Thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong vận hành tàu điện đô thị bằng bộ chỉnh lưu tích cực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng bộ chỉnh lưu tích cực (CLTC) lắp đặt tại trạm điện kéo có khả năng cho dòng năng lượng chảy hai chiều. Ở chế độ hãm dừng, động cơ làm việc như máy phát trả năng lượng về lưới, nhờ bộ chỉnh lưu tích cực, năng lượng hãm tái sinh sẽ được trả về nguồn lưới mà không bị đốt trên các điện trở hãm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong vận hành tàu điện đô thị bằng bộ chỉnh lưu tích cực

61 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 42-08/2021 THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM TÁI SINH TRONG VẬN HÀNH TÀU ĐIỆN ĐÔ THỊ BẰNG BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC REGENERATIVE BRAKING ENERGY RECUPERATION FROM URBAN ELECTRIFIED TRAIN OPERATION BY ACTIVE RECTIFIER An Thị Hoài Thu Anh, 2Trần Văn Khôi, 3Đặng Việt Phúc 1 1 Trường Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội 1 htanh.ktd@utc.edu.vn, tvkhoi.ktd@utc.edu.vn,3dvphuc.ktd@utc.edu.vn 2 Tóm tắt: Với công suất động cơ truyền động lớn, tổng mức tiêu thụ điện năng vận hành tàu điện của hệ thống đường sắt đô thị rất cao. Do đó, các giải pháp tiết kiệm năng lượng có ý nghĩa quan trọng, góp phần làm nổi bật những ưu điểm của tàu điện đô thị so với các loại phương tiện giao thông khác. Thu hồi năng lượng hãm tái sinh là giải pháp chủ đạo nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Bài báo đề xuất giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng bộ chỉnh lưu tích cực (CLTC) lắp đặt tại trạm điện kéo có khả năng cho dòng năng lượng chảy hai chiều. Ở chế độ hãm dừng, động cơ làm việc như máy phát trả năng lượng về lưới, nhờ bộ chỉnh lưu tích cực, năng lượng hãm tái sinh sẽ được trả về nguồn lưới mà không bị đốt trên các điện trở hãm. Hiệu quả năng lượng của giải pháp này được kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink với các dữ liệu thu thập từ tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông, Việt Nam. Đánh giá mức độ tiết kiệm năng lượng trong các trường hợp có hoặc không sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực đã chỉ ra sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực tiết kiệm được 4.4% tổng năng lượng điện kéo. Từ khóa: Thu hồi năng lượng hãm tái sinh, chỉnh lưu tích cực, vận hành hiệu quả năng lượng, điều khiển bám điện áp lưới (VOC). Mã phân loại: 10.2 Abstract: With a large capacity, the total energy consumption for electrified train operation of the urban railway system is very high. Therefore, energy-saving solutions are very meaningful to retain their outstanding advantages compared to other means of transportation. Recovering regenerative braking energy is the potential solution to improve energy efficiency. This paper proposes a solution to recover regenerative braking energy by an active rectifier installed at a traction substation capable of bi-directional energy flow. In the braking phase, the motor operates as a generator that returns energy to the utility source. Thanks to the active rectifier, regenerative braking energy will be returned to the source without being burned on the braking resistors. The energy efficiency of this solution is verified by simulation results on Matlab Simulink software with simulation data collected from Cat Linh-Ha Dong urban railway, Vietnam. Evaluating the level of energy savings in the cases with/without active rectifiers showed that using the active rectifier had saved 4.4% of the total traction electric energy. Keywords: Regenerative braking energy recuperation, active rectifier, energy-efficient operation, Voltage Oriented Control (VOC). Classification code: 10.2 1. Giới thiệu tiện ích) và nhóm giải pháp ứng dụng công Với những ưu điểm nổi bật: Vận hành nghệ tiên tiến (hãm tái sinh, hiệu quả năng đúng giờ, an toàn, khả năng vận chuyển lớn, lượng hệ thống sức kéo, đo và quản lý năng giảm ùn tắc giao thông