việc ở chế độ nạp

1200

2400

3600

(Buck mode).

Sóng mang HB2

1 Sóng mang HB1

Sóng mang HB3 d

0.75

0 t

SBK1

t

SBS2

SBK2

Đồ thị dạng xung PWM

t

SBK3

t

iL1

iL2

iL3

Các dòng điện cuộn cảm

t

Dòng điện tổng

t

UDC

t

1200

Hình 2.25. Dạng sóng của dòng điện trên các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với hệ số điều chế d = 0.75

Sóng mang HB1

2400 3600

Sóng mang HB2

Sóng mang HB3

d

0.25

t

SBK1

t

Đồ thị dạng xung PWM

S- BK2

t

S- BK3

t

UDC

t

iL1

iL3

iL2

Dòng điện cuộn cảm

t

Dòng điện tổng

Hình 2.26. Dạng sóng của dòng điện trên các cuộn cảm và điện áp

trên bus DC với hệ số điều chế d = 0.25

Hình 2.25, Hình 2.26 chỉ ra sóng mang trên các nhánh van là đối xứng, dạng

sóng của dòng qua các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với các hệ số điều chế

d khác nhau.

Để mạch lực bộ biến đổi DC-DC Interleave ba nhánh van hoạt động được

với các giả thiết [63,79, 91]:

 Thành phần điện trở nối tiếp tương đương của các tụ điện (siêu tụ, tụ điện

DC-link) được bỏ qua. Các phần tử thụ động như điện cảm, điện trở của cuộn

cảm trong mạch DC-DC là hằng số.

 Mô hình thay thế tương đương của nghịch lưu nguồn áp 3 pha điều khiển

động cơ điện kéo được quy đổi là nguồn dòng iinv.

 Các van bán dẫn IGBT được coi là lý tưởng: điện trở khi dẫn dòng bằng

không, điện trở khi khóa vô cùng lớn, thời gian chuyển mạch là cực kỳ ngắn.

 Bộ biến đổi DC-DC làm việc ở chế độ dòng điện chạy qua cuộn cảm là liên

tục.

 Quy ước chiều dương của dòng điện chảy qua cuộn cảm ứng với trạng thái

nạp (tích), chiều âm của dòng điện ứng với trạng thái xả (phóng) của siêu tụ.

 Gọi d là hệ số điều chế của van IGBT.

 Sóng mang của các nhánh cầu H: HB1, HB2, HB3 là giống nhau, và đối xứng.

2.2.5.2. Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van

a. Chế độ dẫn dòng của bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van

Với những giả thiết như trên, ta có thể minh họa chế độ dẫn dòng của bộ biến

đổi DC-DC Interleave bằng sơ đồ bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van

iinv

BKS

RL,L

BSD

DC-link

SCU

BSS

BKD

như Hình 2.27.

Hình 2.27. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC một nhánh van

Bộ biến đổi DC-DC một nhánh van có khả năng trao đổi năng lượng hai

chiều và làm việc ở chế độ nạp và chế độ xả phù hợp với đặc tính chạy tàu.

Xét BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc ở chế độ nạp (chế độ Buck), van SBK

sẽ làm việc kết hợp với đi-ốt DBK hình thành nên 2 cấu hình mạch điện như

minh họa trên Hình 2.28.

iinv

q =1 or 0

BKS

RL,L

BSD

DC-link

SCU

BSS

BKD

iinv

BKS

On

BKS

BKS Off RL,L

BSD

RL,L

BSD

DC-link

SCU

BSS

BKD

d t ( )



T on T S

BSS

BKS

offT

onT

Cổng BK

Cổng BS

SCu

Hình 2.28. Chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van trong chế độ nạp (Buck)

Xét BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc ở chế độ xả (chế độ Boost), van

SBS sẽ làm việc kết hợp với đi-ốt DBS hình thành nên 2 cấu hình mạch điện như

minh họa trên Hình 2.29.

iinv

BKS

BSD

RL,L

UDC-link

SCU

BSS

BKD

or 0

q =

iinv

BKS

BSD

RL,L

BSD

U

DC- link

SC

DC- link

BSS

SC

SCU

On

SCU

BSS

off

BSS

BKD

d t

( )



T T S

BSS offT

BKS onT

Cổng BK

Cổng BS

DCu

L-i

Hình 2.29. Chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc trong

chế độ xả (Boost)

b. Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC một nhánh van

Sau khi phân tích chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc ở

chế độ nạp -xả, tiếp tục thực hiện việc mô hình hóa bộ biến đổi. Có hai phương

pháp mô hình hóa bộ biến đổi [3,90,91]:

 Phương pháp trung bình không gian trạng thái

 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng - cắt

Trong luận án sử dụng phương pháp trung bình hóa mạch đóng - cắt

Áp dụng phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt

Trung bình hóa mạch đóng cắt dùng thay thế một phần của mạch điện

bằng một máy biến áp lý tưởng với các biến là điện áp, dòng điện ở cửa vào và

Buck

Boost

RL,L

BSD

BKS

RL,L

cửa ra.

UDC-link

C UDC-

link

BSS

BKD

= - 1

d t( ) :

(a) (b)

Hình 2.30. Mô hình động học trung bình của BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van

Phần tử đóng - cắt (các van) trong Hình 2.30a được thay thế bằng mạng

d t là ( ) : 1

hai cửa là một máy biến áp lý tưởng như Hình 2.30b với tỷ số của máy biến áp

Bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van được sử dụng để kết nối bộ

tích trữ năng lượng siêu tụ có điện áp thấp được thay thế bởi các phần tử thụ

R C với hệ truyền động điện kéo có điện áp cao được thay thế bởi

,SC

t thể hiện trong Hình 2.31. Mối liên hệ giữu các đại lượng dòng, ( )

động

invi

nguồn dòng

áp cửa vào và ra được biểu diễn:

= =

d t u t ( ) ( ) d t i t ( ) ( )

ìï u t ( ) ï í ï i t ( ) ïî

(2.23)

invi

i t 2( )

u -

DC link

i t 1( ) +

u t 2( )

1( )u t

Csc

+ scuSCR -

d(t):1

BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van

Hình 2.31. Mạch điện tương đương được biểu diễn theo tín hiệu trung bình của

Dựa vào mạch điện tương đương của bộ biến đổi DC-DC hai chiều trong

Hình 2.31, áp dụng định luật Kirchhoff 1, 2 phương trình trạng thái của bộ biến

= -

i t ( )

d t u ( )

t ( )

u t ( )

- DC link

R L

1 L

đổi được biểu diễn như sau:

1 L du

t ( )

- DC link

t ( )

d t i t ( ) ( )

i t ( )

inv

1 C

ìïï di t ( ) ïïïí dt ïï i ïïïî

(2.24)

Chi tiết thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave bằng các phương pháp

điều khiển khác nhau sẽ được trình bày trong chương 3.

Kết luận chương 2

Nội dung chương 2 đã trình bày chi tiết về bài toán mô hình hóa đối tượng tàu

điện và bộ tích trữ năng lượng siêu tụ. Trong mô hình hóa đoàn tàu thực hiện

phân loại hệ truyền động sức kéo, phân loại các đặc tính chạy tàu, xây dựng mô

hình đoàn tàu: Phân tích các lực tác động lên đoàn tàu, hồi quy các đường đặc

tính lực kéo, hãm điện, xây dựng phương trình chuyển động của đoàn tàu,

phương trình chuyển động của động cơ, tính toán momen tải. Trong mô hình

hóa bộ tích trữ năng lượng siêu tụ, thực hiện mô hình hóa siêu tụ và mô hình

hóa bộ biến đổi DC-DC Interleave có ba nhánh van. Xây dựng được mô hình

động học cho hệ thống là cơ sở cốt lõi để đề xuất các chiến lược quản lý năng

lượng vận hành đoàn tàu phù hợp ở chương 3.

Nội dung chương 2 trình bày trong công trình [6] thuộc danh mục các công

trình đã công bố của tác giả.

CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG VẬN HÀNH ĐOÀN TÀU CÓ SIÊU TỤ

Khi tàu điện vận hành, quá trình gia tốc, hãm dừng xảy ra liên tục vì khoảng

cách giữu các ga ngắn, năng lượng trả lưới trong quá trình hãm thường bị tiêu

tán trên điện trở hãm. Do vậy, tối ưu năng lượng chạy tàu, đồng thời đảm bảo

chính xác thời gian chạy tàu là một trong những hướng nghiên cứu rất được

quan tâm hiện nay. Hình 3.1 đưa ra cấu trúc điều khiển tổng thể năng lượng

vận hành đoàn tàu với mục tiêu tiết kiệm năng lượng:

 Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave nhằm kiểm soát thu

hồi năng lượng hãm tái sinh bằng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ trên tàu.  Sử dụng thuật toán tối ưu xác định profile tốc độ chạy tàu khi đoàn tàu

có tích hợp bộ tích trữ năng lượng siêu tụ.

Trạm điện kéo A Trạm điện kéo B

Pnguồn cấp

Trạm điện kéo

NL nguồn áp

Hãm điện trở

Động cơ kéo

,mT v

m,vw

PSC

UDC-link

n ệ i Đ

IM

n ồ u g N

Bánh tàu

TL

Các lực cản

Siêu tụ

DC-DC Interleave

Froll

FR

Csc

Fgrad

usc

e s r

RSC

Hệ truyền động sức kéo

u*DC-link

* iL

RU

RI

PWM

- iL

- uDC-link

HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG (ÁP DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU)

Các lực kéo, cản, hãm

Thông số đoàn tàu, tốc độ, khoảng cách, thời gian chạy tàu..

Hình 3.1. Cấu trúc điều khiển tổng thể năng lượng vận hành đoàn tàu

3.1. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave

Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave trao đổi năng lượng hai chiều

kiểm soát quá trình nạp - xả của siêu tụ theo đặc tính chạy tàu bằng cách điều

khiển dòng điện qua cuộn cảm, đồng thời điều khiển cân bằng năng lượng giữa

U -

trong khoảng giá trị cho phép. nguồn và tải bằng cách giữ giá trị điện áp DC link

Các bộ điều khiển được thiết kế theo hai nguyên lý: Điều khiển điện áp (Voltage

mode), điều khiển dòng điện (Current mode) [79,90,91]. Thiết kế điều khiển điện

áp chỉ có một mạch vòng phản hồi điện áp trên tụ DC-link; thiết kế điều khiển

dòng điện (Current mode) gồm có hai mạch vòng: mạch vòng ngoài là vòng điều

khiển điện áp trên UDC-link đảm bảo cân bằng công suất giữa nguồn và tải, và

vòng trong là điều khiển dòng điện trên cuộn cảm Li để kiểm soát quá trình nạp

- xả của siêu tụ. Nguyên lý điều khiển dòng điện bao gồm: nguyên lý điều khiển

dòng điện trung bình (Average current mode) và nguyên lý điều khiển dòng điện

đỉnh (Peak current mode); nguyên lý dòng điện đỉnh được trình bày trong công

trình nghiên cứu số [5] thuộc danh mục các công trình đã công bố của tác giả.

Trong phần thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave, tác giả tập trung

trình bày chi tiết thiết kế luật điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC Interleave

u* - DC link

theo nguyên lý dòng điện trung bình thể hiện trong Hình 3.2.

PWM

Voltage Controller

Current Controller

u -

DC link

DC/DC Converter

Hình 3.2. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển dòng điện theo nguyên lý dòng điện

trung bình cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Thiết kế điều khiển vòng ngoài PI, vòng trong PI hoặc FRT(Finite

Response Time - bám tín hiệu đặt sau một số bước hữu hạn); bộ điều khiển

FRT được trình bày trong công trình số [2] thuộc danh mục các công trình đã

công bố của tác giả.

3.1.1. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện

Trên thực tế giá trị các cuộn cảm không hoàn toàn giống nhau, nên trong phần

thiết kế điều khiển cần tách riêng rẽ từng nhánh van để điều khiển, khi đó tín

hiệu đặt vào mỗi bộ điều khiển là tín hiệu dòng tổng đặt chia 3, và dòng điện

trên mỗi nhánh được điều khiển bằng một bộ điều khiển PI riêng. Điều khiển

dòng điện nạp - xả của siêu tụ hay cũng là dòng điện trung bình chảy qua cuộn

cảm nhằm điều khiển công suất SCESS trao đổi với lưới. Mục tiêu thiết kế bộ

Li .

điều khiển sao cho dòng điện trung bình qua cuộn cảm Li bám theo giá trị đặt

+

1/3

PI/ FRT

SBK1

‐ iL1

_

CARRIER 1

SDK1

0 +

CARRIER

+

PI/ FRT

SBK2

‐ iL2

_

CARRIER2

SDK2

120 deg phase delay

+

PI/ FRT

SBK3

‐ iL3

_

CARRIER3

SDK3

240 deg phase delay

Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện

Cấu trúc điều khiển được chỉ ra trong Hình 3.3 với ba bước thiết kế:

Bước 1: Từ sơ đồ mạch điện tương đương Hình 2.31 được biểu diễn theo các

biến trạng thái là các giá trị trung bình của dòng điện chạy qua cuộn cảm Li và

u -

, sử dụng các định luật Kirchhoff 1, 2 viết phương điện áp trên tụ DC-link DC link

trình mạch điện như sau:

= -

i t ( )

d t u ( )

u t ( )

t ( )

- DC link

1 L

R L

1 L

t ( )

- DC link

= -

d t i t ( ) ( )

t ( )

inv

1 C

ìïï di t ( ) ïïïí dt ïï du ïïïî Phương trình (3.1) có biến điều khiển là hệ số điều chế d(t). Hệ có dạng

(3.1)

t ( ).

phi tuyến do tồn tại phép nhân giữa biến điều khiển d(t) và biến trạng thái

- DC link

Có nhiều phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến, nhưng trong bài

toán thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave tác giả sử dụng phương

pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.

Bước 2: Xác định các điểm làm việc cân bằng bằng cách cho đạo hàm vế trái

R L

- DC link

SC L

của hệ phương trình (3.1) bằng không và các đại lượng ở trạng thái xác lập.

L - 1

L i inv C

ìïïïïïí ïïïïïî

)

(3.2)

I U - (

Le DC link e

là các điểm làm việc Giải hệ phương trình (3.2) tìm được nghiệm

SCU và hệ số điều chế D.

ứng với giá trị điện áp trên siêu tụ đo được là

Bước 3: Thực hiện tuyến tính hóa phương trình đầu của hệ phương trình (3.1).

Do mô hình là phi tuyến, nên thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp tuyến

tính hóa xung quanh điểm làm việc cần hải tìm được mô hình khác phù hợp hơn

để mô tả mô hình bộ biến đổi DC-DC dưới góc độ quan hệ hàm truyền đạt.

Theo [2], mô hình tín hiệu nhỏ là giải pháp để thực hiện ý tưởng trên và phục

vụ cho công việc thiết kế bộ điều khiển tuyến tính sau này.

= +

t ( )

 ( ) D d t  u t ( ) 1 I =

Quan hệ giữa giá trị trung bình, giá trị xác lập, và tín hiệu nhỏ được chỉ ra:

U = + 1 t i ( ) = L u

Le t ( )

 i L U

t ( )

- DC linke

 u - DC link

- DC link  I i t ( ) = + 2 2

ìï d t ( ) ïïï u t ( ) ïïïï 1 i t ( ) í ïï 1 u t ( ) ïïïï 2 i t ( ) ïïî 2

( ),

(3.3)

 ( ), i t u t Trong đó: 1

 1

 i L

 ( ), t u DC link -

   ( ), ( ) ( ), ( ), i t u t d t t 2 2

là biến động nhỏ xung quanh

điểm làm việc.

