VỀ một GIẢI PHÁP điều KHIỂN QUÁ TRÌNH TRAO đổi NĂNG LƯỢNG hãm của tàu điện ĐƯỜNG sắt đô THỊ VIỆT NAM

1
MỞ ĐẦU
1, Tính cấp thiết của đề tài: Giao thông điện với những ưu điểm nổi bật là khả năng chuyên
chở hành khách lớn, giảm ô nhiễm môi trường, giảm ùn tắc giao thông [63,78]. Ở Việt Nam,
mạng lưới đường sắt đô thị theo qui hoạch trong thời gian tới có 5 tuyến được triển khai tại Tp.
Hà Nội, 6 tuyến tại Tp. Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, năng lượng cần cấp để vận hành các tuyến
giao thông đô thị lên đến hàng tỷ kWh. Do vậy, mục tiêu tiết kiệm năng lượng chạy tàu là một
vấn đề rất cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, nhưng đến nay chưa có nhóm nghiên
cứu nào ở Việt Nam đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng vận hành tàu điện đô thị. Chính
vì vậy, tác giá lựa chọn đề tài với tên gọi: "Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng
lượng hãm của tàu điện đường sắt đô thị Việt Nam" nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng bằng
giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh khi đoàn tàu vận hành ở chế độ hãm và kết hợp với lý
thuyết tối ưu xác định profile tốc độ chạy tàu tối ưu.
2. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong vận hành đoàn
tàu. Qua đó, đề xuất giải pháp phù hợp với đặc điểm, điều kiện đường sắt đô thị Việt Nam; ứng
dụng nghiên cứu cho tuyến đường sắt đô thị Cát Linh-Hà Đông để đánh giá mức năng lượng tiết
kiệm được.
3. Đối tượng nghiên cứu: Tàu điện đô thị có hệ truyền động sức kéo tích hợp bộ tích trữ năng
lượng siêu tụ.
4. Nội dung nghiên cứu: Cấu trúc luận án bao gồm 4 chương
- Chương 1: Tổng quan các giải pháp thu hồi năng lượng hãm: Tổng hợp, phân tích các công
trình đã công bố trước đây, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, và xây dựng
phương hướng giải quyết vấn đề nghiên cứu.
- Chương 2: Thực hiện mô hình hóa đối tượng tàu điện và bộ tích trữ năng lượng siêu tụ.
- Chương 3: Đề xuất chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng vận hành đoàn tàu với đoàn tàu có
bộ siêu tụ thu hồi năng lượng hãm tái sinh.
- Chương 4: Minh chứng tính đúng đắn của nghiên cứu lý thuyết thông qua các kết quả mô phỏng
trên phần mềm Matlab với thông số của tuyến tàu điện đô thị Cát Linh - Hà Đông, và một phần
thực nghiệm của bộ biến đổi DC-DC Interleave trong thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ.
- Cuối cùng, một số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án được trình bày trong
phần kết luận.

5. 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 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.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM
1.1. Tình hình nghiên cứu các giải pháp thu hồi năng lượng hãm
1.1.1. Các nghiên cứu trong nước
Đây là lĩnh vực còn rất mới ở Việt Nam nên hầu như rất ít công trình nghiên cứu về tối ưu năng
lượng vận hành tàu điện đô thị [60].


2
1.1.2. Các nghiên cứu trên thế giới
Sử dụng hiệu quả
năng lượng vận hành
đoàn tàu