và khí thải ra môi lượng thông minh) [1]. Nhóm giải pháp các trường, hệ thống đường sắt đô thị ngày càng qui trình vận hành là tạo ra những thay đổi được sử dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới. hiệu quả năng lượng khi vận hành đoàn tàu Tuy nhiên điện năng cần cấp để vận hành mà không cần phải đầu tư thêm cơ sở hạ tầng đoàn tàu là rất lớn, nhiều giải pháp thu hồi của tuyến có sẵn; trong khi nhóm giải pháp năng lượng đã được đề xuất và áp dụng trong về ứng dụng công nghệ tiên tiến cần thay thế, thực tế. Hình 1 chỉ ra hai nhóm các giải pháp hoặc bổ sung hệ thống trang thiết bị đoàn tàu. tiết kiệm năng lượng: Nhóm giải pháp các Trong các giải pháp trình bày tại hình 1, qui trình vận hành (lái tàu hiệu quả năng giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh là lượng, giảm tiêu thụ năng lượng của dịch vụ hiệu quả nhất với mức độ năng lượng được
62 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 42, Aug 2021 thu hồi lên đến 30% do khoảng cách giữa các Trong trạm điện kéo của hệ thống đoàn khu gian ngắn, tàu điện đô thị hãm dừng tàu vận hành hiện nay là các bộ chỉnh lưu thường xuyên [14]. Việc tái sử dụng năng diode chỉ cho dòng năng lượng chảy từ lượng hãm tái sinh được thực hiện bằng nguồn tới tải. Khi tàu điện vận hành ở chế độ nhiều cách thức: Sử dụng các thiết bị tích trữ hãm về ga, động cơ làm việc như máy phát năng lượng như bánh đà, ắc qui, siêu tụ đặt trả năng lượng về lưới, năng lượng dư thừa trên tàu, tại trạm điện kéo [2], [8], [9], [13], này bị đốt trên điện trở hãm gây lãng phí và [14]; tối ưu biểu đồ chạy tàu để đồng bộ các làm tăng nhiệt độ môi trường. Do đó, đề xuất giai đoạn tăng tốc và giảm tốc của các đoàn thay thế chỉnh lưu diode bằng chỉnh lưu tích tàu, sao cho đoàn tàu vận hành trong chế độ cực với ưu điểm: Chứa ít sóng hài bậc cao, kéo nhận được năng lượng hãm tái sinh từ hệ số cosφ được điều chỉnh xấp xỉ 1, có khả đoàn tàu gần nhất vận hành trong chế độ hãm năng trao đổi năng lượng theo hai chiều như [8]; lắp đặt các bộ biến đổi tại trạm điện kéo trong hình 2 và hình 3 [10]. Hệ thống tàu cho dòng năng lượng chảy hai chiều từ điện bao gồm những phần chính: Trạm điện nguồn tới tải là tàu điện và ngược lại [4], kéo, hãm điện trở, hệ truyền động sức kéo [10]. Trong bài báo này đề xuất thu hồi năng với động cơ kéo là động cơ không đồng bộ lượng hãm tái sinh bằng bộ chỉnh lưu tích roto lồng sóc, biến tần nguồn áp điều khiển cực. Khi tàu điện vận hành ở chế độ hãm, các động cơ kéo mắc song song, các lực cản năng lượng dư thừa được trả lưới nhờ bộ trở do ma sát, lực cản không khí, lực cản do chỉnh lưu này. Các kết quả mô phỏng đã cho độ dốc, lực cản do bán kính cong. Trong thấy năng lượng tiết kiệm khi sử dụng chỉnh phần này tập trung nghiên cứu, phân tích bộ lưu tích cực lên tới 4.4%. chỉnh lưu tích cực và phương pháp điều 2. Hệ thống tàu điện sử dụng bộ chỉnh khiển tựa điện áp lưới (VOC). lưu tích cực Những giải pháp tiết kiệm năng lượng Công nghệ Các quy trình tiên tiến vận hành Hiệu quả năng Đo và quản lý Giảm tiêu thụ năng lượng hệ thống năng lượng Lái tàu hiệu quả Hãm tái sinh lượng của dịch vụ sức kéo năng lượng thông minh tiện ích - Tối ưu điều độ chạy - Sử dụng thiết bị - Sử dụng hệ thống tàu tích trữ năng - Giảm tổn thất đo tự động thu thập - Thực hiện các giải - Tối ưu profile tốc độ lượng (trên tàu, năng lượng trong dữ liệu tiêu thụ pháp liên quan đến - - Tối ưu quãng đường - trạm điện kéo, dọc mạng lưới cấp điện năng lượng. toa xe: nhiệt, thông chạy đà tuyến chạy tàu) - Giảm tổn thất của - Sử dụng các gió, điều hòa.. - Tối ưu độ dốc đường - Các bộ biến đổi các thiết bị trên tàu nguồn năng lượng - Thực hiện các giải chạy tàu tại trạm điện kéo - Giảm trọng lượng tái tạo pháp liên quan đến - Hệ thống hỗ trợ lái cho dòng năng đoàn tàu - Quản lý năng thời gian dừng tàu. tàu DASs lượng chảy hai lượng thông minh - Vận hành lái tàu tự chiều ... động ATO Hình 1. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong giao thông điện đường sắt [1].