= -

 ( ) i t

 ( ( ) d t U

 Du

( )) t

 ( ) u t

Tuyến tính hóa phương trình (1) của hệ phương trình (3.1):

DC linke -

DC link -

 di t ( ) dt

R L

1 L



= -

 d s ( )

s ( )

(3.4)

 si s ( ) L

 i s ( ) L

 u s ( ) sc

DC linke -

 Du DC link -

R L L

1 L

(3.5)

u -

) chậm hơn rất nhiều so với Giả thiết biến động điện áp trên tụ ( DC link

bên cạnh đó, giả sử đạt được mục tiêu điều khiển dòng điện qua cuộn cảm ( );Li

 u -

ổn định điện áp trên DC-link thì biến động nhỏ DC link được bỏ qua và scu là biến

SCU cũng được bỏ qua.

động nhỏ của

Hàm truyền giữa dòng điện cuộn cảm trên mỗi nhánh và hệ số điều chế xét

R L

trên miền tín hiệu nhỏ được tính như sau:

G s ( ) dd

 ( ) i s L  d s ( )

k C + T s C

(

- DC linke L R L

(3.6)

T ; C

k C

- DC linke R L

L R L

Ở đây:

Vì hàm truyền trong (3.6) có dạng hệ bậc 1 nên cấu trúc điều khiển PI được sử

dụng để đảm bảo ổn định hệ thống và triệt tiêu sai lệch tĩnh. Với bộ PI, bộ điều

)

T s IC

(s)

)

khiển được mô tả toán học như sau:

1 T s IC

T s IC

(3.7)

Rdd(s)

Gdd(s)

Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện như Hình 3.4.

Hình 3.4. Cấu trúc mạch vòng dòng điện dưới dạng hàm truyền

T s IC

s ( )

Hàm truyền hệ kín trở thành:

kin

_ dd

G s R s ( ) ( ) dd dd + G s R s ( ) ( )

s )

T T IC C k k pC C

1 k k pC C

(3.8)

Do hệ quán tính bậc nhất với hệ số khuếch đại bằng 1 luôn ổn định, có sai

lệch tĩnh bằng 0 và quá trình quá độ càng ngắn nếu hằng số thời gian quán tính

,pC k T sao cho hàm truyền hệ kín

càng nhỏ, nên ở đây sẽ xác định hai tham số

( ) s

trong công thức (3.8) có dạng:

¢ kinG

_ dd

1 ¢+ T s

(3.9)

k T sao cho Gkin-dd(s) ,pC

Để đưa được (3.8) về (3.9), bước đầu tiên phải xác định

= -

) s

cho bởi (3.8) cũng có một điểm cực trùng với điểm không của nó là:

0 + = khi

1 T

T T IC C k k pC C

1 k k pC C



1 T

ö ÷ ÷ ÷ ÷÷ ø

æ ç ç 1 ç ç ç è

öæ ÷ ç÷ - ç÷ ç÷ ç÷ è ø

1 2 T IC

1 + =

, tương đương với:

T T IC C k k pC C T C T k k I C pC C

1 k k pC C

T C T k k IC pC C

1 k k pC C

T T - C IC T k k IC pC C

æ ç ç 1 - + ç ç çè

1 k k pC C ö ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ø



T = - C

T Vậy IC

T= C

(3.10)

T Với tham số IC

T C

L R L

s ( )

được chọn như trên thì để hệ kín trở thành:

_ dd

kin

1 ¢+ T s

1 k k pC C

T T IC C k k pC C

T s + IC æ ç ç 1 ç ç çè

ö ÷ ÷ s +÷ ÷ ÷ ø

(3.11)

¢+ T s

( 1

)( 1

)

T s IC

T T IC C k k pC C

Hằng số thời gian quán tính T ¢ phải thỏa mãn:

æ ç ç 1 ç ç çè ( 1

ö÷ ÷ +÷ s ÷ ÷ ø )

T C

1 k k pC C k k pC C

T C k k pC C

k k pC C

)

T C

k k pC C



T (

)

+ (3.13)

+ T s T T s C

T C k k pC C

k k pC C

)

T C

k k pC C

T C

k k pC C

¢ T  =

T - = C

T C k k pC C

k k pC C



(3.12)

T C k k pC C

ìï ï ¢ ï + = T T ïïï C í ïï ¢ = T T ïïïïî C

(3.14)

( ) s

Suy ra:

kin

_ dd

T s IC (1

pC C

k k s ) pC C

é k k T Ts ê ë

ù 1 ú û

1 T C k k pC C

(3.15)

qdI

T C k k pC C

( ) s

Đặt

kin

_ dd

1 + T s qd

(3.16)

200

Chọn thời gian quá độ qdIT mong muốn giá trị thực bám giá trị đặt, với mạch

qdIT

= ⋅

- 4 2 10 ( ) s

T Vậy nếu chọn IC

T= và C

T C k k pC C

(do tần số chuyển mạch 5kHz). vòng dòng điện chọn

k T cần tìm là : ,pC

DC linke

L R L 410 ⋅ L ⋅ U -

ìïï T ïïï í ï ïïï k ïî

Hệ số

3.1.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp - điều khiển điện áp DC-link

u -

* DC link

u -

bám giá trị với giá trị Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp DC link

* DC link

u -

là hằng số bằng điện áp làm việc danh định theo tiêu chuẩn cấp điện

sức kéo EN 50163 và IEC 60850 đảm bảo cân bằng được năng lượng giữa nguồn

và tải.

Với cấu trúc mạch vòng điện áp xây dựng trong Hình 3.5 các bước tính

toán tham số của bộ điều khiển PI cho mạch vòng điện áp tương tự như thiết

DC link -

kế bộ điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện.

+

PI

+

1/3

SBK1

‐ iL1

_

CARRIER 1

+ ‐ u

- DC link

SDK1

0 +

CARRIER

PI

+

SBK2

‐ iL2

_

CARRIER 2

SDK2

120 deg phase delay

+

PI

+

SBK3

‐ iL3

_

CARRIER 3

SDK3

240 deg phase delay

Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng

iº , bỏ qua tổn thất trên cuộn cảm L. Ta có phương trình 1 của hệ phương

i L

* L

Nếu thiết kế mạch vòng dòng điện thỏa mãn nhanh, chính xác nghĩa là

t dt ( )

t ( )

L di . L

DC link -

trình (3.1) tương đương:

= d t u ( ). u t ( ) sc



d t ( )

t ( )

DC link -

(3.17)

t ( )

u t ( ) sc

( ) t

= -

i L

i inv

- DC link dt

1 C

DC link -

Biểu diễn lại phương trình (2) của hệ phương trình (3.1)

1 C u ( ) t

( ) t

( ) t u

( ) t

= -

( ) ( ) t u t i sc L

i inv

DC link -

DC link - dt

( ) t 1 C

1 C

(3.18)

Thực hiện tuyến tính hóa phương trình (2) của hệ phương trình (3.1) như sau:

 i

= -

DC linke -

 U i SCe L

 u inve DC link

DC linke inv

 du DC link - dt

1 C

= -

 i

s s ( )

s ( )

(3.19) 1 C

 u DC link DC link

 U i s ( ) SCe L

 u inve DC link

DC linke inv

1 C

s ( )

(3.20)

 u DC link -

 i s ( ) L

 i inv

s - DC linke

inve

- DC linke s - DC linke

inve

(3.21)

u -

s ( )

Hàm truyền giữa DC link với dòng điện cuộn cảm Li là:

G s ( ) da

 u DC link -  i s ( ) L

k V + T s V

= -

(3.22)

k V

T ; V

U I

CU - DC linke I

inve

Trong đó:

Đối tượng vòng ngoài cũng là dạng hệ bậc 1 nên bộ điều khiển được lựa

chọn là PI. Hằng số thời gian của mạch vòng dòng điện được lựa chọn nhanh

hơn ít nhất 5 lần so với mạch vòng điện áp. Khi đó, tương tự như mạch vòng

)

T s IV

(s)

)

dòng điện, thiết kế bộ điều khiển PI cho mạch vòng điện áp có dạng:

1 T s IV

T s IV

(3.23)

T s

s ( )

Lúc này, hàm truyền hệ kín trở thành:

kin

_ da

G s R s ( ) ( ) + G s R s ( ) ( )

IV V

s )

T T k k

1 k k

pV V

iinv

Gdinv(s)

uDC-link

u -

DC link

Rdd(s)

Gdd(s)

Rda(s)

Gda(s)

uDC-link

Current Controller

Voltage Controller

(3.24)

Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng dưới dạng hàm truyền

Việc phân tích, biến đổi hàm truyền của hệ kín cho mạch vòng điện áp

tương tự như hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện ở trên, nhưng thời

sm 2000 .

gian quá độ của mạch vòng điện áp thường lớn gấp 10 lần mạch vòng dòng điện

qdVT

= -

CU - DC linke I

inve

nên

k T cần tìm là : ,pV

⋅

310

ï k

= -

- DC linke 2 U

ìïï T ïïïïí ïïïïïî

Vậy Hệ số

3.1.3. Kiểm chứng thiết kế bộ biến đổi DC-DC Interleave

Sử dụng công cụ phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink/SimPower Systems để kiểm chứng tính đúng đắn trong thiết kế hai mạch vòng kiểm soát chế độ nạp - xả của siêu tụ theo đặc tính chạy tàu.

]

A

[ L I

Time(s)

Hình 3.7. Giá trị dòng điện iL trong các nhánh và dòng điện tổng

i nhánh 1 L

i L 2

i có giá trị nhỏ hơn dòng điện tổng Li và độ đập mạch lớn hơn L 3

Hình 3.7 chỉ ra thiết kế vòng điều khiển dòng điện với dòng điện trong ba

dòng điện tổng iL. Đây chính là ưu điểm của bộ biến đổi DC-DC Interleave.

Hình 3.8 thể hiện kết quả mô phỏng trạng thái nạp của siêu tụ (State Of

Charge - SOC), dòng điện, điện áp của 01 modun siêu tụ, chứng tỏ thiết kế điều

khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave đã đáp ứng đúng đặc tính chạy tàu: với

thời gian chạy tàu từ ga Cát Linh đến La Thành là 68s.

80

79 % C O S

78

77

10

20

30

40

50

60

68 Time(s)

700 ]

600 V

[ c s

500 U

400

68

20

30

40 300 0

60

10

50 Time(s)

1000

500 ]

A

0 [ c s I

-500

-1000

0

20

40

50

60

10

30

68 Time(s)

Hình 3.8. Trạng thái nạp, điện áp, dòng điện của siêu tụ

trong một chu trình chạy tàu

Khi đoàn tàu vận hành ở chế độ kéo từ 0-28s dòng điện trên siêu tụ dương,

chứng tỏ siêu tụ đang xả năng lượng thu hồi được trong chế độ hãm để hỗ trợ

năng lượng cho đoàn tàu trong chế độ kéo, từ 28-48s dòng điện siêu tụ bằng 0,

tương ứng đoàn tàu vận hành trong chế độ chạy đà, từ 48-68s đoàn tàu vận

hành trong chế độ hãm tương ứng chế độ nạp của siêu tụ và dòng điện siêu tụ

âm.

Hình 3.9. Nạp/xả siêu tụ khi đoàn tàu có tích hợp SCESS

( , )

Siêu tụ đặt trên tàu, công suất siêu tụ trong quá trình nạp - xả phụ thuộc

scp v t . Tuy nhiên, để đơn giản

vào cả tốc độ, và thời gian vận hành đoàn tàu

hơn cho thiết kế điều khiển tìm profile tốc độ tối ưu và phù hợp với mô hình

( )

toán học của siêu tụ trong công thức (2.26), Hình 3.9 mô phỏng họ đường đặc

scp t mà vẫn thể hiện được vai trò ảnh

tính scp chỉ phụ thuộc vào thời gian:

hưởng của tốc độ đoàn tàu trong việc thu hồi năng lượng hãm tái sinh.

Phân tích Hình 3.9 cho thấy đường đặc tính công suất nét liền có tốc độ

225

kéo là 75km/h; tốc độ hãm là 65 km/h, siêu tụ xả năng lượng trong 24 giây (từ

SC mP

- = -

kW= 0

0 đến giây thứ 24) với hỗ trợ năng lượng cho đoàn tàu trong

SCP

chế độ kéo. Siêu tụ không nạp cũng không xả trong 23 giây, (từ

giây thứ 24 đến 47) tương ứng đoàn tàu vận hành trong chế độ chạy đà và siêu

447

tụ nạp năng lượng hãm tái sinh trong 12s (từ giây thứ 47 đến 59) khi đoàn tàu

SC mP

- =

chạy ở chế độ hãm với ; giai đoạn hãm cuối trong vòng 9 giây

(từ giây thứ 59 đến 68) hãm đoàn tàu bằng phanh cơ khí, lúc này đoàn tàu chạy

với tốc độ thấp <5km/h sẽ không thu hồi được năng lượng hãm. Đường đặc tính

= -

200

công suất nét đứt tương ứng với tốc độ kéo là 70km/h, tốc độ hãm là 60km/h

SCP

-max

siêu tụ xả năng lượng trong 22 giây (từ 0 đến giây thứ 22) với

kW= 0

hỗ trợ năng lượng cho đoàn tàu trong chế độ kéo. Siêu tụ không nạp cũng không

SCP

(từ giây thứ 22 đến 50) tương ứng đoàn tàu vận xả trong 28 giây,

385

hành trong chế độ chạy đà; và siêu tụ nạp năng lượng hãm tái sinh trong 9s (từ

SC mP

- =

giây thứ 50 đến 59) khi đoàn tàu chạy ở chế độ hãm với .

3.2. Tổng quát điều khiển tối ưu hệ liên tục

Một hệ điều khiển được thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn ở trạng

thái tối ưu theo một tiêu chuẩn chất lượng nào đó (đạt được giá trị cực trị).

* ( )u x

Nhiệm vụ trọng tâm của điều khiển tối ưu là tìm tín hiệu điều khiển tối ưu

0y tới điểm cuối

để chất lượng quá trình chuyển đổi trạng thái từ điểm đầu

của hệ là tốt nhất.

Bài toán điều khiển tối ưu tổng quát thường gồm 4 yếu tố [6]:

 Đối tượng điều khiển

 Trạng thái đầu và cuối của điều khiển

 Tiêu chuẩn tối ưu

 Lớp các điều khiển cho phép

3.2.1. Đối tượng điều khiển

Ta xét đối tượng điều khiển là một hệ động lực được mô tả bởi hệ phương trình

, )

¢= = y

vi phân thường:

f y u x trơn theo ,y u

( f y u x ,

)

 là vector của n biến trạng thái của hệ,

, trong đó vector hàm ( , (3.25)

æ ö÷ y x 1( ) ç ÷ ç ÷ ç ÷ ç= Î÷  ç ÷ ç ÷ ÷÷ ç ( ) y x çè ø n

 là vector của m tín hiệu điều khiển,

ö÷ æ u x 1( ) ç ÷ ç ÷ ç ÷ ç= Î÷  ç ÷ ç ÷ ÷÷ ç u x ( ) çè ø m

f y u x 1( , , )

f y u x ( , , )

 là vector của n phương trình mô tả hệ thống.

æ ç ç ç ç=  ç ç ç çè

ö÷ ÷ ÷ ÷ Î÷ ÷ ÷ ÷÷ , ) f y u x ( , ø n

(0)y

m U RÍ

với

y= 0

y= là điểm trạng thái cuối và

y x là điểm trạng thái đầu, (

fx là khoảng cách

Ký hiệu là tập các vector tín hiệu điều khiển ( )u x thích hợp,

điều khiển.

(0)y

3.2.2. Trạng thái đầu và cuối của điều khiển

y= là một điểm của không gian trạng thái

n . Trạng thái

Trạng thái đầu

)fy x

có thể là: đầu thường được cho trước. Trạng thái cuối (

y x Trạng thái cuối cố định: (

y= , f



 Trạng thái cuối tự do.

3.2.3. Tiêu chuẩn tối ưu

u x U

, 0

Bài toán điều khiển tối ưu động hệ liên tục (3.25) là xác định tín hiệu điều khiển

£ £ để đưa hệ đi từ trạng thái đầu 0y tới trạng thái cuối

fy sao cho chi phí cho quá trình chuyển đổi trạng thái đó tính theo tiêu chuẩn

tối ưu *( )

tối ưu.