Năng lượng hãm tái
sinh

Lái tàu hiệu quả năng
lượng

Xác định
Profile tốc
độ chạy
tàu tối ưu

Công cụ hỗ
trợ lái tàu
ATO,DAS

Sử dụng
thiết bị
tích trữ
năng
lượng

Tối ưu điều
độ vận
hành nhiều
đoàn tàu

Hình 1.7. Các chiến lược quản lý hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu
Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra 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 [31].
1.1.2.1. 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
Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ (ESS) được lắp đặt trên tàu, tại trạm điện kéo, hoặc tại các
điểm dọc tuyến chạy tàu để thu hồi năng lượng hãm tái sinh khi đoàn tàu vận hành ở chế độ kéo
[ 9, 12, 21, 25, 44, 45, 46, 53, 58, 66, 68, 69, 72, 73, 75].
b) Các trạm điện kéo có dòng công suất chảy hai chiều
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 đến 18% [86],[22].
c) Các nhóm nghiên cứu về thu hồi năng lượng hãm bằng tối ưu điều độ vận hành nhiều đoàn
tàu: Giải pháp này không đòi hỏi chi phí đầu tư thêm về cơ sở hạ tầng của tuyến, với ý tưởng sử

dụng năng lượng hãm tái sinh từ một đoàn tàu vận hành trong chế độ hãm chuyển sang đoàn tàu
vận hành ở chế độ kéo.
Điển hình Subin Sun (2017) [71] kết hợp vận hành hai đoàn tàu trên cùng khu gian, thu hồi năng
lượng hãm tái sinh được biểu diễn qua công suất q(t ) trong phương trình chuyển động:

v

dv
= u f f (v) + q(t ) / v - ubb(v) - r (v) - g(x )
dx

ì
ï
0 t < tb
ï
ï
Với quá trình hãm xảy ra trong khoảng thời gian [tb, tc], q(t ) = íq (t ) tb £ t £ tc
ï
ï
ï
ï
î0 tc
Nhận xét: Năng lượng hãm q(t ) không được thu hồi trong trường hợp chỉ có 01 đoàn tàu chạy
trên tuyến.
1.1.2.2. Các nhóm nghiên cứu về lái tàu hiệu quả năng lượng
a) Xác định hành trình chạy tàu tối ưu trên tuyến
- Nhóm nghiên cứu của trường đại học Nam Úc gồm Howlett, Benjamin, Pudney, Albrecht, Xuan
đã xác định profile tốc độ tối ưu thông qua tìm các điểm chuyển tối ưu với 5 luật điều khiển có
xét đến các điều kiện thực tế trên tuyến như độ dốc của đường, hạn chế tốc độ..từ đó tìm được
thời gian và quãng đường tối ưu tại từng chế độ vận hành đoàn tàu.

3
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.
1.2. 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 cho thấy chưa có công trình nào kết hợp được cả
giải pháp thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng ESS, và xác định profile tốc độ chạy tàu tối ưu
với đoàn tàu có bộ ESS trên tàu, đồng thời đảm bảo chạy tàu đúng giờ.
Do vậy, tác giả đề xuất cấu trúc được lựa chọn để nghiên cứu.
Thu hồi năng
lượng hãm

Công nghệ

Trạm
điện kéo

Hệ thống biến đổi
năng lượng

Chiến lược
điều khiển

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

- 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: 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 đảm bảo chế độ
nạp-xả của siêu tụ phù hợp với đặc tính chạy tàu.
- Đề xuất PMP xác định profile tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu.

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 và đề xuất các chiến lược điều khiển độc lập từng
đoàn tàu; đề xuất điều khiển thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng cách điều khiển chế độ nạp/xả
của siêu tụ; sử dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin 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. Nội
dung tóm tắt của Chương 1 đã được tác giả công bố trong công trình số [3].


4
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐOÀN TÀU VÀ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ
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
Rday

iday

Dây tiếp xúc

Trạm
điện kéo

Cần tiếp xúc

iinv

iC

Rtdk
DC-DC
converter

Etdk

Usc

rbr

i
LL
RL

ibr

NL
nguồn
áp

Csc
IM

IM

Hình 2.1 Hệ truyền động tàu điện có tích hợp SCESS
2.1. Mô hình hóa đoàn tàu
2.1.1. Mô hình hóa đoàn tàu
Mô hình hóa đoàn tàu cần tiến hành tính toán các lực tác động đến chuyển động đoàn tàu, hệ
truyền động động cơ điện kéo tạo nên chuyển động của bánh tàu.
2.1.1.1. Các lực tác động lên đoàn tàu
Ray thứ ba, 750
VDC
Feeder
Lực cản không khí
Tàu