63 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 42-08/2021 Trạm điện kéo A Trạm điện kéo B P nguồn cấp Trạm điện kéo NL nguồn áp Hãm điện trở DC LINK Động cơ AC kéo Tm , v Wm,v Nguồn điện Bánh CDC IM U DC-link tàu RD TL AC DC Các lực cản W FR 0 K F grad Hệ truyền động sức kéo Hình 2. Hệ thống tàu điện đô thị sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực [10]. Ray thứ ba, 750 VDC Lực cản không khí tàu Bánh tàu Lực kéo Động Hộp số cơ kéo Momen Ray Lực ma sát 𝛂 Trọng lực Hình 3. Mô men và các lực tác động lên đoàn tàu [10]. 2.1. Mô hình đoàn tàu Ftr , Fbr ,W0 , Fgrad là lực kéo, lực hãm điện, lực Phương trình trạng thái của đoàn tàu cản chính và lực cản do độ dốc. được biểu diễn như sau [1]: Dựa vào đường các đặc tính lực kéo và dx  lực hãm được đưa ra bởi nhà sản xuất [1]. Sử  v    dt dụng phương pháp hồi qui để xác định các  (1)  dv mv đặc tính này dưới dạng các đa thức:   Ftr (v )  Fbr (v ) W0 (v )  Fgrad (x )  dx   13.2  (0  v  32)   Ở đây v, t, x , m là tốc độ đoàn tàu (m / s ) , 2.5  105 v 3  0.007  v 2 Ftr   (2)  (32  v  80) thời gian vận hành (s ) , vị trí đoàn tàu (m ) , 0.66v  28.35    khối lượng đoàn tàu khi đầy tải (tấn),
64 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 42, Aug 2021 14.7   (0  v  65) Ở đây a, b, c là các hệ số cản trở được  0.254v  31.21 Fbr   (65  v  75) (3) cung cấp bởi nhà sản xuất.   0.2027v  27.36 (75  v  80)    Lực cản do độ dốc: Fgrad  mg sin  (5) Lực cản cơ bản tính theo đơn vị khối Trong đó g,  là gia tốc trọng trường độ lượng w 0 được tính dựa vào công thức Davis dốc của đường ray. [1]: 2.2. Mô hình hóa bộ chỉnh lưu tích cực W0 w0   a  bv  cv 2 (4) m it V1 V3 V5 D1 D3 D5 ic ua iLa ub iLb Tải uc iLc C Udc V4 V6 V2 D4 D6 D2 Hình 4. Sơ đồ cấu trúc mạch lực của bộ chỉnh lưu tích cực [7]. L R UL ω ϕ US iL jωLI L ∼ UL ∼ US IL RI L (a) (b) IL UL RI L ε>0 US jωLI L jωLI L US IL ε
65 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 42-08/2021 thể coi udc=Udc=const. Hình 5 chỉ ra sơ đồ Cấu trúc mô hình toán học của chỉnh lưu thay thế một pha và đồ thị vector của chỉnh tích cực trong hệ tọa độ quay d-q như minh lưu tích cực thể hiện hệ số cosφ=1 khi mạch họa trên hình 6. van làm việc ở chế độ chỉnh lưu, và cosφ= −1 khi mạch van làm việc trong chế độ hãm, uLd + 1 1 năng lượng trả lưới. Từ hình 4 và hình 5, ba _ Usd + R + pL pC phương trình điện áp được thể hiện: Sd −ω L U  i  i  U   a  a  La   sa  U   R i   L d i   U   b  b     (6)     dt  Lb   sb  Sq ωL U c  ic  iLc  U sc  Usq uLq _ + 1 Và một phương trình dòng điện: + R + pL dudc Hình 6. Mô hình toán học của chỉnh lưu tích cực C  Sa iLa  SbiLb  SciLb  it (7) dt trong hệ tọa độ dq. Cấu trúc mô hình toán học của chỉnh lưu Với sa , sb , sc là các hàm đóng cắt của các tích cực trong hệ tọa độ quay d-q như minh van trên mỗi nhánh với quy luật như sau: họa trên hình 6. sa  1 nếu V1 đóng, sa  0 nếu V4 đóng; 2.3. Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực sb  1 nếu V3 đóng, sb  0 nếu V6 đóng; Từ mô hình toán học của bộ chỉnh lưu sc  1 nếu V5 đóng, sc  0 nếu V2 đóng. tích cực được thể hiện trong phương trình (3), (4) và hình 6. Cấu trúc điều khiển bộ Sử dụng phép biến đổi Clark, Park để chỉnh lưu tích cực được thiết kế theo phương chuyển các phương trình cân bằng điện áp và pháp tựa điện áp lưới - VOC như minh họa dòng điện từ hệ tọa độ (a,b,c) sang (α-β), rồi trên hình 7. Cấu trúc điều khiển VOC sử sang hệ tọa độ quay (d-q). Ta được các dụng mạch vòng điều khiển dòng điện. Cấu phương trình sau: trúc này dựa trên việc chuyển đổi giữa hệ Phương trình điện áp: trục tọa độ cố định αβ và hệ trục tọa độ dq.  Phương pháp này đảm bảo đáp ứng tức thời  u  Ri  L diLd  Li  u  Ld nhanh và chính xác thông qua các mạch vòng   Ld dt Lq sd điều khiển: Vòng khóa pha (PLL), mạch  (8)  u  Ri  L diLq  Li  u vòng dòng điện, mạch vòng điện áp [3], [7].  Lq  Lq Ld sq   dt Ua Ia NL nguồn áp DC Động cơ kéo Tm , v Ub Ib Wm,v Bánh Phương trình dòng điện: tàu Uc Ic U dc T AC Các lực cản duc Ia Ib Ta Tb Tc FR W K 0 c  (iLd Sd  iLq Sq )  it (9) abc F grad dt αβ U sα U sβ U dc−ref Hệ truyền động sức kéo ∆U dc Trong đó: α −β d −q  S  S cos t  S sin t θ α −β  d    d −q U sq U sd  I Ld I Lq ∆I q ∆I d Sq  S  sin t  S  cos t   I I =0 d −ref q−ref   S α  1 (2Sa  Sb  Sc ) Hình 7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực theo  6 phương pháp VOC [3], [7].  S β  1 (Sb  Sc )    2 2.3.1. Thiết kế vòng khóa pha PLL Đối với các thiết bị điện tử công suất khi muốn trao đổi năng lượng giữa thiết bị với
66 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 42, Aug 2021 lưới cần giải quyết bài toán đồng bộ góc pha, θ ∆θ 1 1 θs biên độ, tần số. Do đó thuật toán vòng khóa U Ki 1 + sTs Kp+ pha được thiết lập nhằm xác định góc pha − s s điện áp lưới cũng như tần số của hệ thống. Cấu trúc điều khiển vòng khóa pha được mô tả trên hình 8. Hình 10. Cấu trúc điều khiển vòng khóa pha. Đại lượng cần điều khiển: θ* - góc tựa θ* đầu ra khối PLL. Uα αβ PI Đại lượng đặt: θ - góc pha điện áp Uq − ∆ω ω θ* Uβ ∫ dt nguồn. dq Yêu cầu điều khiển: Góc quay trục d bám ωref U qref = 0 giá trị góc pha điện áp lưới, thông qua giá trị Hình 8. Cấu trúc vòng khóa pha [3], [7]. biểu diễn sai lệch: Thông tin đầu vào là giá trị điệp áp lưới U q = − U sin(θ* − θ) = U sin(∆θ) (10) được biểu diễn trên trục tọa độ cố định αβ và giá trị đầu ra là thông tin góc pha điện áp. Sai lệch ∆θ tiến về không, khi đó thành phần