Tiêu chuẩn tối ưu dùng để đánh giá hiệu quả hoặc chất lượng quá trình điều

khiển. Các tiêu chuẩn này có thể là: hiệu suất lớn nhất, năng lượng tiêu thụ nhỏ

nhất,...

Tiêu chuẩn tối ưu thường được diễn đạt dưới dạng một phiếm hàm, gọi là phiếm

J y u ( , )

( ,

, )



min

hàm mục tiêu:

f y u x dx 0

fx ò

, )

f y u x là hàm liên tục đã cho biết trước.

(3.26)

*( )

y x của phương trình (3.25) ứng với tín hiệu điều khiển tối ưu

Trong đó 0( ,

y y được gọi là quỹ đạo trạng thái tối

*( ) u x tìm được và cùng điều kiện biên 0,

Khi đó nghiệm

fx được gọi là khoảng cách xảy ra quá trình tối ưu.

ưu,

3.2.4. Lớp điều khiển cho phép

Lớp các điều khiển cho phép gồm những hàm đo được u UÎ với U là tập lồi cố

định, được gọi là tập giới hạn. Hàm u không nhất thiết là liên tục trong suốt

quá trình mà có thể liên tục từng khúc và bị giới hạn. Điều khiển u không bị

giới hạn hoặc bị giới hạn bởi tập U sẽ dẫn đến các phương pháp khác nhau căn

bản khi giải bài toán điều khiển tối ưu.

3.2.5. Bài toán điều khiển tối ưu tổng quát

u UÎ .

Cho hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân trạng thái (3.25), với

trạng thái đầu 0y , tiêu chuẩn tối ưu (3.26) và lớp các điều khiển cho phép

*u thoả mãn phương trình trạng thái

*u UÎ sao cho

Hãy xác định điều khiển

*( J u

)

J u£ ( )

và các điều kiện của hệ thống đồng thời phiếm hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ

*u được gọi là điều khiển tối ưu, quỹ đạo tương ứng

*( J u=

)

*( )

y x là quỹ đạo tối ưu, giá trị

là giá trị tối ưu của mục tiêu.

nhất . Khi đó

Để giải bài toán điều khiển tối ưu có thể áp dụng ba phương pháp điều khiển

tối ưu:

 Phương pháp biến phân

 Phương pháp quy hoạch động Bellman

 Phương pháp điều khiển tối ưu theo nguyên lý cực đại của Pontryagin.

Tùy thuộc vào từng đối tượng cụ thể để lựa chọn phương pháp điều khiển

tối ưu theo chất lượng điều khiển mong muốn.

Phương pháp biến phân cổ điển chỉ áp dụng được đối với bài toán tối ưu

khi điều khiển ( )u x không bị ràng buộc, hoặc ràng buộc với miền U hở. Bài

u ,tr

u bị ràng br

toán xác định profile tốc độ tối ưu đoàn tàu có biến điều khiển

buộc nằm trong khoảng [0,1].

Phương pháp quy hoạch động DP phù hợp với những bài toán có thời

gian xác định, nhưng do cách tính lượng tử hóa, chia thành các bước tính nhỏ,

nên nhược điểm khối lượng tính toán lớn.

Trong bài toán tìm profile tốc độ tối ưu của đoàn tàu, tác giả sử dụng nguyên

lý cực đại của Pontryagin (Pontryagin's Maximum Principle - PMP).

3.3. Nguyên lý cực đại của Pontryagin

Nguyên lý cực đại Pontryagin là điều kiện cần của điều khiển tối ưu áp dụng

được đối với bài toán có ràng buộc trên điều khiển, tức là ( )u x có thể nằm bên

trong hoặc trên biên của miền U kín.

Nguyên lý cực đại Pontryagin được phát biểu đối với các loại bài toán khác

nhau. Sau đây PMP được xét với một số loại bài toán thường gặp [6].

Xét hệ động lực được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp 1:

( f y u x ,

)

y Î  ,

u Î  ,

f Î  .

(3.27)

với

Đây là hệ phi ôtônôm vì phương trình vi phân mô tả hệ thống có chứa khoảng

(0)y

cách x dạng tường minh.

£ £ . x

y= ; 0 f

y= , ( y x 0

Điều kiện biên:

)fy x là

là trạng thái ban đầu, và ( trong đó: fx là khoảng cách điều khiển, (0)y

trạng thái cuối được cho trước hoặc không cố định.

J u ( )

 , ) min

Tiêu chuẩn tối ưu có dạng:

f y u x ( , 0

fx ò

(3.28)

Bài toán đặt ra là xác định điều khiển ( )u x UÎ và quỹ đạo ( )y x tương ứng

0y đến trạng thái cuối

fy và thỏa

sao cho hệ được chuyển từ trạng thái đầu

mãn tiêu chuẩn tối ưu(3.28).

Ta đưa vào các biến:

, ); (0)

0 =

 Biến trạng thái phụ

f y u x z 0( ,

dz dx

z x ( )

( ,

  , )

(3.29)

f y u x dx 0

fx = ò

z x= (

(3.30) hay

(3.31) Khi đó phiếm hàm mục tiêu (3.28) có thể viết dưới dạng:

1ny

+ = x

(3.32)  Biến phụ:

+ = 1

ndy dx

(3.33) khi đó



 y

 Biến trạng thái mở rộng:

y +

( y

)

( y

)

(3.34)

( y

)



ˆ y

y 1

+ 1

( T =  , z y

)

(3.35)

( z

)

( z

)



 p

T p

 Biến liên hợp (hoặc biến đồng trạng thái):

p n

p 1

p 2

+ 1

(

)

(3.36)

(

)

 dy

  ( , ) f y u

Phương trình (3.27) có dạng:

  ( , ) f y u

( , f y u x

(3.37)

, ( , f y u y +

(

) T , ) ,1

(

) T ) ,1

Trong đó (3.38)

)

f y u y ( , 0

+ 1

dz dx dy

Hệ phương trình vi phân (3.27) và hàm mục tiêu (3.28) có thể viết dưới dạng

( , f y u y

)

+ 1

+ 1 n dx

ìïï =ïïïïïï =í ïïïïï dx dy ïïïî

ˆ dy

(3.39)

( ˆ ˆ, f y u

)

  T , ( , ) f y u

, ( , f y u x

T )

(3.40) hay có dạng

( ˆ ˆ , f y u =

)

f 0

(

)

(

) ,1

ˆ y

trong đó (3.41)

(3.42) Các điều kiện đầu của phương trình vi phân (3.39):

(

) 0

  , ) ( , H y u p

= -

+  T  p f

+ + 

Ta xây dựng hàm Hamilton:

(

)

( p f y u x

)

f y u x , 0

+ 1

n n

+ 1

p n

+ 1

f 0

(3.43)

Vectơ biến đồng trạng thái p , có thể chọn bởi

 dp

= -

T  p

 y u ( , )

¶ f 0  ¶ y

 f  y

T ö ¶ ÷ H ÷ ÷ ÷ ÷  ¶ y ø

æ ç ç ç ç è

T ö ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ø

(3.44)

= -

1, 2,

, 

( , , y u x

)

( , , y u x

)

( k

)

p i

¶ f i ¶ y

¶ f 0 ¶ y

= 1

hoặc dưới dạng

¶ H ¶ y k n

= -

( , , y u x

)

( , , y u x

)

p i

i ¶ f i ¶ x

¶ f 0 ¶ x

= 1

ìï dp ï k ïï dx ï í ï dp ï + 1 n ïï dx ïî

(3.45)

Phương trình (3.45) được gọi là phương trình Euler – Lagrange.

Nguyên lý cực đại Pontryagin đối với hệ phi ôtônôm

u *= đưa hệ thống từ trạng thái đầu

Điều kiện cần để điều khiển tối ưu u

p x* ( )

đến trạng thái cuối fy theo quỹ đạo tối ưu tương ứng y * để phiếm hàm mục tiêu

 đạt cực đại theo u* :  , ) ( , H y u p

không đồng nhất đạt giá trị nhỏ nhất là tồn tại vectơ đồng trạng thái

bằng không, sao cho hàm Hamilton mở rộng

(  , H y u p

) 

)   H y u p ,

(

max u U Î

(3.46)

(  , H y u p

) 

arg max Î u U

hay (3.47)

Các bước thực hiện giải bài toán điều khiển tối ưu theo nguyên lý cực

đại Pontryagin

 Bước 1: Thiết lập phương trình vi phân trạng thái dạng (3.27)

 Bước 2: Lập tiêu chuẩn tối ưu dạng (3.28)

 Bước 3: Lập hàm Hamilton dạng (3.43)

z x  Bước 5: Lập phương trình vi phân mục tiêu bằng cách đặt biến phụ ( )

 Bước 4: Lập phương trình Euler – Lagrange (3.44)

z = theo (3.29)

với điều kiện đầu (0)

 Bước 6: Giải hệ hỗn hợp phương trình vi phân điều khiển (phương trình

vi phân trạng thái, phương trình Euler – Lagrange, phương trình vi phân

mục tiêu) với điều kiện biên. Số các phương trình vi phân bằng số các

điều kiện biên.

3.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu chuyển động đoàn tàu theo nguyên lý cực đại của Pontryagin

3.4.1. Tiêu chuẩn tối ưu

Trong chương 2 đã đưa ra các đặc tính chạy tàu. Tùy thuộc vào khoảng cách

ngắn, dài giữa các khu gian mà đồ thị chạy tàu được chia thành ba hoặc bốn

chế độ vận hành. Với khoảng cách giữa các khu gian ngắn, đoàn tàu có ba chế

độ vận hành: Kéo  chạy đà  hãm; với khoảng cách giữa các khu gian dài,

đoàn tàu có bốn chế độ vận hành: Kéo  ổn tốc chạy đà  hãm. Trong mỗi

chế độ vận hành, hợp lực tác dụng trên đoàn tàu do tổ hợp lực tác dụng khác

nhau hợp thành [1].

 Chế độ kéo: lực tác dụng lên đoàn tàu có lực kéo trF , lực cản vận hành

, hợp lực là:

F tt

F= tr

(3.48)

 Chế độ chạy đà: Lực tác dụng lên đoàn tàu chỉ có lực cản vận hành đoàn

0W , hợp lực là:

tàu

ttF = -

(3.49)

 Vận hành hãm: Lực tác dụng lên đoàn tàu có lực hãm (lực hãm điện brF ,

bmF ) và lực cản vận hành

0W .

hoặc lực hãm cơ khí

(

Với tốc độ đoàn tàu lớn hơn 7Km/h, thì hợp lực là :

F tt

F= - br

W ) 0

(3.50)

F= -

(

Với tốc độ đoàn tàu nhỏ hơn 5Km/h, thì hợp lực là:

F tt

W ) 0

(3.51)

ttF > , hợp lực cùng hướng vận hành của đoàn tàu, đoàn tàu vận hành

Khi

trong chế độ kéo và lực là lực kéo.

ttF < , hợp lực ngược hướng vận hành đoàn tàu, đoàn tàu vận hành trong

Khi

chế độ giảm tốc, và lực là lực hãm.

ttF = , đoàn tàu vận hành tốc độ đều.

Khi

Hợp lực là dương, âm, hoặc bằng 0 tương ứng với các chế độ vận hành của

tàu điện. Lực kéo, lực cản và lực hãm đều là hàm số của tốc độ đoàn tàu, nó

quyết định trạng thái vận hành của đoàn tàu trên tuyến, từ đó quyết định đến

năng lượng cần cấp cho đoàn tàu. Một trong những phương pháp tính toán hiệu

quả năng lượng vận hành đoàn tàu là áp dụng tiêu chuẩn tối ưu trong điều khiển

chạy tàu.

Mục tiêu của điều khiển tối ưu năng lượng trong bài toán vận hành đoàn

tàu là tìm được quỹ đạo chuyển động tối ưu của đoàn tàu, cụ thể là tìm được

tuần tự các chế độ vận hành và các điểm chuyển chế độ tối ưu để mức tiêu thụ

năng lượng chạy tàu ít nhất, mà vẫn đảm bảo các tiêu chí về thời gian chuyển

động của đoàn tàu trên khu gian, độ bền của thiết bị, không gây cảm giác khó

chịu cho hành khách...

Đối với chuyển động tàu điện, tiêu chuẩn tối ưu là chi phí vận chuyển trong

một khu đoạn xem xét. Các chi phí này bao gồm: chi phí điện năng cho lực kéo

đoàn tàu, lực cản của đoàn tàu, tổn thất năng lượng khi hãm, hiệu suất làm việc

của các thiết bị truyền chuyển động và thời gian chạy tàu trên khu gian.

Giả sử chế độ vận hành của đoàn tàu thực hiện trên một khu đoạn nào đó và

không chịu ảnh hưởng của các đoàn tàu khác và khu đoạn khác thì chi phí vận

chuyển của đoàn tàu có thể hiện là [92]:

+ C A C A C A C T g d

w w

(3.52)

eC : Đơn giá của một kWh điện

eA : Tổng số điện năng sử dụng.

wC : Đơn giá của một công khắc phục hư hỏng do ảnh hưởng của lực cản đoàn

Trong đó:

wA : Tổng số công sửa chữa do ảnh hưởng của lực cản đoàn tàu.

tC : Đơn giá của một công sửa chữa do ảnh hưởng khi phanh đoàn tàu.

tàu.

gC : Đơn giá của một giờ tàu chạy.

dT : Thời gian chạy tàu trên khu gian.

tA : Tổng số công khi phanh đoàn tàu.

Để đơn giản hóa ta coi rằng chi phí sửa chữa sẽ tỷ lệ với chi phí điện năng và

 min

được ghép vào chi phí điện năng, lúc đó:

+ C A C T g d

(3.53)

Khi thành lập phương trình chuyển động đoàn tàu các yếu tố cần khảo sát:

 Loại tàu sử dụng.

 Trọng lượng đoàn tàu khi đầy tải, khi tải định mức và khi không tải.

 Thời gian chạy trên khu gian.

 Trắc ngang và trắc dọc của tuyến đường.

 Phân bố các trạm điện kéo.

 Khoảng cách giữu các ga.

Trong trường hợp này, tiêu chuẩn tối ưu điều khiển chuyển động là năng lượng

tiêu thụ cấp cho tàu chuyển động. Đối với đoàn tàu, chi phí năng lượng kéo

được tính theo công thức:

A e

fx = ò

F tr h

(3.54)

ở đây: h - Hiệu suất của cơ cấu truyền động.

3.4.2. Điều khiển tối ưu năng lượng chạy tàu theo nguyên lý cực đại của Pontryagin

Hình 3.10 cho thấy để xác định được năng lượng tối ưu vận hành đoàn tàu, các

thông tin yêu cầu đầu vào là: Dữ liệu về cơ sở hạ tầng của tuyến đường sắt đô

thị, các thông số đoàn tàu, thời gian vận hành, các thông số động như số lượng

hành khách thay đổi theo vị trí các ga, giờ chạy tàu. Áp dụng lý thuyết điều

khiển tối ưu PMP, kết quả thu được đầu ra là xác định được quỹ đạo tốc độ tối

ưu, thời gian chạy tàu, và từ đó tìm được năng lượng tối ưu sử dụng để vận

hành đoàn tàu.

Điều độ chạy tàu - Thời gian chạy tàu - Thời gian dừng tàu - Thời gian quay đầu tàu tại ga đầu cuối

Dữ liệu về cơ sở hạ tầng - Khoảng cách giữu các ga - Độ dốc đường - Bán kính cong đường - Hạn chế tốc độ

THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

Kết quả mô phỏng - Profile tốc độ chạy tàu tối ưu - Thời gian chạy tàu - Năng lượng cấp cho vận hành đoàn tàu

Dữ liệu thông số đoàn tàu - Lực kéo - Lực cản - Lực cản cơ bản - Chiều dài đoàn tàu - Khối lượng đoàn tàu

Các thông số động - Số lượng hành khách - Tổng khối lượng đoàn tàu

Hình 3.10. Sơ đồ khối xác định năng lượng tối ưu vận hành đoàn tàu

3.4.2.1. Xây dựng phương trình chuyển động và hàm mục tiêu

Trong trường hợp đoàn tàu sử dụng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu

thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm và năng lượng này được xả

ra hỗ trợ đoàn tàu vận hành trong chế độ kéo, thì phương trình chuyển động

1 v

của đoàn tàu được biểu diễn lại như sau:

u f v ( )

w v ( )

x ( )

br br

grad

dv dx

( , ) p v t v

( , )

ìïï =ïïïí dt dx ïï v ïïïî

(3.55)

scp v t - là công suất siêu tụ thể

Trong phương trình (3.55) có xuất hiện

hiện hoạt động nạp - xả của bộ tích trữ năng lượng siêu tụ trong các chế độ làm

việc của đoàn tàu. Việc đưa công suất siêu tụ vào phương trình chuyển động

của đoàn tàu được chứng minh chi tiết trong phụ lục 2.