Bánh
tàu

Hộp số
IM

Lực kéo

Momen
động cơ
Đường ray
Ma sát

𝛂

Trọng lực

Hình 2.9 Sơ đồ các loại lực tác động nên đoàn tàu [1]
Lực kéo/lực hãm vành bánh xe:

Hình 2.11 Đặc tính lực kéo/01 động cơ

Hình 2.13 Đường hồi qui lực kéo/01 động cơ


5

Hình 2.12 Đặc tính lực hãm điện/01 động cơ

Hình 2.14 Đường hồi qui lực hãm điện/01động cơ

Các lực cản:
FTr
Faero
mgsinα

Froll
α

mg
Hình 2.16. Các thành phần lực tác dụng lên đoàn tàu
Các lực cản tác động lên đoàn tàu bao gồm: Lực cản chính có lực cản gió (Fwind) lực cản ma sát
lăn (Froll); lực cản đường dốc (Fgrad).

a. Lực cản chính W0
Lực cản chính (hay còn gọi là lực cản cơ bản) gồm lực cản gió và lực ma sát

W0 = Fwind + Froll

(2.1)

 Lực cản gió phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu, kích thước và hình dạng đoàn tàu, được biểu
diễn theo công thức [93]

Fwind =
Ở đây:

  2 1




1
rC d Af v - vwind = rC d Af v - v wind cos(v wind , v )
2
2

{

r

}

2

(2.2)

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; vwind là tốc độ gió; b là góc nhọn tạo bởi
phương của vận tốc gió với phương chuyển động của đoàn tàu.
 Lực cản lăn Froll
Để đơn giản, chỉ xét đến ma sát lăn trên đường cứng và xét trường hợp lý tưởng là tất cả
các bánh xe có điều kiện giống nhau. Lúc này, lực ma sát lăn có thể được tính như sau [93]:
(2.3)
Froll = fr mg cos a
Trong đó fr là hệ số cản lăn
b. Lực cản đường dốc F gra d
Khi đoàn tàu vận hành trên đường dốc, lực cản đường dốc được tính theo công thức:
(2.4)
Fgrad = mg sin(a )
Trong đó: a là độ dốc của đường.


6
2.1.1.2 Phương trình chuyển động của đoàn tàu
Phương trình trạng thái chuyển động của đoàn tàu thường được biến đổi thành dạng lực tác động
riêng được qui đổi trên đơn vị khối lượng của đoàn tàu như sau:

ì
ï
dt
1
ï

ï =
ï
v
ídx
ï
dv
ïv
= utr ftr (v ) - ubr fbr (v ) - w 0 (v ) - fgrad (x )
ï
ï
ï
î dx

(2.7)

Ở đây: utr và ubr được định nghĩa là các biến điều khiển tương đối lực kéo và lực hãm:

utr =

Ftr (v )
F (v )
; ubr = br
, và utr Î [0,1], ubr Î [0,1] ;
Ftr max (v )
Fbr max (v )

Lực cản chính đơn vị (còn gọi là lực cản cơ bản đơn vị) được biểu diễn theo phương trình David:
(2.8)
w 0 = a + bv + cv 2
Với hệ số a,b,c do Nhà sản xuất cung cấp

2.1.1.3. Phương trình chuyển động của động cơ

Tel -TL = J

d wr
;
dt

J = J m + J eq

(2.9)

1 m æç Dwh ö÷
ç ÷÷
Mô men quán tính của đoàn tàu được tính [59]: Jeq =
4 N ççè t ÷ø

2

(2.10)

Mô men tải khi động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ [59]

TL =

Ftr DWh
D Wh
= KmFtr với K m =
2thmor hmech
2thmor hmech

(2.11)

Khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát, mô men tải được tính theo công thức [59]:

Fbr DWh hgen

TL =

2thmech

= KG Fbr với KG =

DWh hgen

(2.12)