vector ngang trục U q bằng không, góc β quay trục d bám giá trị góc pha điện áp lưới. w Với khoảng biến thiên ∆θ nhỏ, ta xấp xỉ  −U β  U U sin(∆θ) ≈ U∆θ, ωref , coi ωref là nhiễu hằng số. q d ws Vì bộ điều khiển số sẽ gây trễ một chu kì trích mẫu Ts, ta coi như một khâu quán tính  bậc nhất. Như vậy đối tượng của hệ θ Ud ∆θ U  −U q S (s )  là một khâu tích phân θ* s(1  sTs ) α quán tính bậc nhất. Khi đó hàm truyền hệ hở  Uα là: Hình 9. Phân tích thành phần vector điện áp lưới  1  sTs  1 U  Như hình 9 minh họa, bằng việc biểu GO (s )  K p     (11)    sTi  1  sTs s  diễn điệp áp lưới thành một vector quay U có vận tốc góc bằng với vận tốc góc của điện áp Hàm truyền hệ kín lúc này trở thành: lưới và góc quay so với trục α chính là góc G 0 (s ) pha của vector điện áp lưới. Từ đó, đưa hệ Gk (s )  trục vector quay dq cùng chiều quay với 1  G 0 (s )  vector điện áp, khi đó vector U sẽ có thành u K ps  K i    (12) phần dọc trục là U d , và thành phần ngang s 2 1  sTS   u K ps  K i   trục là U q . Với việc điều khiển thành phần u.K ss  uK i   Ts .s  s 2  u.K ss  uK i 3 ngang trục U q bằng không, thì thành phần  Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để dọc trục U d này sẽ trùng với vector điện áp tổng hợp bộ điều khiển: lưới và góc quay của hệ trục dq khi đó sẽ Chọn hệ số a=4 và thời gian trích mẫu mang thông tin của góc pha vector điện áp Ts  0.2ms ta được các tham số của bộ điều lưới. Cấu trúc điều khiển vòng khóa pha có thể được mô tả như hình 10. khiển:
67 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 42-08/2021 TI  aT1  aTs  8.104 Ti L Với Ta  , chọn Ti  ; 1 (13) kp R kp   8.0353 kT1 a Hàm truyền kín của đối tượng: 2.3.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển 1/ R Gk (s)  dòng điện 1  Tss Ta .s  1 / R (18) Từ mô hình toán học của đối tượng trên hệ trục tọa độ d-q theo công thức sau: Sử dụng phương pháp tối ưu độ lớn ta  được [12]:  u  Ri  L diLd  Li  u  Ld      Ld dt Lq sd  T  L T  L   (14)  i  i  u  Ri  L diLq  Li  u  R  Lq  R ⇔ T     Lq dt Ld sq  T  2 1 T  i 2 1T   a    R s  kp s   R  Do hai bộ điều chỉnh dòng điện trên hai (19) trục d, q là tương đương nhau, nên ta chỉ tổng   L T   i hợp một bộ điều chỉnh tổng quát cho cả hai.  R ⇔  Xuất phát từ phương trình: k  L   p diLd    2Ts uLd  RiLd  L  LiLq  usd (15) dt Thay số tính toán ta được thông số bộ PI Để đơn giản cho thiết kế, bỏ qua thành điều khiển dòng iLd. Tổng hợp tương tự ta phần đan kênh ωL. được thông số bộ PI điều khiển dòng iLq. Laplace hai vế của phương trình (15) và Khi tổng hợp xong hai mạch vòng dòng bỏ qua thành phần xen kênh, có phương điện iLd, iLq, quay lại xét thành phần ωL để bù trình: xen kênh. Mạch vòng dòng điện được thiết kế