Do siêu tụ đặt trên tàu nên quá trình nạp - xả của siêu tụ không chỉ phụ

thuộc vào thời gian chạy tàu, mà còn phụ thuộc vào tốc độ chạy tàu. Để đơn

giản cho quá trình thiết kế điều khiển tối ưu xác định profile tốc độ chạy tàu,

công suất siêu tụ chỉ biểu diễn qua biến trạng thái thời gian t như đã phân tích

ở phần trên.

p t ( )

P t m ( ) / .

Công suất siêu tụ đơn vị được tính toán như trong mục 2.1.4.2:

Với các thông số kỹ thuật của đoàn tàu và khảo sát tuyến đường các điều

v x ( )

V x ( )

kiện biên được xác định:

(3.56)

0; ( v x t x 0; (

0 T

= =

) = ) =

ìï £ 0 ïïï £ t x ( ) 0 í ïï £ £ x 0 ïïî ìï v (0) ï í ï t (0) ïî

(3.57)

1 1

Các điều kiện ràng buộc:

ø va

ìï £ £ u 0 ïïï £ £ u 0 í ïï u ïïî Khoâng the å ñoàng thôøi coù

(3.58)

(3.59) Profile chạy tàu gồm ba chế độ: kéo chạy đà  hãm

fx - chiều dài của quãng đường

( )V x - vận tốc cho phép lớn nhất,

Ở đây:

( )0v

dT - Thời gian chạy tàu được lập bởi điều độ vận hành

F v ( )

v ( ); 0

F v ( )

v ( )

- vận tốc cuối - vận tốc đầu, ( v x

max

Giới hạn của lực kéo và lực hãm:

(3.60)

Giả thiết giai đoạn gia tốc diễn ra trong khoảng thời gian [t1,t2], giai đoạn chạy

đà diễn ra trong khoảng thời gian [t2,t3], giai đoạn hãm tái sinh diễn ra trong

khoảng thời gian [t3,t4]; siêu tụ được đặt trên tàu nên công suất siêu tụ psc phụ

£ £ t

( ) thôøi gian xaû

( ) P t m

< £ t

p t ( )

( ) thôøi gian chaïy ñaø

thuộc vào hai biến vận tốc và thời gian được tính.

)

t < £

( thôøi gian naïp

P t ( ) m

ìïï- ïïïïï= ïïïï e ïïïî

(3.61)

* và các quỹ đạo chuyển

u u* ,tr br

v x* ( )

t x* ( )

Bài toán đặt ra: Tìm tác động điều khiển tối ưu

động tối ưu của đoàn tàu , theo phương trình trạng thái (3.55) đảm

bảo tiêu chuẩn tối ưu năng lượng vận hành đoàn tàu eA trong (3.54) là nhỏ nhất

với các điều kiện biên (3.56), (3.57), giới hạn lực điều khiển (3.60).

Trong trường hợp đảm bảo thời gian chuyển động đoàn tàu trên khu gian

T T-  0 )

là Td (đã biết trước), gọi thời gian chạy tàu thực tế là aT thì ta phải thêm điều

(3.62) kiện ràng buộc của hàm mục tiêu (3.54): (

= + A

T T (

- 

) min

Áp dụng phương pháp nhân tử Lagrange, ta có hàm mục tiêu mới

(3.63)

el là nhân tử Lagrange chưa xác định được đưa vào để đảm

Trong đó giá trị

bảo thời gian chạy tàu qua từng ga theo đúng yêu cầu của điều độ chạy tàu.



min

Thay giá trị Ae từ (3.54) vào (3.63) có:

= òL

F h

(3.64)

el được lựa chọn không đổi trong từng chế độ vận hành nên ta có

const

l = dT

Ở đây

= + A





min

Hàm mục tiêu được rút gọn lại:

fx ò

F h

T a

(3.65)

=ò dt

dx v

Mặt khác: (3.66)

min





Thay (3.66) vào (3.65), ta được

fx ò

l v

F h

æ ç ç ç çè

ö÷ ÷ ÷ ÷ ø

(3.67)

( ) F v

u F

( ) v

( ) u f v

Từ phương trình (3.55)

trmax

m e

(3.68)

Thay phương trình (3.68) vào phương trình (3.67):



(

) dx

mu f eh

l v

m eh

l eh 1 m v

é ê u f ê ë

ù ú dx ú û

l =

(3.69)

l eh m



. Khi đó, Đặt:

fx ò

m eh

l v

é ê u f ê ë

ù ú dx ú û

min

(3.70)

,m e h là các hằng số. Để hàm mục tiêu



min

fx ò

é ê tru f ê ë

ù l ú+ dx ú v û

Các giá trị thì

Vậy hàm mục tiêu trong phương trình (3.70) có dạng:

fx ò

l v

é ê u f ê ë

ù ú dx ú û

(3.71)

Phương trình (3.71) chỉ ra hàm mục tiêu J đảm bảo tối ưu năng lượng vận

hành đoàn tàu trong trường hợp không thu hồi năng lượng hãm tái sinh. Tuy

nhiên, với đường sắt đô thị, chế độ vận hành kéo và hãm xảy ra liên tục nên

năng lượng hãm tái sinh được tác giả đề xuất thu hồi bởi bộ tích trữ năng lượng

siêu tụ đặt trên tàu và phương trình chuyển động của đoàn tàu được biểu diễn

lại trong phương trình (3.55). Như vậy, xét tổng năng lượng cấp cho đoàn tàu

bao gồm: năng lượng cấp cho các động cơ điện kéo truyền chuyển động kéo tàu

( , )

chạy và năng lượng nạp/xả của siêu tụ trao đổi với hệ truyền động điện kéo nhờ

scp v t . Do vậy, hàm mục tiêu J trong

bộ biến đổi interleave được đặc trưng bởi

trường hợp xét đến thu hồi năng lượng hãm tái sinh ngoài yêu cầu năng lượng

kéo còn kể đến năng lượng do SCESS thu hồi/giải phóng ra, sao cho tổng năng

T a

p dt



min

lượng này là nhỏ nhất, được biểu diễn theo công thức (3.72):

l v

é ê u f v ( ) ê ë

ù ú ú û

(3.72)

min



Hay

l v

1 v

p t ( ) v

l v

é ê u f v ( ) ê ë

ù ú ú û

é ê u f v ( ) ê ë

ù ú ú û

(3.73)

Khi áp dụng phương pháp nhân tử Lagrange là để ghép chung hàm mục

tiêu với điều kiện ràng buộc dạng phương trình thành bài toán tối ưu không

T T

- =

dt T

- =

ràng buộc thì cần phải có thêm điều kiện:

aT ò

J ¶ ¶ l

hay (3.74)

Trong phương trình (3.74), nhân tử el không xuất hiện dưới dạng tường

minh nên không thể giải trực tiếp từ phương trình này. Vì vậy thuật toán xác

định nhân tử Lagrange sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

3.4.2.2. Tối ưu quỹ đạo chuyển động của một đoàn tàu trên cơ sở PMP

Nguyên lý cực đại của Pontryagin được ứng dụng để giải các bài toán vận hành

hiệu quả năng lượng bằng việc tìm ra các điểm chuyển tối ưu của các chế độ

vận hành từ đó có được quỹ đạo vận hành tối ưu năng lượng của đoàn tàu.

Chu trình chạy tàu gồm ba chế độ: Chế độ kéo chế độ chạy đà  chế độ hãm.

Để tìm được profile tốc độ chạy tàu tối ưu cần phải tìm các điểm chuyển chế độ

/ ),

(

( )

hv km h từ đó tìm quãng đường

ax m , thời gian gia tốc ( )

at s ; điểm chuyển

/ ),

tối ưu: điểm chuyển từ chế độ gia tốc sang chạy đà có giá trị tốc độ ổn định

bv km h tìm quãng đường

( )

bx m và thời gian tàu chạy ở chế độ hãm ( )

bt s .

từ chế độ chạy đà sang chế độ hãm có giá trị tốc độ (

vt(km/h)

Gia tốc

Hãm

ta,xa

Chạy đà tc,xc

tb,xb

vh vb

xh

xb

x (m)

Hình 3.11. Đặc tính chạy tàu

Kết hợp (3.55), (3.56), (3.57), (3.60), (3.61), hàm Hamilton được viết:

)

u f v ( ( ) = -

( , ) p v t v u f v ( )

( , ) /

u f v ( )

w v ( )

x ( )

l v p v t +

br br

grad

1 v

æ ç ç ç ç è

ö ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ø

,p p là các biến đồng trạng thái.

(3.75)

Ở đây 1

= -

)

Phương trình vi phân biểu diễn các biến đồng trạng thái

dp dx

1 v

dp v t ( , ) dt

p dp v t ( , ) dt v

1 v

dp v t ( , ) dt

¶ H t ¶

æ ç ç ç ç è

ö ÷ ÷ ÷ ÷ ø

= -

¶ H ¶ v

¶ f ¶ v

l v

p v

é ê u ê ë

ù ú ú û

( ) /

p t

( ) u f v

( ) w v

(3.76)

br br

grad

ù ( ) x ú û

p v

dp dx p v p v

¶ f v ¶

¶ w v ¶

¶ f v ¶

ù ú ú û

é ( ) u f v ê ë é ê u ê ë

p v

(3.77)

= , nên

⋅ =

2p v

= -

¶ H ¶ v

Thay thế

( ) u f v

( ) w v

( ) x

br br

grad

( ) p t v

dv dx

ìï dp ï ïï dx ïïí ï ïï =ïïïî

)

(3.78)

⋅ d p v ( dx

dp dx

dv dx

dp dx



(3.79)

dp dx

dv dx

2dp dx

(3.80)

u f

pu f

p = - (

p + - (

p w (

)

- +

Hàm Hamilton được viết lại như sau:

br br

grad

p v

l v

p v

(3.81)

tru và

bru , các

Để hàm Hamilton đạt giá trị cực đại theo hai biến điều khiển

= - ( p

- ¾¾¾¾ (

)

max

thành phần không chứa

u f tr tr

u u có thể bỏ đi, khi đó chỉ còn: ,tr pu f br br

u p ( tr

pf br

u br

f tr

, u u tr

(3.82)

u u cần tìm để hàm H đạt cực đại sẽ là: ,tr

Vậy hai biến điều khiển

sgn(

bru -

p £ £

sgn(

< 0

sgn(

> 1

{ max 0, { max 0, { max 0,

} )trf } )trf } )trf

tru

neáu

[0,1],

neáu

< < p

neáu

max{ -0, { max 0, { max 0, Theo những phân tích trên, tổng kết lại các chế độ điều khiển tối ưu

[0,1],

neáu

(3.83)

u= 1,

Các chế độ vận hành theo biến điều khiển tối ưu:

= khi 0

p > 1

[0,1]

 Lực kéo lớn nhất (FP):

p = 1

tru Î

bru = khi 0

u= 0,

,  Một phần lực kéo (PP):

= khi 0 0

p< <

u= 0,

 Chạy đà (C):

= khi 1

p < 0

[0,1]

 Lực hãm lớn nhất (FB):

p = 0.

tru = ,

bru Î

khi  Một phần lực hãm (PB):

)

(

¢ ( ) u f v

( ) p t

¢ ( ) u f v

¢ ( ) w v

- -

Thay thế (3.77), (3.79) vào (3.80) ta được phương trình vi phân cho p

br br

dp dx

- v

p v

l v

p v

(3.84)

= ta xác định thời

Điều khiển với chế độ lực kéo lớn nhất:

,at

gian gia tốc khoảng cách gia tốc ax , nhân tử

)

(

¢ ( ) f v

( ) p t

¢ ( ) w v

- -

Sử dụng phương trình (3.84)

dp dx

- v

l v

p v

(3.85)

x t : ,a

( ) v u f v

⋅

( ) p t

( ) x

⋅

grad

Từ phương trình (3.55) xác định được

⋅

( ) v u f v

( ) p t

( ) x

v ( ) - ⋅ v w v v - ⋅ ( ) v w v

grad

ìïï =ïï dx dv ï í ïï = - dt ïï dv ïî

(3.86)

Với điều kiện đầu x(0)=0; t(0)=0.

0, 0

< < , nên 1

0, =

dp dx

Điều khiển với chế độ một phần lực kéo

tìm nhân tử l .

¢ - - = ( ) w v 0

(3.87)

1 v

l v

p v

Sử dụng phương trình (3.84):

= dễ dàng lựa chọn 1p =0, nên

dp dx

v w

Từ phương trình (3.76), và

(3.88)

l =

2( v b

cv 2 )

Do đó,

(3.89)

0, 0

< < , tìm được vận tốc bắt đầu giai đoạn

Nếu chọn l trước, giải phương trình (3.89) sẽ tìm được tốc độ chạy không đổi

Với chế độ chạy đà

hãm vb, thời gian chạy đà tc, khoảng cách chạy đà xc

Tốc độ chạy đà có thể tính [41, 88]:

( ) y v ¢ j ( ) v

v w v

( ),

¢ ( ) v w v

= ⋅

(3.90)

Ở đây:

w v ( )

x ( )

grad

Từ (3.55) xác định xc,tc

v - 1 +

w v ( )

x ( )

grad

= x

ìïï =ïï dx - dv ï í ïï = - dt ïï dv ïî Với ( t v

)

( x v

)

t ; a

0, 0

< < u

p 1,

(3.91)

= tìm l

Với chế độ lực hãm một phần (PB):

( ) p t

Sử dụng phương trình (3.84)

1 v

p 0 - - = v

l v

(3.92)

l = -

Do đó

- p

scp t ( )

p= 1,

(3.93)

Với chế độ lực hãm lớn nhất (FB): tìm thời gian hãm tb, và

khoảng cách hãm xb

( p

( ) p t

¢ ( ) f v

¢ ( ) w v

Sử dụng phương trình (3.84)

- -

dp dx

- v

p v

l v

p v

(3.94)

- ⋅

v f

v u f v ( )

p t ( )

x ( )

br br

grad

Từ phương trình (3.55) tìm được tb, xb

ï í

v v w v ( ) 1 + p t

u f v ( )

w v ( )

( ) /

x ( )

br br

grad

= . x

ìïï =ïï dx dv ïï =ïï dt dv ïî Với ( t v

)

( x v

)

(3.95)

3.4.3. Điều kiện chuyển các chế độ vận hành tối ưu và biến đồng trạng thái

Các chế độ vận hành đầy đủ của một đoàn tàu bao gồm: Chế độ kéo chế độ

chạy ổn tốc chế độ chạy đà chế độ hãm. Tùy thuộc vào khoảng cách các ga,

trắc dọc, trắc ngang của tuyến đường như độ dốc, bán kính cong của đường mà

các chế độ vận hành tối ưu được lựa chọn khác nhau. Điều kiện để chuyển chế

độ vận hành này sang chế độ vận hành khác phụ thuộc vào biến đồng trạng thái

trong công thức (3.84).