2thmech

2.2 Mô hình hóa thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ
Mô hình hóa thiết bị tích trữ năng lượng gồm mô hình hóa siêu tụ và bộ biến đổi DC-DC
Interleave.
2.2.4 Mô hình hóa kho điện siêu tụ
Siêu tụ được thay thế bởi mô hình mạch điện tương đương gồm nhiều nhánh mắc song song [32].
Hai nhánh RC cung cấp hai hằng số thời gian để mô tả động học nhanh và chậm.
iL
I

iP
Ci

v sc

R

P

R

Ci0

I
d
R
d

i
i
Ci1

Cd
Vi

(a)

Ii
R
Ci C
i0

i

Ci1

(b)
Hình 2.22 Mô hình siêu tụ


7
Như phân tích ở trên động học của siêu tụ được xét trong một khoảng thời gian ngắn nên lúc này
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 áp ui theo quan hệ:
(2.21)
C i (u i ) = C i 0 + C i 1 = C i 0 + k v .u i
Gọi Ci=Csc, ui=usc, Ri=Rsc
Mô hình toán học của siêu tụ được biểu diễn như sau:
ìï
ïïi (t ) = C (u ) dusc (t )
sc sc
ïï sc
dt
ïïu (t ) = R i (t ) + u (0)
sc sc
sc
í sc
ïï
(0)
u
U
=
ïï sc

sc,max
ïïp (t ) = u (t )i (t )
sc sc
ïî SC

(2.22)

2.2.5. Mô hình hóa bộ biến đổi hai chiều DC-DC Interleave
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly được lựa chọn gồm các nhánh song song (còn gọi là
bộ biến đổi DC-DC Interleave) phù hợp với hệ truyền động công suất lớn, điện áp cao.
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 thông qua bộ biến đổi DC-DC Interleave
ba nhánh van như trong Hình 2.24
Nguồn 
Điện 

Chỉnh Lưu

NLNA

AC

Bánh Xe

Động Cơ
Hộp Số

DC
IM

RD

DC

AC

SCESS
Bộ Biến Đổi
DC

Siêu
Tụ

DC

HB1

SBK1

SBK2
DBS1

iL
Siêu tụ

HB3

HB2

SBK3

DBS2

DBS3

RL1,L1
RL2,L2

CDC

Csc

RL3,L3

UDC-link

esr

RSC

usc
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. Để bộ tích trữ năng lượng
siêu tụ nạp-xả theo đặc tính chạy tàu thì bộ biến đổi DC-DC Interleave cần làm việc trong hai
chế độ: tăng áp (Boost mode), giảm áp (Buck mode).


8
2.2.5.2. Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van
Để mạch lực bộ biến đổi DC-DC Interleave ba nhánh van hoạt động được với các giả thiết: Các
van IGBT là lý tưởng, BBĐ làm việc ở chế độ dòng liên tục, qui ước chiều dương dòng điện chảy
qua cuộn cảm ứng với trạng thái nạp, chiều âm dòng điện ứng với trạng thái xả....Vì vậy ta 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 như trong Hình 2.30a và áp dụng phương pháp trung bình hóa mạch
đóng - cắt để mô hình hóa BBĐ DC-DC Interleave.
Phần tử đóng - cắt (các van) trong Hình 2.30a được thay thế bằng mạng hai cửa là một máy
biến áp lý tưởng có tỷ số máy biến áp d (t ) : 1 biểu diễn trong Hình 2.31, trong đó d(t) đại diện
cho hệ số điều chế của van IGBT.
Boost

Buck

D BS

RL,L

+

S BK

iL

RL
C

UDClink

S BS
D BK

+

RSC
Csc

q = 1 -q

usc

-

L

iL

i1 (t )

i2 (t )

-

u2 (t )

d(t):1

+ iinv
uDC -link

+
u1 (t )

ic

-

C

-

q

Hình 2.30a Mô hình động học trung bình của Hình 2.31 Mạch điện tương đương được biểu diễn
BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van
theo tín hiệu trung bình của BBĐ DC-DC hai
chiều một nhánh van
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 đổi được biểu diễn như sau:
ìïdi (t )
R