bù xen kênh như sau: U Ld  RI Ld  L.s.I Ld  U sd ud I Ld − 1 (16) ⇒  i* Ld ∆u Ld u sd U Ld U sd R  L.s Trong thực tế luôn có thời gian trễ Ts từ i Ld − ωL khi bắt đầu có tín hiệu của điện áp điều khiển đến khi điện áp điều khiển đó được bộ i Lq nghịch lưu điều chế ra. Ta coi tác động của ωL thời gian trễ đó là một khâu quán tính bậc − − nhất và có mô hình dùng để tổng hợp bộ điều khiển: i* Lq ∆u Lq − u sq Hình 12. Sơ đồ điều chỉnh dòng điện i* Ld 1 1 1 i Ld sau khi tách kênh. K p (1 + ) − Ts i 1 + sTs R + sL 2.3.3. Thiết kế mạch vòng điện áp Do yêu cầu thiết kế bộ điều khiển dòng RiL đảm bảo nhanh, chính xác và tách kênh Hình 11. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. nên có thể coi bộ RiL là khâu có hàm truyền Khâu PI có phương trình: bằng 1. Xuất phát từ phương trình:  1  1  Ti .s  dudc C s   k p 1      c  iLd .sd  iLq .sq  it (20)    Ti .s  Ta .s (17) dt
68 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 42, Aug 2021 Laplace hai vế, ta được phương trình:    k  k pu  ω2  1 CsU dc  I Ld .Sd  I Lq .Sq  I t . k  ω2    Tiu .C n (21) ⇒ 1  n    k1.Tiu  2.ξ.ωn    2.ξ.ωn 2.ξ ILq = 0 do đó:   Tiu     ωn 2 ωn   I Ld .Sd  I t ⇒ U dc  (22)  k  ω2 .T .C  pu Cs   n iu ⇔  2.ξ Bỏ qua thành phần nhiễu It, sơ đồ mạch Tiu  (26)   ωn vòng điều khiển như sau:   u* i Ld u dc dc K p (1 + 1 1 1 Thay số tính toán tìm được các tham số − ) Ts i Cs k pu ,Tiu của bộ điều khiển điện áp. 3. Kết quả mô phỏng Hình 13. Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên Hàm truyền hệ hở: các tham số thu thập được từ tuyến tàu điện k pu (1  Tius ) 1 đô thị Cát Linh - Hà Đông với 11 khu gian, Fhu (s )  . 12 ga có tổng chiều dài 12,61 km [6]. Trong Tius C .s (23) phần mô phỏng này minh chứng các nghiên k 1  Tiu cứu lý thuyết bằng kết quả mô phỏng trên  pu . Tiω .C s2 một khu gian: Từ ga Cát Linh đến ga La Thành có khoảng cách 931 m, thời gian chạy: k pu 87.7s gồm ba giai đoạn vận hành: Chế độ Chọn: k1  kéo, chế độ chạy đà, chế độ hãm dừng với Tiu .C quãng đường và thời gian được phân bổ như 1  Tiu .s trong chu trình chạy tàu thể hiện tại hình 14. ⇒ Fhu (s )  k1 Gia tốc Chạy đà Hãm dừng s2 Hàm truyền hệ kín: v = 54.5 1  Tiu .s Fhu (s ) k1 Fku (s )   s2 v = 36 1  Fhu (s ) 1  Tiu .s 1  k1 (24) s2 k1(1  Tiu .s ) k1.Tiu .s  k1  2  s  k .(1  Tiu .s ) s 2  k1.Tiu .s  k1 0 Thiết kế bộ điều khiển điện áp theo Hình 14. Chu trình chạy tàu. phương pháp tối ưu đối xứng với hàm chuẩn V(km/h) [12]: 60 2.ξ.ωn .s  ω 2 50 Gk (s )  n (25) s  2.ξ.ωn .s  ω 2 2 40 Tốc độ (km/h) n 30 Trong đó: 20 ωn là tần số dao động riêng; 10 ξ là hệ số dao động tắt dần (0  ξ < 1) . 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 T(s) Thời gian (s) Hình 15. Đáp ứng tốc độ.