3.4.3.1. Đoàn tàu chạy trên tuyến đường bằng, không bị hạn chế bởi tốc độ

Chế độ kéo

Chế độ ổn tốc

Chế độ chạy đà

Chế độ hãm

p ³

p £

p£ £

Hình 3.12. Sơ đồ chuyển các chế độ trên tuyến đường bằng

Có hai khả năng chuyển các chế độ vận hành đối với các cung đường bằng

phẳng, coi độ dốc bằng 0‰, tốc độ tăng trong suốt quá trình kéo và giảm trong

quá trình chạy đà, hãm kết hợp với phân tích biến đồng trạng thái p(x)có được

các điều kiện để chuyển chế độ vận hành đoàn tàu: Chế độ kéo  chế độ chạy

ổn tốc chế độ chạy đà  chế độ hãm ứng với khoảng cách khu gian dài; Chế

độ kéo  chế độ chạy đà  chế độ hãm ứng với khoảng cách khu gian ngắn.

Hình 3.13 chỉ ra đặc tính tốc độ và biến đồng trạng thái ứng với từng chế

độ vận hành của đoàn tàu.

v(m/s)

Ổn tốc

Hãm

Chạy đà

Kéo

xh

xb

x (m)

p

1

0.5

0 -0.5

x (m)

v£ , chuyển chế độ từ chế độ

v= , từ chế độ ổn tốc sang chế độ chạy đà

Hình 3.13. Các chế độ vận hành và biến đồng trạng thái p của chiến lược PMP Chế độ kéo biến đồng trạng thái p(x)>1,

kéo sang chế độ chạy ổn tốc p=1,

p giảm từ 1 đến 0, p=0 tương ứng với điểm chuyển chế độ từ chạy đà sang chế

độ hãm, ở chế độ hãm p<0.

3.4.3.2. Đoàn tàu chạy trên tuyến đường có độ dốc thay đổi

Chế độ kéo

Chế độ ổn tốc

Chế độ chạy đà

Chế độ hãm

p ³

p£ £

p £

Hình 3.14. Các chế độ vận hành khi đoàn tàu chạy trên tuyến đường có độ dốc

thay đổi

x > ): tàu vận hành trong chế độ kéo trước khi lên dốc và ( )

Tuyến đường có độ dốc thay đổi: Trong trường hợp đoàn tàu chạy ở khu gian

gradf

v= , khi đó ( )

p x >

có độ dốc lên (

sau khi lên dốc cho đến khi

x < ): Tàu vận hành ở chế độ chạy đà trước khi xuống dốc và sau khi ( )

gradf

p x< ( )

< 1.

Trong trường hợp đoàn tàu chạy trong khu gian có độ dốc xuống (

v= 0 ,h

xuống dốc cho đến khi

Xét hình 3.15 có hai chế độ vận hành: Chế độ kéo chế độ ổn tốc, nhưng

đường có độ dốc thay đổi có một dốc lên và một dốc xuống: khoảng cách từ dx

đến 1fx tàu lên dốc, khoảng cách ux đến 2fx tàu xuống dốc.

v(m/s)

vh

Độ dốc của đường

xd

xu

xh

xf2

xf1

x (m)

p

1

0.5

0 -0.5

x (m)

Hình 3.15. Đặc tính tốc độ và biến liên hợp p với tuyến có độ dốc thay đổi

p x > tàu chạy đến tốc độ

v= chuyển sang chế độ chạy ổn tốc gặp dốc

Khi khởi hành, đoàn tàu chạy ở chế độ kéo tương ứng với biến đồng trạng

thái ( )

lên đoàn tàu lại chạy ở chế độ kéo cả trước và sau khi tàu đến/rời khỏi đoạn

v> sau ,h

đường lên dốc từ dx đến 1fx , tốc độ đoàn tàu trước khi lên dốc tăng

v< biến liên hợp tăng p(x) > 1, vẫn duy trì chế độ kéo đến khi

v= , p(x) giảm đến ( )

p x = Khi đoàn tàu

đó giảm dần

tốc độ của tàu đạt giá trị vận tốc

chạy trên đường có độ dốc xuống từ ux đến 2fx tàu chuyển chế độ chạy đà trước

v= tàu lại chuyển sang chế

p x =

và sau khi xuống/rời khỏi dốc cho đến khi tốc độ

độ vận hành ổn tốc, p(x) cũng tăng dần giá trị từ p(x)<1 đến ( )

Như vậy với cung đường có độ dốc lên và dốc xuống chế độ chạy của đoàn

tàu cũng thay đổi: chế độ kéo  chế độ ổn tốc chế độ kéo chế độ ổn tốc

chế độ chạy đà chế độ ổn tốc.

Kết luận chương 3

Với mục tiêu sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành tàu điện, trong chương 3,

tác giả đã đề xuất hai giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng. Giải pháp thứ

nhất, thiết kế cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave theo phương

pháp điều khiển dòng điện trung bình có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều

giữa hệ truyền động sức kéo và SCESS để thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong

chế độ hãm, đồng thời góp phần giảm dao động điện áp trên bus DC bằng cách

giữ giá trị điện áp trên tụ DC-link trong dải giá trị cho phép. Giải pháp thứ hai:

áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin cho đoàn tàu có hệ thống thiết bị

tích trữ năng lượng siêu tụ tính toán năng lượng tối ưu vận hành đoàn tàu (xét

đoàn tàu chạy trên tuyến đường bằng), mà vẫn đảm bảo thời gian chạy tàu theo

v v - tốc độ

lịch trình bằng cách tìm quỹ đạo tốc độ tối ưu thông qua xác định tuần tự các

chế độ vận hành, các điểm chuyển chế độ vận hành tối ưu (tốc độ ,h

tại chế độ ổn tốc và tốc độ bắt đầu chế độ hãm, thời gian, quãng đường của các

chế độ kéo, ổn tốc, đà, hãm).

Kết quả chương 3 được trình bày trong công trình [1,2,4,5, 6,7,8,9] thuộc

danh mục các công trình đã công bố của tác giả.

100

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM

Những kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink sẽ được trình bày

trong chương này để kiểm chứng những kết quả nghiên cứu lý thuyết:

 Hiệu quả của SCESS về thu hồi năng lượng trong chế độ hãm, xả năng

lượng hỗ trợ vận hành đoàn tàu trong chế độ kéo, đồng thời góp phần ổn

định điện áp trên bus DC.

 So sánh hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu trong ba trường hợp có áp

dụng PMP với trường hợp không áp dụng PMP:

 Hiệu quả năng lượng vận hành chạy tàu khi đoàn tàu không có

SCESS, không xét đến yếu tố đúng thời gian chạy tàu.

 Hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu khi đoàn tàu không có

SCESS, đảm bảo đúng thời gian chạy tàu.

 Hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu khi đoàn tàu có SCESS,

đảm bảo đúng thời gian chạy tàu.

 Kết quả thí nghiệm trên mô hình kho điện sử dụng siêu tụ BMOD0058

E016 B02 (58F/16V/19A) được xây dựng trong phòng thí nghiệm tại Viện

Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội để

kiểm chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave.

4.1. Mô phỏng Off-line

Trong thiết kế điều khiển đề cập trong chương 2, 3 có hai bài toán

 Mô phỏng hệ truyền động có tích hợp bộ tích trữ năng lượng siêu tụ: minh

chứng vai trò của bộ siêu tụ thu hồi năng lượng hãm tái sinh và góp phần

ổn định điện áp trên bus DC.

 Mô phỏng profile tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu, tính toán, so sánh năng

lượng tiết kiệm được trong trường hợp áp dụng và không áp dụng nguyên

lý cực đại của Pontryagin.

101

4.1.1. Chương trình mô phỏng hệ thống tàu điện với SCESS trên tuyến Cát Linh - Hà Đông

Khi tàu điện vận hành, chế độ kéo, hãm dừng xảy ra liên tục vì khoảng cách

giữu các ga ngắn, năng lượng trả lưới trong quá trình hãm thường bị tiêu tán

trên điện trở hãm. Do vậy, sử dụng hiệu quả năng lượng chạy tàu là một trong

những hướng nghiên cứu rất được quan tâm hiện nay. Trong chương 3 đã phân

tích biện pháp tiết kiệm năng lượng bằng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ. Ngoài

ra, SCESS có vai trò góp phần ổn định điện áp trên bus DC.

Do khoảng cách giữu các ga của tuyến Cát Linh - Hà Đông ngắn, nên một

chu trình chạy tàu chia làm 3 giai đoạn như trong Hình 4.1.

vt(km/h)

Gia tốc

Hãm

ta,xa

Chạy đà tc,xc

tb,xb

vh vb

xh

xb

x (m)

Hình 4.1. Chu trình chạy tàu

Giai đoạn kéo: Là giai đoạn siêu tụ xả năng lượng hỗ trợ quá trình gia tốc,

giai đoạn này năng lượng của siêu tụ suy giảm, điện áp của siêu tụ trong quá

U -

sc inM

scU -

min

trình gia tốc sẽ giảm từ xuống .

Giai đoạn chạy đà: Không cấp năng lượng cho tàu, tốc độ của tàu giảm

dần từ tốc độ ổn định đến tốc độ hãm, giai đoạn này siêu tụ không làm việc.

Giai đoạn hãm: Là giai đoạn siêu tụ nạp năng lượng. Ở giai đoạn này năng

scU -

min

U -

sc inM

lượng của siêu tụ tăng lên, điện áp tăng từ lên . Trạng thái nạp

(State of charge - SOC) tăng tỷ lệ thuận với điện áp siêu tụ.

102

Bảng 4.1. Các thông số của động cơ điện kéo

Các thông số của động cơ KĐB rô to lồng sóc Đơn vị Giá trị

[kW] 160 Công suất định mức (Pnom)

[rpm] 1480 Tốc độ định mức (nnom)

[V] 400 Điện áp định mức (Unom)

[A] 290 Dòng điện định mức (Inom)

[Hz] 50 Tần số stato (fs)

2 Số đôi cực (zp)

[Ω] 0.007728 Điện trở roto (Rr)

[Ω] 0.01379 Điện trở stato (Rs)

[mH] 0.152 Điện cảm rò của roto (σr)

[mH] 0.152 Điện cảm rò stato (σs)

[mH] 7.69 Hỗ cảm (Lm)

Mô men quán tính động cơ (J) [kgm2] 2.9

0.9 Hệ số công suất cosφ

Bảng 4.2. Các tham số chính của đoàn tàu

Thông số đoàn tàu Đơn vị Giá trị

Thiết lập đoàn tàu 2M2T

Khối lượng đoàn tàu khi đầy tải (m) 247000 [kg]

Số động cơ (N) 08

[km/h] 80 Tốc độ lớn nhất (vmax)

[km/h] 35 Tốc độ cơ bản (vb)

Gia tốc lớn nhất/Gia tốc hãm [m/s2] 0.94/1

Hệ số cản trở a [KN] 1.19*10-2

Hệ số cản trở b [kg/s] 2.56*10-3

Hệ số cản trở c [kg/m] 1.54*10-4

[m] 0.84 Đường kính bánh xe (Dwh)

Tỉ số truyền ( t ) 5.3:1

103

) 0.95 Hiệu suất hộp số ( mechh

0.9 Hiệu suất động cơ ( emh )

[W] 4 Điện trở hãm ( DR )

Mô men quán tính đoàn tàu (Jeq) [kg.m2] 179

Hình 4.2. Mô phỏng hai đoàn tàu

Hình 4.3. Sơ đồ mạch lực được thiết kế cho 01 đoàn tàu

Sơ đồ mạch lực gồm các khối chính là:

 Nguồn 3 pha  Khối chỉnh lưu  Bộ hãm điện trở (Braking

chopper)  Khối nghịch lưu (NL)  Khối động cơ IM  BBĐ DC–DC Interleave  Siêu Tụ (SC)

104

Hình 4.4. Thiết kế mạch vòng điều khiển cho 01 đoàn tàu

Tương tự đoàn tàu T2 cũng được xây dựng trong Matlab giống đoàn tàu

T1. Đặc thù hệ truyền động điện tàu điện sử dụng 01 biến tần điều khiển nhiều

động cơ mắc song song; tuy nhiên, thiết kế điều khiển tốc độ động cơ theo

phương pháp điều khiển vô hướng, 01 biến tần điều khiển nhiều động cơ mắc

song song cũng giống như 01 biến tần điều khiển 01 động cơ. Do đó, để đơn giản

mà vẫn không làm thay đổi bản chất điều khiển tốc độ động cơ, các kết quả mô

phỏng trên cả hai đoàn tàu T1, T2 được xét cho 01 động cơ điện kéo.

Kết quả mô phỏng các chế độ vận hành đoàn tàu T1 và đoàn tàu T2 được xây

dựng với 3 kịch bản đã thể hiện đầy đủ các tình huống vận hành đoàn tàu trên

các khu gian như sau:

Kịch bản 1: Tàu T1 vận hành ở chế độ hãm tại t = 48s; Tàu T2 bắt đầu

chế độ kéo với mục tiêu năng lượng hãm tái sinh của tàu T1 sẽ chuyển sang tàu

T2 để hỗ trợ năng lượng cho tàu T2 trong chế độ kéo.

105

Tốc độ tàu T1,T2 (m/s)

train 1 train 2

20 15 10

) s / m (

5 0

100

120

140

160

80 Điện áp DC-link [V]

1000

800

600

) V (

400

200 0

100

120

140

160

80 Time (s)

150

100

-50

100

120

140

160

Hình 4.5. Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 hãm và T2 kéo Tổn thất năng lượng T1 trên điện trở hãm (không có SCESS)(Wh)

Tiêu thụ năng lượng của nguồn (không có SCESS) (Wh)

4000

3000

2000

1000

160

140

120

100

trong chế độ kéo

80 Time(s) Hình 4.6. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 hãm và T2 kéo Hình 4.5 và Hình 4.6 cho thấy đáp ứng điện áp DC link

U -

điện áp giảm từ 800VDC xuống 700VDC; trong chế độ hãm điện áp tăng từ

800VDC lên đến 900VDC; như vậy điện áp dao động trong khoảng 700 đến

900VDC. Trong chế độ vận hành đoàn tàu, theo tiêu chuẩn cấp điện áp được

phép dao động từ 500 VDC đến 900 VDC, nếu tăng hơn 900VDC thì điện trở

hãm sẽ tiêu tán năng lượng hãm tái sinh để đảm bảo mức điện cho phép, và tổn

thất năng lượng trên điện trở hãm của tàu T1: 130(Wh)/3000(Wh)= 4,3%.

106

125 100 75 50 25 0

100

120

140

160

Tổn thất năng lượng T2 trên điện trở hãm (không có SCESS)(Wh)

100

120

140

160

Tiêu thụ năng lượng của nguồn (không có SCESS) (Wh) 2500 2000 1500 1000 500 0

Time(s)

Hình 4.7. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi T1 hãm và T2 kéo Hình 4.7 cho thấy tổn thất năng lượng trên tàu T2: 100(Wh)/2300 (Wh)= 4,3%.

Kịch bản 2: Cả T1 và T2 đều vận hành ở chế độ kéo. Trong trường hợp

này năng lượng hãm tái sinh của cả hai tàu đều bị tiêu tán trên điện trở hãm.

Tốc độ tàu T1,T2 (m/s)

train 1

train 2

160

100

120

140

Điện áp DC-link [V]

1400

1200

1000 800

600

400

200

120

140

100

160

80 Hình 4.8. Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 và T2 kéo

107

Hình 4.8 cho thấy điện áp trên UDC-link dao động lớn hơn trong khoảng 490

VDC đến 900 VDC so với kịch bản 1.

Tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của T1 không có SCESS(Wh)

600

450

300

150 0 -200 0

100

120

140

160

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, không có SCESS(Wh)

6000

4500

3000

1500

0 0

100

120

140

160

Time (s)

500

400

300

200

100

0 0

100

120

140

160

Hình 4.9. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 và T2 kéo Tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của T2 không có SCESS(Wh)

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, không có SCESS(Wh)

6000

4500

3000

1500

0 0

100

120

140

160

Time (s)

Hình 4.10. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi T1 và T2 kéo

108

Tổn thất trên điện trở hãm của tàu T1, T2 là : 450(Wh)/4700(Wh) = 9,6%

được chỉ ra trong hình 4.9, Hình 4.10.