1
ïï L
L i (t ) + 1 d (t )u
(t ) - u (t )
=
ïï dt
L
DC
link
L
L
L SC
(2.24)
í
ïï
du
(t ) 1
ïïi (t ) = ic (t ) + i (t ) = DC -link - d (t )i (t )
2
L
dt
C
ïî inv
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 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 tích các lực tác động lên đoàn
tàu, hồi qui 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. 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
Trong chương 3 đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể năng lượng vận hành đoàn tàu với
mục tiêu tiết kiệm năng lượng:


9
 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 B

Trạm điện kéo A

Pnguồn cấp

Trạm điện kéo

NL nguồn áp

Hãm điện trở

AC
Nguồn
Điện

PSC

UDC-link

DC

IM

RD

AC

Bánh
tàu

TL

Các lực cản

DC-DC Interleave

DC

Csc

K

usc

FR

Froll
Fgrad

esr

RSC

RU
uDC-link

wm,v Tm , v

DC

Siêu tụ

u*DC-link

Động cơ kéo

DC

iL*

iL

RI

Hệ truyền động sức kéo

PWM

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
*
uDC
-link +

‐

u

iL*

PI

+

1/3

‐
iL1

1

PI

+
_

SDK1

CARRIER 1

DC -link
0

+

CARRIER

120 deg
phase
delay

‐

iL2

+
_

‐

PI

iL3

SBK2
SDK2

CARRIER 2

+
240 deg
phase
delay

PI

SBK1

+
_

CARRIER 3

Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng

SBK3
SDK3

10
Thiết kế luật điều khiển cho cấu trúc DC-DC Interleave theo nguyên lý dòng điện trung bình, với
cấu trúc bộ điểu khiển PI cả vòng trong và vòng ngoài.
3.1.1. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện
Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển sao cho dòng điện trung bình qua cuộn cảm iL bám theo giá trị
đặt iL* . Thiết kế mạch vòng dòng điện theo ba bước
Bước 1: Xác định được phương trình trạng thái của bộ biến đổi DC-DC hai chiều trong mô hình
trung bình được viết lại như sau:

ì
ï
di (t )
R
1
1
ï
ï L = - L iL (t ) + d (t )uDC -link (t ) - uSC (t )
ï
L
L
L
í dt
ï
du
t
(
)
1
1

DC -link
ï
= - d (t )iL (t ) + iinv (t )
ï
ï
dt
C
C
ï
î

(3.1)

Bước 2: Xác định các điểm làm việc bằng cách cho đạo hàm vế trái của hệ phương trình (3.1)
bằng không và các đại lượng ở trạng thái xác lập.
ì
ï
-RL
U
1
ï
0=
I Le + U DC -link eD - SC
ï
ï
L
L
L
(3.2)
í

ï
i
1
ï
0=
I LeD + inv
ï
ï
C
C
ï
î
Giải hệ phương trình (3.2) tìm được nghiệm (I Le,U DC -link e ) là các điểm làm việc ứng với giá trị
điện áp trên siêu tụ đo được là U SC và hệ số điều chế D.
Bước 3: Thực hiện tuyến tính háo phương trình đầu của hệ phương trình (3.1).
Do mô hình (3.1) là phi tuyến, nên thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa xung
quanh điểm làm việc.
Hàm truyền giữa dòng điện cuộn cảm trên mỗi nhánh và hệ số điều chế xét trên miền tín hiệu
nhỏ được tính như sau:

i (s ) U DC -linke / RL
kC
=
=
Gdd (s ) = L
d (s )
L
TC s + 1
( s + 1)
RL

Ở đây: kC =

(3.6)

U DC -linke
L
; TC =
RL
RL

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 khiển được mô tả như sau:

Rdd (s) = k pC (1 +
Gkin _ dd (s ) =

1

TIC s

)=

k pC (1 + TIC s )
TIC s

G dd (s )Rdd (s )
1 + TIC s
=
1 + G dd (s )Rdd (s ) TICTC 2

1
s + TIC (1 +
)s + 1
k pC kC
k pC kC

Hệ số k pC ,TIC cần tìm là :TIC

L
L ⋅ 104
=
,k =
RL pC
2 ⋅U DC -linke

(3.7)
(3.8)


11
3.1.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp - điều khiển điện áp DC-link
*
*
Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp uDC -link bám giá trị uDC
với giá trị uDC
là hằng
-link
-link

số bằng điện áp làm việc danh định theo tiêu chuẩn cấp điện sức kéo EN 50163 và IEC 60850.

Thiết kế điều khiển tương tự mạch vòng dòng điện; hàm truyền giữa điện áp DC-link U DC -link với
dòng điện cuộn cảm iL là:

Gda (s ) =

k pV
uDC -link (s )
=
iL (s )
TIV s + 1

Trong đó: k pV =

(3.21)

U SC
CU DC -link
;TIV = I inve
I inve

Tương tự như mạch vòng dòng điện, thiết kế bộ điều khiển PI cho mạch vòng điện áp có
dạng:
k (1 + TIV s )
1
) = pV
Rda (s) = k pV (1 +
(3.22)
TIV s
TIV s
Lúc này, hàm truyền hệ kín trở thành:

G da (s )Rda (s )
1 + TIV s
=
Gkin _ da (s ) =
1 + G da (s )Rda (s ) TIVTV 2
1
s + TIV (1 +
)s + 1
k pV kV
k pV kV
Hệ số k pV ,TIV cần tìm là :TIV = -

CU DC -linke
I inve

, k pV = -

(3.23)

CU DC -linke ⋅ 103
2U SC

3.1.3. Kiểm chứng thiết kế bộ biến đổi DC-DC Interleave
Thông qua các kết quả mô phỏng Hình 3.7, 3.8, 3.9 đã kiểm chứng tính đúng đắn trong thiết kế
hai mạch vòng kiểm soát chế độ nạp -xả của siêu tụ đúng theo theo đặc tính chạy tàu. với thời

gian chạy tàu từ ga Cát Linh đến La Thành là 68s; 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.
Với tốc độ vận hành đoàn tàu khác nhau, công suất siêu tụ thu được psc (t ) trong chế độ nạp -xả
cũng có giá trị khác nhau.


12

SOC%

80
79

78

77

0

10

20

30

40

50

60

68

Time(s)

IL [A]

700

Usc

600
500

400
300
0

10

20

30

40

50

40

50

60

68

Time(s)
1000
500

isc

Time(s)

0

-500
-1000
0

10

20

30

Time(s)

60

68

Hình 3.7. Giá trị dòng điện iL trong Hình 3.8. Trạng thái nạp, điện áp, dòng
điện của siêu tụ trong một chu trình chạy
các nhánh và dòng điện tổng
tàu

Hình 3.9. Nạp/xả siêu tụ khi đoàn tàu có tích hợp SCESS
3.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu chuyển động đoàn tàu theo nguyên lý cực đại của
Pontryagin
Sử dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin (PMP) để xác định profile tốc độ vận hành đoàn tàu
tối ưu, từ đó xác định được năng lượng tiết kiệm được so với profile tốc độ đoàn tàu không có
điều khiển.
3.4.2. Điều khiển tối ưu năng lượng chạy tàu theo nguyên lý cực đại của Pontryagin
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 thì phương trình
chuyển động của đoàn tàu được biểu diễn lại như sau:

ìï dt
ïï = 1
ïídx
v
(3.54)
psc (v, t )
ïï dv
= utr ftr (v ) - ubr fbr (v ) +
- w 0 (v ) - fgrad (x )
ïïv
v
ïî dx

Trong phương trình (3.54) có psc phụ thuộc vào vận tốc và thời gian chạy tàu. Tuy nhiên, để
đơn giản trong quá trình thiết kế điều khiển tối ưu năng lượng chạy tàu, psc chỉ biểu diễn qua
biến trạng thái thời gian t: psc (t ).