69 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 42-08/2021 Kịch bản mô phỏng: Xét cho một khu thăng giáng, và trong quá trình hãm (từ giây gian, với tốc độ lớn nhất quá trình kéo 54,5 76 đến giây 88,7) điện áp Udc-link tăng vọt km/h, tốc độ hãm là 40,58 km/h như đáp ứng đến 900 VDC nên phải sử dụng hãm điện trở hình 15. So sánh mức độ tiết kiệm năng (để hạn chế giá trị điện áp tăng khi hãm tái lượng trong trường hợp có hoặc không sử sinh). Sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực đặt tại dụng chỉnh lưu tích cực đặt tại trạm điện kéo. trạm điện kéo thì giá trị điện áp Udc-link Thiết kế mạch vòng điện áp đảm bảo điện áp được duy trì ổn định tại 750 VDC và có sự trên Udc-link ổn định tại giá cho phép - thể dao động rất nhỏ như đáp ứng trong hình 17, hiện sự cân bằng năng lượng giữa nguồn và thể hiện bộ chỉnh lưu tích cực đã cho dòng tải. Khi sử dụng bộ chỉnh lưu diode như đáp năng lượng chảy hai chiều, có sự cân bằng ứng trên hình 16, giá trị điện áp này sẽ có sự năng lượng giữa nguồn cấp và tải tàu điện. Bảng 1. Các thông số đoàn tàu [6]. Thông số đoàn tàu Đơn vị đo Giá trị Thiết lập đoàn tàu 2M2T Khối lượng đoàn tàu khi đầy tải (M) [kg] 247000 Số động cơ (N) 08 Công suất động cơ [kW] 200 Tốc độ lớn nhất (vmax) [km/h] 80 Tốc độ cơ bản (vb) [km/h] 35 Gia tốc lớn nhất/Gia tốc hãm [m/s2] 0.94/1 Hệ số cản trở a [KN] 7.75 Hệ số cản trở b [kg/s] 0.062367 Hệ số cản trở c [kg/m] 0.0113 Đường kính bánh xe (Dwh) [m] 0.84 Tỉ số truyền (i) 5.3:1 Hiệu suất hộp số (ηmech) 0.95 Hiệu suất động cơ (ηem) 0.9 Điện trở hãm [ ] 4 Mô men quán tính đoàn tàu (Jeq) [kg.m2] 179 Udc(VDC) Udc (VDC) 1000 900 950 850 900 800 Điện áp UDC-link (VDC) 750 850 Điện áp UDC-link (VDC) 700 800 650 750 600 700 550 650 500 600 450 550 400 500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t(s) Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 17. Đáp ứng điện áp trên UDC-link Hình 16. Đáp ứng điện áp UDC-link khi sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực. với chỉnh lưu diode.
70 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 42, Aug 2021 700 [3] 700 [4] A. Al-Ogaili et al. (2019), A three-level universal Năng lượng tiêu thụ của nguồn (Wh) 600 600 electric vehicle charger based on voltage- 500 oriented control and pulse-width modulation, 400 Energies. Volume 12, PP. 1-20; 300 Năng lượng tiêu thụ của nguồn khi sử [5] D. Cornic (2010), Efficient recovery of braking dụng bộ CLTC 200 Năng lượng tiêu thụ của nguồn khi sử dụng bộ chỉnh lưu Diode energy through a reversible dc substation, Conference on Electrical systems for aircraft, 100 railway and ship propulsion(ESARS), 19-21 Oct. 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ts 2010, Bologna, Italy, PP. 1-9 ; Thời gian (s) [6] O. Dutta, M. Saleh, M. Khodaparastan, A. Hình 18. So sánh mức năng lượng tiêu thụ khi sử Mohamed (2020), A Dual-Stage Modeling and dụng bộ chỉnh lưu Diode Optimization Framework for Wayside Energy và sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực. Storage in Electric Rail Transit Systems, Hình 18 minh họa mức năng lượng tiêu Energies. Volume 13, PP. 1614-1640 ; thụ trong trường hợp sử dụng bộ chỉnh lưu [7] Dự án thiết kế xây dựng tuyến đường sắt đô thị tích cực so sánh với trường hợp chỉnh lưu Hà Nội - Tuyến Cát Linh - Hà