Kịch bản 3: T1, T2 cùng vận hành ở chế độ kéo, hệ truyền động có tích

hợp SCESS. Kịch bản 3 và kịch bản 2 đều thực hiện chế độ vận hành hai đoàn

tàu cùng kéo; tuy nhiên, kịch bản 3 có sử dụng SCESS để thu hồi/giải phóng

năng lượng hãm tái sinh. Quá trình trao đổi năng lượng giữa siêu tụ và hệ truyền

động sức kéo thông qua bộ biến đổi DC-DC Interleave được thiết kế hai mạch

vòng điều khiển: vòng trong kiểm soát nạp-xả của siêu tụ, vòng ngoài kiểm soát

dao động trong khoảng

điện áp trên Udc-link đảm bảo cân bằng năng lượng giữa nguồn cấp và tải.

U -

Hình 4.11 đến Hình 4.13 cho thấy điện áp trên DC link

730 VDC đến 770VDC, tổn thất trên điện trở hãm 12(Wh)/2400(Wh) = 0,05%.

Như vậy phần năng lượng hãm tái sinh trong quá trình hãm đã được thu hồi

bởi siêu tụ là 9,6%.

Tốc độ tàu T1,T2 (m/s)

train 1 train 2

100

120

140

160

Điện áp DC-link (V)

900

850

800

750

600

550

500

160

100

120

140

Hình 4.11. Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 và T2 kéo, đoàn tàu có tích hợp

SCESS

109

Tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của T1, có SCESS(Wh)

100

120

140

160

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, có SCESS (Wh)

3000

2000

1000

100

120

140

160

80 Time (s)

Hình 4.12. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi có SCESS

Tổn thất năng lượng của tàu T2, có SCESS[Wh]

100

120

140

160

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, có SCESS[Wh]

3000

2000

1000

100

120

140

160

Time (s)

Hình 4.13. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi có SCESS Nhận xét: Với 3 kịch bản mô phỏng khi hai tàu T1, T2 cùng kéo; T1 kéo,

T2 hãm xét hai trường hợp có/không có SCESS; trường hợp không có SCESS

giảm được tổn thất năng lượng tiêu tán trên điện trở hãm do hai đoàn tàu trao

110

đổi năng lượng với nhau, nhưng việc điều độ T1 kéo, T2 hãm không phải lúc

nào cũng thực hiện được, ví dụ như: không thể điều động hai đoàn tàu chạy trên

cùng khu gian như vào buổi đêm ít hành khách, hoặc tuyến tàu điện mới đi vào

khai thác vận hành nên số lượng hành khách chưa đông...; khi sử dụng SCESS

có ưu điểm là chủ động thu hồi năng lượng hãm tái sinh, đồng thời góp phần

giảm dao động điện áp trên bus DC khi tàu điện vận hành.

4.1.2. Chương trình mô phỏng profile tốc độ tối ưu chạy tàu trên tuyến Cát Linh -Hà đông áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin với hệ thống tàu điện có tích hợp SCESS.

Trong phần này sẽ phân tích, so sánh hiệu quả năng lượng khi áp dụng PMP

tìm profile tốc độ chạy tàu tối ưu với đoàn tàu có/không có SCESS.

Tuyến tàu điện đô thị Cát Linh - Hà Đông có 12 ga (tương ứng 11 khu

gian), tổng chiều dài là 12,662 km, tàu chạy từ ga đầu: Cát Linh, đến ga cuối:

Bến xe Hà Đông mới; so sánh năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu khi

có/không sử dụng PMP; so sánh năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu khi kết

hợp hai giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng SCESS và sử dụng

PMP.

Đặc tính lực kéo và lực hãm được cung cấp bởi Nhà sản xuất, sử dụng

phương pháp nhận dạng bình phương cực tiểu, tìm được các đa thức mô tả

đường cong đặc tính lực kéo, lực hãm trong Hình 4.14 đến Hình 4.15.

Hình 4.14. Đặc tính lực kéo lớn nhất /01 động cơ

111

Hình 4.15. Đặc tính lực hãm lớn nhất /01 động cơ

Lực kéo lớn nhất tương ứng với vận tốc v

- 5

2.5 10

8.3 2

32 ) 8 ) 0

0.007 v

0.66 v

0 ( v £ £ 2 £ 5 ( 3 v <

ìï 13.2 ï= í ï - ⋅ ï î

(4.1)

31.21

(0 (65

65) 75)

0.254 v

v £ £ v < £

Lực hãm lớn nhất tương ứng với vận tốc v

27.36 (75

80)

0.2027 v

< £ v

ìï 14.7 ïïï= - í ïï- ïïî

(4.2)

Phương trình (4.1), (4.2) là các đa thức mô tả lực kéo, lực hãm kết hợp với

5 luật điều khiển lựu kéo và hãm trong các chế độ vận hành đoàn tàu; qua đó,

xác định được profile tốc độ chạy tàu và mức tiêu thụ năng lượng tối ưu.

a) Khảo sát năng lượng vận hành đoàn tàu khi tàu điện không có SCESS

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga Cát Linh-La Thành

Hình 4.16. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Cát Linh - La Thành Hình 4.17. So sánh thời gian chạy tàu tối ưu/không tối ưu từ Cát Linh - La Thành

112

Hình 4.18. So sánh profile vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Cát Linh - La Thành Hình 4.19. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Cát Linh - La Thành

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga La Thành-Thái Hà

Hình 4.21. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ La Thành - Thái Hà Hình 4.20. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ La Thành - Thái Hà

Hình 4.22. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ La Thành -Thái Hà Hình 4.23. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ La Thành - Thái Hà

113

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga Thái Hà - Láng

Hình 4.24. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Thái Hà - Láng Hình 4.25. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Thái Hà - Láng

Hình 4.27. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Thái Hà - Láng Hình 4.26. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP ga Thái Hà - Láng

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga Láng-ĐH Quốc Gia

Hình 4.28. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Láng - ĐH QG Hình 4.29. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Láng - ĐH QG

114

Hình 4.30. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Láng - ĐH QG Hình 4.31. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Láng - ĐH QG

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga ĐH Quốc gia - Vành

Đai 3

Hình 4.33. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ ĐH QG - Vành Đai 3 Hình 4.32. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ ĐH QG - Vành Đai 3

Hình 4.34. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ ĐH QG - Vành Đai 3 Hình 4.35. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ ĐH QG - Vành Đai 3

115

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga Vành Đai 3 -Thanh

Xuân

Hình 4.37. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân Hình 4.36. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân

Hình 4.39. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân Hình 4.38. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Vành Đai 3 - Thanh Xuân

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga Thanh xuân-BXHĐ

Hình 4.40. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Thanh Xuân - BXHĐ Hình 4.41. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với thời gian từ Thanh Xuân - BXHĐ

116

Hình 4.42. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Thanh Xuân - BXHĐ Hình 4.43. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Thanh Xuân - BXHĐ

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga BX Hà Đông-BV HĐ

Hình 4.44. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ BX Hà Đông - BV Hà Đông Hình 4.45. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với thời gian từ BX Hà Đông - BV Hà Đông

Hình 4.46. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ BX Hà Đông - BV Hà Đông Hình 4.47. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ BX Hà Đông - BV Hà Đông

117

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga BV Hà Đông-La khê

Hình 4.48. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ BV Hà Đông - La Khê Hình 4.49. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu từ BV Hà Đông - La Khê

Hình 4.50. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ BV Hà Đông - La Khê Hình 4.51. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ BV Hà Đông - La Khê

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga La khê-Văn khê

Hình 4.53. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ La Khê - Văn Khê Hình 4.52. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ La Khê - Văn Khê

118

Hình 4.54. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không có PMP từ La Khê - Văn Khê Hình 4.55. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không có PMP từ La Khê - Văn Khê

 Khảo sát tiêu thụ năng lượng vận hành đoàn tàu ga Văn khê- Bến xe Hà

đông mới

Hình 4.56. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Văn Khê - BX HĐ mới Hình 4.57. So sánh profile thời gian tối ưu/không tối ưu với khoảng cách từ Văn Khê - BX HĐ mới

Hình 4.58. So sánh đồ thị vận tốc theo thời gian khi có/không sử dụng PMP từ Văn Khê - BX HĐ mới Hình 4.59. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không có PMP từ Văn Khê - BX HĐ mới

119

Hình 4.60. So sánh 12 ga khi có/không áp dụng PMP tối ưu quĩ đạo chạy tàu

Hình 4.61. So sánh thời gian chạy tàu tương ứng trên 12 ga với profile tốc độ tối ưu/ không tối ưu

Hình 4.60 và Hình 4.61 tổng hợp kết quả mô phỏng về tốc độ theo khoảng

cách các ga và thời gian chạy tàu theo khoảng cách trên toàn tuyến đường sắt

đô thị Cát Linh - Hà Đông, so sánh profile tốc độ tối ưu với profile tốc độ khi

không có điều khiển; thời gian chạy tàu khi áp dụng PMP với thời gian chạy

tàu khi không điều khiển. Từ đó đưa ra bảng so sánh năng lượng tiêu thụ vận

hành đoàn tàu khi áp dụng PMP và khi không áp dụng PMP.

120

Bảng 4.3. So sánh năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu khi có/không có PMP

Thời

gian

Mức tiêu thụ

Thời

chạy

năng lượng khi

Mức tiêu thụ

gian

Khoảng

tàu khi

Ga

không điều

năng lượng tối

chạy tàu

cách (m)

không

khiển theo

ưu(kWh)

tối ưu

điều

PMP (kWh)

(s)

khiển

(s)

19.5

18.59

Cát Linh-La Thành

931

10.94

9.7

La Thành-Thái Hà

902

10.5

9.8

Thái Hà-Láng

1076

9.9

124

126

9.5

Láng-VNU

1248

17.4

15.4

VNU- Vành đai 3

1010

Vành đai 3-Thanh

17.4

105

107

1480

Xuân

Thanh Xuân-Bến xe

17.6

15.7

1121

Hà Đông

Bến xe Hà Đông –

19.6

100

16.6

1324

Bệnh viện Hà Đông

17.8

15.7

1110

-La Khê

18.2

103

105

15.7

La Khê-Văn Khê

1428

Văn Khê-Bến xe Hà

17.4

15.5

1032

Đông mới

Tổng:

12662

176.24

988

157.19 1010

Tổng năng lượng tiêu thụ khi không áp dụng PMP: 176,24 kWh;

Tổng năng lượng tiêu thụ khi áp dụng PMP : 157,19kWh;

Năng lượng tiết kiệm khi áp dụng PMP: 10,8%;

Thời gian chạy tàu khi áp dụng PMP sẽ chậm so với trường hợp không áp dụng

PMP: 1010-988 = 22s (tương ứng với mỗi ga thời gian chạy kéo dài thêm 2s).

b) Khảo sát tối ưu năng lượng khi tàu điện có tích hợp hệ thống tích trữ năng

lượng siêu tụ SCESS, và đảm bảo thời gian chạy tàu cố định.

Trong bài toán này chỉ xét 01 khu gian, từ ga Cát Linh - La Thành với khoảng

cách 931m, thời gian chạy tàu 68s.

121

Xét các trường hợp tàu chạy không áp dụng PMP; tàu chạy áp dụng PMP không có SCESS, tàu chạy áp dụng PMP có SCESS thu hồi năng lượng hãm tái sinh nên hàm mục tiêu J trong công thức (3.32) có tính đến công suất siêu tụ PSC(t) được thể hiện trong Hình 4.62; đồng thời đảm bảo tiêu chí đúng thời gian chạy tàu cho trước bằng cách thay đổi nhân tử Lagrange l .

Hình 4.62. Nạp/xả siêu tụ khi đoàn tàu có tích hợp SCESS

Hình 4.64. So sánh profile tốc độ tối ưu/không tối ưu với thời gian từ Cát Linh - La Thành Hình 4.63. So sánh profile tốc độ khi có/không sử dụng PMP từ Cát Linh - La Thành

Hình 4.65. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi có/không áp dụng PMP từ Cát Linh - La Thành

Hình 4.66. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi không áp dụng PMP và áp dụng PMP với tàu điện có SCESS từ Cát Linh - La Thành

122

Profile tốc độ khi không điều khiển được chỉ ra trong Hình 4.63 với 3 chế

độ vận hành: Chế độ gia tốc từ 0 - 27 giây với khoảng cách 368m, chế độ chạy

đà từ 27 đến 42 giây với khoảng cách 321m, chế độ hãm từ 42 đến 68 giây với

khoảng cách 242m; tốc độ cơ bản 32km/h, ổn tốc là 80km/h, tốc độ hãm là

73km/h, tổng năng lượng tiêu thụ 19,5kWh.

Khi sử dụng PMP để xác định profile tốc độ của đoàn tàu được chỉ ra trong

Hình 4.63. Ổn tốc 75km/h, tốc độ hãm 65km/h, thời gian gia tốc 0-24 giây với

khảng cách 306m, thời gian chạy đà từ 24-47 giây với khoảng cách 442m, thời

gian hãm từ 47-68 giây với khoảng cách 183m, tổng năng lượng tiêu thụ là

18,57kWh chỉ ra trong hình 4.65.

Khi sử dụng PMP và có SCESS năng lượng tiêu thụ là 16,53 kWh chỉ ra

trong Hình 4.66.

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng phần a: áp dụng PMP tìm được profile tốc độ tối ưu

vận hành đoàn tàu trên toàn tuyến giúp tiết kiệm năng lượng đến 10,8%, nhưng

thời gian chạy tàu tại mỗi khu gian tăng thêm 2s.

Kết quả mô phỏng phần b: Xét 3 trường hợp cho 01 khu gian từ ga Cát

Linh - La Thành.

- Không áp dụng PMP năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu là 19,5kWh

- Áp dụng PMP, thời gian chạy tàu là cố định, năng lượng vận hành đoàn

tàu là 18,59 kWh, tiết kiệm 4,6% năng lượng.

- Áp dụng PMP với hệ thống tàu điện có SCESS năng lượng vận hành đoàn

tàu là 16,53 kWh, tiết kiệm 15,2% năng lượng.

Tùy thuộc vào các giai đoạn khai thác vận hành đoàn tàu, khảo sát lập

lịch chạy tàu, số lượng hành khách, cơ sở hạ tầng của tuyến...từ đó lựa chọn các

phương án điều khiển phù hợp.

4.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm thiết bị kho điện

Để khẳng định hiệu quả và tính đúng đắn của các chiến lược điều khiển đã được

đề xuất cần thực hiện trên những hệ thống Metro thực với kinh phí đầu tư lớn,

123

đòi hỏi tính an toàn cao, nên rất khó triển khai. Vì vậy, tác giả đề xuất xây

dựng mô hình thí nghiệm và kiểm chứng cấu trúc, thiết kế điều khiển bộ biến

đổi DC-DC Interleave trong mô hình SCESS.

Mô hình thí nghiệm SCESS gồm các thành phần: Mô-đun siêu tụ

BMOD0058 E016 B02; bộ biến đổi công suất 3 pha Interleaved DC-DC; driver

380V/50Hz

cho mạch lực sử dụng IC HCPL4504/360E.

Hình 4.67. Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm

Bảng 4.4. Tham số thí nghiệm thiết bị kho điện SCESS

Thông số bộ DC-DC Interleave Ký hiệu Khối nguồn Tần số chuyển mạch Điện áp UDClink Tụ DC-link Điện cảm Điện trở

Giá trị 24V/5V/ 15V 1 KHz 24V 470 µF 1mH 0.05 Ω

fs UDC C L1 = L2 =L3 LR

100A

¸ 

Sensor dòng/ khuyếch đại đo lường LA55P/INA 128 Driver

0, 5

IC HCPL4504/360E Nguồn cấp: 30V

Điện áp ra: 20V 0, 5

DSP TMS28069M thuộc dòng C2000 của Texas Instruments Tụ điện BMODOO58 E016 B02/ 58F-16VDC Oscilloscope HAMEG HMO2024/200Mhz/2GSa

124

Dựa theo sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm, mô hình được chia làm 3 khối để

đảm bảo cho việc lắp đặt các thành phần gọn gàng, chặt chẽ, tiện lợi cho việc

theo dõi thí nghiệm, đo lường các kết quả, thay thế khi xảy ra sự cố, hỏng hóc.

Khối ngoài cùng gồm mạch vi xử lý, các nút điều khiển, LED hiển thị trạng

thái, nguồn DC ±15V cấp cho mạch điều khiển.

Khối giữa là mạch lực, mạch driver và nguồn cấp DC 24V cấp cho mạch driver.

Khối cuối cùng là phần tử tích trữ năng lượng siêu tụ.

Hình 4.68. Hệ thống thí nghiệm SCESS

Hình 4.69. Khối vi điều khiển và Hình 4.70. Khối mạch lực

mạch đo

125

Hình 4.71. Xung PWM với d=0.625 Hình 4.72. Đo dạng dòng điện trên

ba cuộn cảm với d=0.625

Hình 4.73. Điện áp ra với d=0.625

Hình 4.74. Xung PWM với d= 0.33 Hình 4.75. Dạng dòng điện trên ba

cuộn cảm với d=0.33

126

Hình 4.76. Điện áp đầu ra với d=0.33

Nhận xét kết quả thực nghiệm: Các kết quả thực nghiệm nhằm minh chứng

chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave.

- Hệ số điều chế 0,625: Kết quả đo dòng Hình 4.70 có giá trị 2,1A; điện áp ra

trong Hình 4.71 là 15,7V DC (điện áp nguồn 24VDC), bộ biến đổi làm việc trong

chế độ Buck.

- Hệ số điều chế 0,33: Kết quả đo dòng Hình 4.73 có giá trị -1,8A; điện áp ra

trong hình 4.74 là 40V DC (điện áp nguồn 24VDC)

Vậy kết quả đo dòng chỉ ra dòng điện đổi chiều khi chuyển từ chế độ Buck sang

Boost nghĩa là BBĐ DC –DC Interleave có khả năng trao đổi năng lượng hai

chiều.

Kết luận chương 4

Các kết quả mô phỏng off-line đã minh chứng ưu điểm của SCESS trong ổn định

điện áp trên bus DC, khả năng nạp/xả năng lượng hãm tái sinh hỗ trợ các chế

độ vận hành của đoàn tàu, khả năng ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu trong

hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu tạo tiền đề cho việc ứng dụng các giải

pháp sử dụng hiệu quả năng lượng trong thực tế như: Hỗ trợ xác định biểu đồ

chạy tàu phù hợp trước khi đưa đoàn tàu vào khai thác thương mại với các

trường hợp: tiết kiệm năng lượng 10,8% khi áp dụng PMP không có ràng buộc

về thời gian chạy tàu; tiết kiệm năng lượng 4,6% khi áp dụng PMP đảm bảo

chạy tàu đúng giờ; tiết kiệm 15,2% khi áp dụng PMP với đoàn tàu có SCESS

và đảm bảo tàu chạy đúng giờ.

127

Thiết bị kho điện với cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave

hai chiều không cách ly được thử nghiệm để minh chứng ưu điểm và chế độ làm

việc của bộ biến đổi. Đây là cơ sở quan trọng, là tiền đề để có thể tích hợp

SCESS vào hệ thống tàu điện trong thực tế nhằm thu hồi năng lượng hãm tái

sinh.

Kết quả chương 4 được trình bày trong công trình [7,8,9] thuộc danh mục

các công trình đã công bố của tác giả.

128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam đề cập đến vấn đề quản

lý hiệu quả năng lượng vận hành tàu điện đô thị bằng cách kết hợp hai giải

pháp tiết kiệm năng lượng: thu hồi năng lượng hãm tái sinh nhờ sử dụng siêu

tụ tích hợp với hệ truyền động sức kéo; áp dụng nguyên lý cực đại Pontryagin

với hàm mục tiêu có xét đến năng lượng thu hồi bằng siêu tụ để xác định profile

tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu. Các kết quả được trình bày trong luận án có

sự so sánh với các công trình nghiên cứu gần đây đã được công bố trên các tạp

chí chuyên ngành uy tín của các nhóm tác giả. Trong mục này tác giả tóm tắt

những đóng góp mới của luận án cũng như chỉ ra hướng phát triển tiếp theo của

đề tài.

Các đóng góp mới của luận án

 Đề xuất sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu tích hợp

với hệ truyền động động cơ điện kéo thông qua bộ biến đổi DC-DC hai chiều

và thiết kế điều khiển siêu tụ theo đặc tính chạy tàu

 Ứng dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin tìm các điểm chuyển tối ưu các

chế độ vận hành, xác định được đồ thị đặc tính tốc độ tối ưu năng lượng

vận hành đoàn tàu có sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên

tàu.

Kiến nghị

Một số vấn đề có thể nghiên cứu hoàn thiện thêm cho luận án như:

 Nghiên cứu kết hợp thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với những công nghệ có

mật độ năng lượng cao như Ắc quy, bánh đà,…để mở rộng khả năng đáp ứng

của kho điện cho nhiều chiến lược điều khiển khác nhau.

 Áp dụng các phương pháp điều khiển khác như quy hoạch động, phương pháp

tối ưu tiến hóa, phương pháp hàm trọng lượng trong bài toán đa mục tiêu,...

để tìm năng lượng tối ưu vận hành đoàn tàu.

129

 Phát triển vấn đề điều khiển tối ưu điều độ nhiều đoàn tàu chạy trên tuyến

tận dụng năng lượng trả lưới trong chế độ hãm của đoàn tàu này trao đổi cho

đoàn tàu khác đang vận hành ở chế độ kéo.

 Bài toán điều khiển tối ưu năng lượng vận hành khi đoàn tàu đi trên các

tuyến có độ dốc thay đổi.

 Vấn đề điều khiển tối ưu vận hành đoàn tàu khi profile tốc độ theo thời gian

có các hình dạng đường cong chữ S trong cả quá trình gia tốc và quá trình

hãm.

130

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

[1] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Văn Liễn (2015), "Điều

khiển bộ biến đổi DC-DC kiểu interleave ứng dụng cho hệ truyền động đường

sắt đô thị",Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải, số đặc biệt tháng 11, tr.263-

268.

[2] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn (2016), "

Control of Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Applications in Urban

Rail Transit Network",The 9th Regional Conference on Electrical and

Electronics Engineering - RCEEE2016, Hanoi, Vietnam.

[3] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn (2017),

"Comparison of difference solutions to electric drive system in urban railway

electric traction", The 11th South East Technical Consortium Symposium -

SEATUC2017, Ho Chi Minh, Vietnam, ISSN: 1882-5796.

[4] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Thanh Hải (2017),

"Digital Control of Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Applications

in Urban Electric Train", The 11th South East Technical Consortium

Symposium - SEATUC 2017, Ho Chi Minh, Vietnam, ISSN: 1882-5796.

[5] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Văn Liễn, Vũ Hoàng Phương (2017),"Peak-

current-mode control design for bidirectional non-isolated DC-DC converter

applied for urban electrified train", Hội thảo về điều khiển và tự động hóa cho

phát triển bền vững -CASD 2017, Hanoi.

[6] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thanh

Hải (2017), "Braking energy recuperation for electric traction drive in urban rail

transit network based on control super-capacitor energy storage system", The

4th vietnam international conference and exhibition on control and automation

-VCCA 2017, ISBN: 978-604-911-517-4.

[7] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thanh

Hải (2018), " Braking energy recuperation for electric traction drive in urban

rail transit network based on control supercapacitor energy storage system'',

131

Journal Electrical Systems ,14(3), pp. 99-114, ISSN 1112-5209. Thuộc danh

mục ISI

[8] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn

Văn Liễn (2018), "Energy Consumption Optimization for urban electrified train

operation with on-board supercapacitor energy storage system based on

Pontryagin's Maximum Principle", Chuyên san đo lường, điều khiển và tự động

hóa, 21(3), tr. 46-53, ISSN: 1859-0551.

[9] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn

Văn Liễn, Vũ Hoàng Phương (2019), "Speed Profile Optimization of an

Electrified Train in Cat Linh-Ha Dong Metro Line based on Pontryagin's

Maximum Principle", International Journal of Electrical and Computer

Engineering (IJECE), ISSN: 2088-8708 - được chấp nhận đăng. Thuộc danh

mục Scopus.

132

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Chuyên (2001), Sức kéo đoàn tàu, trường Đại học Giao thông Vận tải. [2] Nguyễn Văn Hải (2018), nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt việt nam, Luận án TS. [3] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương (2014), Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất, Viện Điện-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. [4] Thiết kế kỹ thuật tuyến Hà nội – Hà đông (2016) [5] Nguyễn Doãn Phước(2009),Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản KH&KT. [6] Nguyễn Doãn Phước (2016), Tối ưu hóa trong điều khiển và điều khiển tối ưu, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội. Tiếng Anh [7] Akşit, M. H., Öztürk, S., & Çadırcı, I. (2017), "A study on ultracapacitor- based systems for compensation of power deficiency and saving energy: Design, control and simulation", The Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia), 2017 IEEE 3rd International, pp. 1008-1013. [8] Albrecht, T. (2010), "Reducing power peaks and energy consumption in rail transit systems by simultaneous train running time control", WIT Transactions on State-of-the-art in Science and Engineering, 39. [9] Arrero R, Tackoen X, van Mierlo J (2010), Stationary or onboard energy storage systems for energy consumption reduction in a metro network, P I Mech Eng F-J Rai. [10] Albrecht, A. R., Howlett, P. G., Pudney, P. J., & Vu, X. (2013), Energy- efficient train control: from local convexity to global optimization and uniqueness, Automatica, 49(10), pp. 3072-3078. [11] A. González-Gil, R. Palacin, P. Batty, J.P. Powell (2014), A systems approach to reduce urban rail energy consumption, Energy Conversion and Management 80, pp. 509–524. [12] Barrero, R., Van Mierlo, J., & Tackoen, X. (2008), Energy savings in public transport. IEEE Vehicular Technology Magazine, 3(3), pp. 26-36. [13] B. R. Ke and N. Chen (2005), Signalling blocklayout and strategy of train operation for saving energy in mass rapid transit systems, IEE Proc. of Electric Power Applications, 152(2), pp.129-140.

133

[14] Bocharnikov, Y. V., Tobias, A. M., & Roberts, C. (2010), "Reduction of train and net energy consumption using genetic algorithms for trajectory optimisation". [15] Bimal k.bose (2002), Morden Power Electronics and AC Drives. [16] Bwo-RenKe Kuo-Lung Lian Yu-Lung Ke* Tian-Hao Huang Muhammad Risky Mirwandhana (2017), "Control Strategies for Improving Energy Efficiency of Train Operation and Reducing DC Traction Peak Power in Mass Rapid Transit System", The 53rd Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference. [17] Baranov L.A., Meleshin I.S., Trinh Luong Mien, Optimal control of a subway train with regard to the criteria of minimum energy consumption, Russian electrical engineering, 2011, Vol.82, No.8, p.405-410. [18] Capasso, A., Lamedica, R., Ruvio, A., Ceraolo, M., & Lutzemberger, G. (2016), "Modelling and simulation of electric urban transportation systems with energy storage", Environment and Electrical Engineering Conference, pp. 1-5. [19] Guiping, Z., Mingchao, X., & Siyu, W. (2014), "Hybrid power supply system of rail transit based on on-board energy storage equipment", Power System Technology Conference (POWERCON), pp. 3124-3128. [20] Chen, J. F., Lin, R. L., & Liu, Y. C. (2005), "Optimization of an MRT train schedule: reducing maximum traction power by using genetic algorithms", IEEE Transactions on power systems, 20(3), pp.1366-1372. [21] Chymera, M., Renfrew, A., & Barnes, M. (2008), Analyzing the potential of energy storage on electrified transit systems, World Congress on Railway Research–WCRR. [22] Cornic, D. (2010), "Efficient recovery of braking energy through a reversible dc substation", Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion - ESARS, pp. 1-9. [23] Ciccarelli, F., Iannuzzi, D., & Tricoli, P. (2012), Control of metro-trains equipped with onboard supercapacitors for energy saving and reduction of power peak demand, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 24, pp. 36-49. [24] Du, F., He, J. H., Yu, L., Li, M. X., Bo, Z. Q., & Klimek, A. (2010), "Modeling and Simulation of Metro DC Traction System with Different Motor Driven Trains", Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), pp.1- 4. [25] Domínguez M, Cucala AP, Fernández A, Pecharromán RR, Blanquer J (2012), Energy efficiency on train control-design of metro ATO driving and impact of energy accumulation devices, The 9th World congress on railway research–WCRR.

134

Transport Research Advisory Council

the control of a strategies for

[26] Domínguez, M., Fernández-Cardador, A., Cucala, A. P., Gonsalves, T., & Fernández, A. (2014), Multi objective particle swarm optimization algorithm for the design of efficient ATO speed profiles in metro lines, Engineering Applications of Artificial Intelligence, 29, pp. 43-53. [27] Destraz B, Barrade P, Rufer A, Klohr M (2007), "Study and simulation of the energy balance of an urban transportation network", European conference on power electronics and applications, Aalborg, Denmark. [28] ERRAC (2014), The European Rail Research Advisory Council Rail route 2050: The Sustainable Backbone of the Single European Transport Area, Available on-line:http://www.errac.org/wp-content/uploads/2013/11/D9- SRRA-RAILROUTE2050.pdf. [29] European Commission (2011), Roadmap to a Single European Transport Area: Towards a Competitive and Resource Efficient Transport System: White Paper, Publications Office of the European Union. [30] EN 50163 (2004), Railway applications - Supply voltages of traction systems [31] González-Gil, A., Palacin, R., Batty, P., & Powell, J. P. (2014),"A systems approach to reduce urban rail energy consumption", Energy Conversion and Management, 80, pp.509-524 [32] Grbovic, P. J. (2013), Ultra-Capacitors in Power Conversion Systems: Applications, Analysis, and Design from Theory to Practice, John Wiley & Sons. [33] Gonzalez-Gil, A., Palacin, R., Batty, P., & Powell, J. P. (2014), "Energy- efficient urban rail systems: strategies for an optimal management of regenerative braking energy", Transport Research Arena (TRA) 5th Conference: Transport Solutions from Research to Deployment European Commission Conference of European Directors of Roads (CEDR) European Road (ERTRAC) WATERBORNEᵀᴾEuropean Rail Research Advisory Council (ERRAC) Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR) Ministère de l'Écologie, du Développement Durable et de l'Énergie. [34] Howlett, P. (1988), Existence of an optimal strategy for the control of a train, School of Mathematics report, 3. [35] Howlett, P. (2000), The optimal control of a train, Annals of Operations Research, 98(1-4), pp. 65-87. [36] Howlett, P.(1996), Optimal train, Automatica, 32(4), pp.519-532. [37] Howlett, P. G., Cheng, J., & Pudney, P. J. (1995), Optimal strategies for energy-efficient train control, Control Problems in Industry, pp. 151-178. Birkhäuser Boston.