Đông (2014), Phần 2 Tổng hợp, quyển 2 Quản lý vận hành và khai diode. Trong đó, đường màu đỏ - năng lượng thác chạy tàu ; nguồn tiêu thụ khi sử dụng bộ chỉnh lưu [8] A. Fekik (2015), A fuzzy–logic based controller diode là 658 Wh, đường màu xanh - năng for three phase PWM rectifier with voltage lượng nguồn tiêu thụ khi sử dụng bộ chỉnh oriented control strategy, International journal of lưu tích cực đặt tại trạm điện kéo là 629 Wh. circuits, systems and signal processing. Volume Vậy mức năng lượng tiết kiệm khi sử dụng 9, PP. 412-419 ; bộ chỉnh lưu tích cực là 4,4%. [9] M. Khodaparastan, O. Dutta, M. Saleh (2019), Modeling and simulation of dc electric rail transit 4. Kết luận systems with wayside energy storage, IEEE Bài báo đề xuất giải pháp tiết kiệm năng Transactions on Vehicular Technology. Volume lượng vận hành tàu điện đô thị bằng bộ chỉnh 68, PP. 2218-2228; lưu tích cực thay thế cho chỉnh lưu diode đặt [10] M. Khodaparastan, A. Mohamed (2019), tại trạm điện kéo. Trong đó, tập trung thiết kế Flywheel vs. Supercapacitor as Wayside Energy Storage for Electric Rail Transit Systems, điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực theo phương Inventions. Volume 4, PP. 62-77 ; pháp VOC. Các kết quả mô phỏng đã minh [11] W. Lei, L. Zhigang, Z. Gang (2009), A novel chứng tính đúng đắn và hiệu quả của phương traction supply system for urban rail pháp điều khiển VOC với mức năng lượng transportation with bidirectional power flow and tiết kiệm được là 4,4%. Những kết quả trong based on PWM rectifier, The International bài báo là cơ sở để nhóm tác giả tiếp tục các Conference on Energy and Environment Technology, Guilin, China, Volume 2, PP. 40-42 ; nghiên cứu tiếp theo, kết hợp các giải pháp [12] J. Liu, H. Guo, Y. Yu (2016), Research on the nhằm tăng tỷ lệ tiết kiệm năng lượng vận cooperative train control strategy to reduce hành đoàn tàu lên cao hơn energy consumption, IEEE Transactions on Tài liệu tham khảo Intelligent Transportation Systems. Volume 18, PP.1134-1142 ; [1] An Thị Hoài Thu Anh (2019), Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hãm của [13] Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tàu điện đường sắt đô thị Việt Nam, Luận án Tiến tuyến tính, Tái bản lần thứ 4, NXB Khoa học Kỹ sỹ Kỹ thuật, trường Đại học Giao thông vận tải; thuật, Hà Nội ; [2] A. Anh et al. (2018), Braking energy [14] M. Steiner et al. (2007), Energy storage system recuperation for electric traction drive in urban with ultracaps on board of railway vehicles, rail transit network based on control European conference on power electronics and supercapacitor energy storage system, Journal of applications, 2-5 Sept. 2007, Aalborg, Denmark. Electrical Systems. Volume 14, PP. 99-114 ; PP. 1-10 ;
71 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 42-08/2021 [15] S. Su, T. Tang, Y. Wang (2016), Evaluation of Ngày nhận bài: 04/05/2021 strategies to reducing traction energy Ngày chuyển phản biện: 07/05/2021 consumption of metro systems using an optimal Ngày hoàn thành sửa bài: 28/05/2021 train control simulation model, Energies. Volume Ngày chấp nhận đăng: 01/06/2021 9, PP. 1-19. Ngoài hình ảnh, bảng biểu đã chú thích nguồn từ tài liệu tham khảo, những hình ảnh, bảng biểu còn lại đều thuộc bản quyền của tác giả/nhóm tác giả.