135

[38] Howlett, P. G., Pudney, P. J., & Vu, X. (2009), Local energy minimization in optimal train control, Automatica, 45(11), pp. 2692-2698. [39] Hu, H., Fu, Y. P., & Hu, C. (2010), "PSO-based optimal operation strategy of energy saving control for train", The 17Th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, pp. 1560-1563. [40] Hashemnia, N., & Asaei, B. (2008), "Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles", The 18th International Conference on Electrical Machines ICEM, pp. 1-5. [41] Hai, N T (2010),"Evaluation of effect Pontryagin's Maximum Principle for optimal control train by criteria of energy save", The International Symposium on Computer Communication Control and Automation, (1), pp. 363-366. [42] IEC (2014), Electrical Energy Storage. [43] IEC 60850 (2014), Railway applications - Supply voltages of traction systems [44] Iannuzzi, D., Ciccarelli, F., & Lauria, D. (2012), "Stationary ultracapacitors storage device for improving energy saving and voltage profile of light transportation networks", Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 21(1), pp. 321-337. [45] Iannuzzi, D., & Tricoli, P. (2012), "Speed-based state-of-charge tracking control for metro trains with onboard supercapacitors", IEEE Transactions on power electronics, 27(4), pp. 2129-2140. [46] Iannuzzi, D., Lauria, D., & Ciccarelli, F. (2013), Wayside ultracapacitors storage design for light transportation systems: a multiobjective optimization approach, variations, 6,12. [47] J. Zhang, J.-S. Lai, R.-Y. Kim and W. Yu (2007), “High-power density design of a soft switching high-power bidirectional dc–dc converter”, IEEE Trans. Power Electron., 22 (4), pp. 1145 – 1153. [48] Jiaxin, C., & Howlett, P. (1992), Application of critical velocities to the minimisation of fuel consumption in the control of trains, Automatica, 28(1), pp.165-169. [49] Kim, K. M., Kim, K. T., & Han, M. S. (2011), "A model and approaches for synchronized energy saving in timetabling", Korea Railroad Research Institute, http://www. railwayresearch. org/IMG/pdf/a4_kim_kyungmin. pdf. [50] Kwon, K., Lee, K. G., Kim, T., Lee, J., Jone, B. J., Choi, J., & Colak, I. (2016), "Enhanced operating scheme of ESS for DC transit system", The Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), pp. 1113-1118. [51] Kwon, K., Lee, E. K., Choi, J., & Baek, S. G. (2012), "Efficiency improvement of ESS for DC transit system", Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC),(4), pp. 2641-2646.

136

[52] Kee-Hyun Chot, Su-Jin Jang, Byoung-Kuk Leel, Chung-Yuen Won, and Gil-Dong kim (2007), "Development of DC Line Voltage Simulatorfor Control of Regenerative Energy Storage Device in DC Traction System", The 7th International Conference on Power Electronics, Daegu, Korea. [53] Lee, H., Song, J., Lee, H., Lee, C., Jang, G., & Kim, G. (2011), Capacity optimization of the supercapacitor energy storages on DC railway system using a railway power flow algorithm. IJICIC, 7(5), pp. 2739-2753. [54] Liu, R. R., & Golovitcher, I. M. (2003), Energy-efficient operation of rail vehicles, Transportation Research Part A: Policy and Practice, 37(10), pp. 917- 932. [55] Lin, F., Liu, S., Yang, Z., Zhao, Y., Yang, Z., & Sun, H. (2016). Multi-train energy saving for maximum usage of regenerative energy by dwell time optimization in urban rail transit using genetic algorithm. Energies, 9(3), 208. [56] Lu, S., Wang, M. Q., Weston, P., Chen, S., & Yang, J. (2016). Partial train speed trajectory optimization using mixed-integer linear programming. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(10), 2911-2920. [57] Milroy, I. P.(1981), Minimum-energy control of rail vehicles, South Australian Institute of Technology. [58] Moskowitz, J. P., & Cohuau, J. L. (2010), "STEEM: ALSTOM and RATP experience of supercapacitors in tramway operation", Vehicle Power and Propulsion Conference -VPPC, pp. 1-5. [59] M. Quraan and J. Siam (2016), "Modeling and simulation of railway electric traction with vector control drive," 2016 IEEE International Conference on Intelligent Rail Transportation (ICIRT), Birmingham, pp. 105-110. [60] Trinh Luong Mien, Train running-time control algorithms in automatic train movement control system of Hanoi metro, Russian University of Transport (MIIT), Doctoral thesis, 04/2012. [61] Naseri, F., Farjah, E., & Ghanbari, T. (2017), "An efficient regenerative braking system based on battery/supercapacitor for electric, hybrid, and plug- in hybrid electric vehicles with BLDC motor", IEEE Transactions on Vehicular Technology, 66(5), pp.3724-3738. [62] Nasri, A., Moghadam, M. F., & Mokhtari, H. (2010), "Timetable optimization for maximum usage of regenerative energy of braking in electrical railway systems", Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion (SPEEDAM)Symposium, pp. 1218-1221. [63] Ned Mohan (2003). First course on power electronics and drives. [64] Ogasa, M. (2008), "Energy saving and environmental measures in railway technologies: Example with hybrid electric railway vehicles", IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 3(1), pp.15-20.

137

[65] Paulo Mendonça1 and Duarte M. Sousa (2016),Scalar Variable Speed Motor Control for Traction Systems with Torque and Field Orientation Filter, IFIP International Federation for Information Processing Published by Springer International Publishing Switzerland. [66] Rufer, A., Hotellier, D., & Barrade, P. (2004),"A supercapacitor-based energy storage substation for voltage compensation in weak transportation networks", IEEE Transactions on power delivery, 19(2), pp. 629-636. [67] Romo, L., Turner, D., & Ng, L. B. (2005), "Cutting traction power costs with wayside energy storage systems in rail transit systems", American Society of Mechanical Engineers ASME/IEEE 2005 Joint Rail Conference, pp.187-192). [68] Steiner, M., & Scholten, J. (2004), "Energy storage on board of DC fed railway vehicles", Power Electronics Specialists Conference -PESC, (1), pp. 666- 671. [69] Steiner, M., Klohr, M., & Pagiela, S. (2007), "Energy storage system with ultracaps on board of railway vehicles", Power Electronics and Applications European Conference, pp.1-10. [70] Su, S., Tang, T., & Wang, Y. (2016), "Evaluation of strategies to reducing traction energy consumption of metro systems using an optimal train control simulation model", Energies, 9(2), 105. [71] Sun, X., Lu, H., & Dong, H. (2017), "Energy-Efficient Train Control by Multi-Train Dynamic Cooperation", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 18(11), pp.3114-3121. [72] Sejin Noh, Jaeho Choi, Hyung-Cheol Kim, Eun-Kyu Lee (2008), "PSiM Based Electric Modeling of Supercapacitors for Line Voltage Regulation of Electric Train System", The 2nd IEEE International Conference on Power and Energy, Johor Baharu, Malaysia. [73] Son, K., Noh, S., Kwon, K., Choi, J., & Lee, E. K. (2009), "Line voltage regulation of urban transit systems using supercapacitors", Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC'09. IEEE 6th International, pp. 933- 938. [74] Takafumi Koseki (2010), "Technologies for Saving Energy in Railway Operation: General Discussion on Energy Issues Concerning Railway Technology", ieej transactions on electrical and electronic engineering 5,pp. 285– 290. [75] Teymourfar, R., Farivar, G., Iman-Eini, H., & Asaei, B. (2011), "Optimal stationary super-capacitor energy storage system in a metro line", Electric Power and Energy Conversion Systems Conference (EPECS), pp. 1-5. [76] Taiping Kang (2006), Research on Automatic Train Operation Based on Fuzzy predictive control algorithms, Southwest Jiao Tong University.

138

[77] T. VargheseI and K.R. Rajagopa (2016) ,"Economic and Efficient Induction Motor Controller for Electric Vehicle using Improved Scalar Algorithm", 1st IEEE International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems -ICPEICE. [78] UNI 8379 (2000), Sistemi di trasporto a guida vincolata (ferrovia, metropolitana, metropolitana leggera, tranvia veloce e tranvia) - Termini e definizioni. [79] Urciuoli, D. P., & Tipton, C. W. (2006, March), "Development of a 90 kW bi-directional DC-DC converter for power dense applications", In Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC'06. (pp. 4-pp). IEEE. [80] Vazquez, S., Lukic, S. M., Galvan, E., Franquelo, L. G., & Carrasco, J. M. (2010).Energy storage systems for transport and grid applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(12), 3881-3895. [81] X. Yang, X. Li, Z. Gao, H. Wang, T. Tang (2013), "A cooperative scheduling model for timetable optimization in subway systems", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 14(1), pp.438–447. [82] X. Yang, B. Ning, X. Li, T. Tang (2014), "A two-objective timetable optimization model in subway systems", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 15(5), pp.1913–1921. [83] X. Yang, X. Li, B. Ning, T. Tang (2016), "A survey on energy-efficient train for urban rail transit", IEEE Transactions on Intelligent operation Transportation Systems, 17(1), pp.2–13. [84] X. Vu (2006), Analysis of Necessary Conditions for the Optimal Control of a Train, Ph.D. Thesis, University of South Australia. [85] Vukan R.Vuchic (2007),Urban transit systems and technology, John Wiley & Sons, Inc. [86] Warin Y, Lanselle R, Thiounn M (2011), Active substation, The 9th World congress on railway research – WCRR. [87]Wong*, K. K., & Ho, T. K. (2004), "Dynamic coast control of train movement with genetic algorithm", International journal of systems science, 35(13-14), pp.835-846. [88]Yang and K. Li (2009), The railway transportation planning problem and its genetic algorithm based tabu search algorithm, ICIC Express Letters, 3 (3), pp.361-366.92. [89] Yang, J., Jia, L., Lu, S., Fu, Y., & Ge, J. (2016), Energy-efficient speed profile approximation: An optimal switching region-based approach with adaptive resolution, Energies, 9(10), pp.762. [90] NeD, Mohan (2003), First course on Power Electronics and Drives.

139

[91] Bacha, Seddik, Munteanu, Iulian, Bratcu, Antoneta Iuliana (2013), Power Electronic Converters Modeling and Control. [92] Л. А. Баранов, Я. М. Головичер, Е. В. Ерофеев, В. M. Максимов. Микропроцессорный системы автоведения электроподвижного состава. Москва, Транспорт, 1990.-272 с. [93] Uyulan, C., Gokasan, M., & Bogosyan, S. (2017), Modeling, simulation and slip control of a railway vehicle integrated with traction power supply, Cogent Engineering, 4(1).

140

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Tính toán và lựa chọn bộ tích trữ năng lượng siêu tụ

Phụ lục 1 trình bày chi tiết cách tính, và lựa chọn bộ tích trữ năng lượng siêu

533, 6( )

675( )

tụ đặt trên đoàn tàu.

sc inMU

- =

max

ta được

Với điện áp trên UDC-link = 750VDC; theo công thức (2.17) tính được V scU Theo chu kỳ kéo điển hình của tàu điện, trong giai đoạn hãm, năng lượng động

học của tàu có thể được lưu trữ trong các thiết bị SCESS, được nạp lại cho SoC

ban đầu; sau đó SCESS có thể cung cấp năng lượng cùng với trạm biến áp chính

trong các giai đoạn gia tốc tiếp theo.

h h h

m v

Năng lượng lưu trữ trong SC có thể được đánh giá [44]:

em inv

dc dc

mech

max

1 2

0, 98.0, 91.0, 95.0, 95.0, 9.

.(247, 6.10 ).(80.

)

max

(4.3)

1 2

1000 3600

scE =

KWh

J 44105752, 6

12,25

(4.4)

Thông số của siêu tụ maxwell BMOD0063 P125

Bảng PL.1. Thông số của siêu tụ maxwell BMOD0063 P125

Tham số Đơn vị Giá trị

Điện áp định mức(Vm,max) (V) 125

(F) 63 Điện dung (CSC,m)

)m  ( (A)

18 Điện trở nối tiếp (rsc,m)

1900 Dòng điện tối đa(Im,max)

75% tổng năng lượng lưu trữ (Wh) 101.7

(Kg) 61 Khối lượng

Bảng PL.2. Thông số của tàu điện tuyến Cát linh - Hà đông

Thông số tàu điện Đơn vị Giá trị

Cách lập tàu (Tc+Mc+Mc+Tc) 04

Trọng lượng đoàn tàu khi không có hành khách [kg] 136000

Trọng lượng đoàn tài khi có hành khách [kg] 247600

141

Thông số tàu điện Đơn vị Giá trị

[km/h] 80 Tốc độ lớn nhất của đoàn tàu (vmax)

[km/h] 40 Tốc độ trung bình của đoàn tàu (vtb)

35 Tốc độ định mức của đoàn tàu (vb)

Gia tốc khi kéo (0-40km/h) (a) >=0.83

Gia tốc khi kéo (0-80km/h) (a) >=0.5

Gia tốc lớn nhất khi hãm thường >=1

Gia tốc khi hãm dừng khẩn cấp 1.2

Gia tốc khi hãm điện trở (50-5 km/h) [km/h] [m/s2] [m/s2] [m/s2] [m/s2] [m/s2] >= 0.8

Đường kính bánh xe [m] 0.77-0.84

tỷ số truyền 5.3:1

% 0.95 Hiệu suất hộp số ( mech )

% 0.95 Hiệu suất bộ biến đổi (DC-DC)

% 0.95 Hiệu suất biến tần (ηinv)

% 0.9 Hiệu suất siêu tụ (sc)

0.91 Hiệu suất động cơ (mor)

% [kg.m2] 194 Momen quán tính của đoàn tàu (Jeq)

120

Năng lượng trong công thức (4.4) có thể được lưu trữ trong:

SCN =

12, 25.1000 101, 7

(modun) (4.5)

Với Nsc: Số module siêu tụ

Khối lượng siêu tụ đặt trên tàu: 61kg*120 =7.3 tấn chiếm 3% trọng lượng đoàn

tàu.

Mỗi đoàn tàu với bộ biến đổi DC-DC riêng của đoàn tàu đó, chỉ tính có 75%

tổng số năng lượng được lưu trữ thực sự được sử dụng [9]. Bộ biến đổi DC-DC

hai chiều được điều khiển để quản lý dòng năng lượng giữa SCESS và tàu điện

làm việc như là một bộ biến đổi buck-tương ứng khi sạc và boost - xả. Vì hiệu

quả của bộ biến đổi chấp nhận được nếu tỷ số điện áp khuếch đại tối đa nhỏ

hơn hoặc bằng 3 [44], có nghĩa là với điện áp định mức là 750V, điện áp của

142

SCESS nên lớn hơn 250V. Do đó, sử dụng các mô đun SCESS của bảng 2.6

= (modun mắc nối tiếp)

chuỗi mô-đun được ghép nối nối tiếp:

sN =

675 125

(4.6)

Để đạt được số lượng năng lượng được lưu trữ số lượng các mô đun kết nối song

= (modun mắc song song)

song là.

pN =

120 6

(4.7)

mod

ule

điện dung cần thiết:



N .

C C

mod

ule

.20

210( ) F

 = SCC

63 6

(4.8)

Với năng lượng lưu trữ trong siêu tụ là Esc-max =12,25 kWh

Phụ lục 2. Phương trình vi phân chuyển động của đoàn tàu có sử dụng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu

Để thiết lập phương trình chuyển động của đoàn tàu có xét đến năng lượng cấp

từ siêu tụ được đặt trên tàu, luận án sử dụng phương pháp năng lượng để thiết

lập phương trình vi phân hỗn hợp hệ Cơ – Điện.

Các lực hoạt động sinh công bao gồm: Lực kéo đoàn tàu Ftr(v), Lực hãm

đoàn tàu do hãm điện Fbr(v), Lực cản chuyển động chính của đoàn tàu W0(v),

Lực cản sinh ra do độ dốc của đường Fgrad(x).

Động năng của đoàn tàu khi kể đến hệ số quán tính của đoàn tàu:

( 1

)

trainT

1 2

(4.9)

W F v v F v v W v v F ( )

⋅ -

( )

x ( )

Công suất của các lực hoạt động và công suất siêu tụ:

⋅ + v P v t ( , ) sc

grad

(4.10)

W =

Áp dụng định lý biến thiên động năng dạng đạo hàm:

dT train dt

(4.11)

143

( )

F v v F v v W v v F

⋅ -

( ) x

Ta thu được:

( 1

)

( , ) ⋅ + v P v t sc

grad

dv dt

(4.12)

- F v W v ( )

( )

x ( )

Chia cả hai vế của (4.12) cho v, ta có:

( 1

)

F v ( ) tr

grad

dv dt

P v t ( , ) sc v

(4.13)

) mg+

dv dt

dv dx dx dt

dv dx

và chú ý rằng , cùng Chia cả hai vế của (4.13) cho ( 1

với sử dụng các ký hiệu lực kéo đơn vị, lực hãm đơn vị, lực cản chính đơn vị,

lực cản độ dốc đơn vị của đường, như trong công thức (2.7), ta có phương trình

vi phân chuyển động đoàn tàu sử dụng bộ tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên

u f v ( )

w v ( )

x ( )

tàu:

br br

grad

dv dx

( , ) p v t v

(4.14)