13
Với các thơng số kỹ thuật của đồn tàu, và khảo sát tuyến đường các điều kiện biên được xác
định:

ì
ï
0 £ v(x ) £ V (x )
ï
ï
ï
í0 £ t (x ) £ Td
ï
ï
0 £ x £ xf
ï
ï
ỵ

ìv(0) = 0; v(x ) = 0
(3.55) ï
f
ï

í
ïït(0) = 0; t(x f ) = Td

ỵ

(3.56)

Các điều kiện ràng buộc:

ì
ï
0£u £1
ï
tr
ï
ï0 £ u £ 1
í
br
ï
ï
Khô
n
g thể đồng thời có u > 0 và u > 0
ï
ï
tr
br
ỵ
Profile chạy tàu gồm ba chế độ: kéo  chạy đà  hãm
Ở đây: V (x ) -vận tốc cho phép lớn nhất, x f - chiều dài của qng đường

(3.57)
(3.58)

v (0) - vận tốc đầu, v (x f ) - vận tốc cuối

Td - Thời gian chạy tàu được lập bởi điều độ vận hành
Giới hạn của lực kéo và lực hãm: 0 £ Ftr (v) £ Ftr max (v); 0 £ Fbr (v) £ Fbr max (v)

(3.59)

cơng suất siêu tụ psc được tính:

ì
ï
P (t )
ï
-e sc
ï
ï
m
ï
ï
psc (t ) = í
0
ï
ï
P (t )
ï
ï
e sc
ï
ï

ï m
ỵ

t1 £ t £ t 2

(thời gian xả)

t2 < t £ t 3

(thời gian chạy đà)

t3 < t £ t4

(thời gian nạp)

(3.60)

*
*
Bài tốn đặt ra: Tìm tác động điều khiển tối ưu utr , ubr và các quĩ đạo chuyển động tối ưu của

*

*

đồn tàu v (x ) , t (x ) theo phương trình trạng thái (3.48) đảm bảo tiêu chuẩn tối ưu năng lượng
vận hành đồn tàu Ae là nhỏ nhất với các điều kiện biên (3.49), (3.50); các điều kiện ràng buộc
(3.51), (3.52); giới hạn lực điều khiển (3.53).
Trong trường hợp đảm bảo thời gian chuyển động đồn tàu trên khu gian là Td (đã biết trước),
gọi thời gian chạy tàu thực tế là Ta thì ta phải thêm điều kiện ràng buộc của hàm mục tiêu:

(Ta -Td )  0

(3.61)

Để đảm bảo thời gian chạy tàu chính xác đưa thêm nhân tử Lagrange, ta có hàm mục tiêu có
xét đến thu hồi năng lượng hãm tái sinh:
x
x
é
é
ù
p (t ) l ù
l
1
J = ò êutr ftr (v ) + ú dx + ò psc dx = ò êêutr ftr (v ) + sc + úú dx  min
ê
v úû
v
v
vû
0
0
0
ë
ë
xf

f

f

(3.72)

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 tốn tối ưu khơng ràng buộc, thì cần phải có thêm điều kiện:

¶J
= 0 hay Ta -Td =
¶l

Ta

ò dt -T

d

0

=0

(3.73)


14
Trong phng trỡnh (3.73) nhõn t l khụng xut hin di dng tng minh nờn khụng th gii
trc tip t phng trỡnh ny. Vỡ vy thut toỏn xỏc nh nhõn t Lagrange s c trỡnh by
trong phn tip theo.
3.4.2.2 Ti u qu o chuyn ng ca mt on tu trờn c s PMP
Nguyờn lý cc i ca Pontryagin c ng dng gii cỏc bi toỏn vn hnh hiu qu nng

lng bng vic tỡm ra cỏc im chuyn ti u ca cỏc ch vn hnh t ú cú c qu o
vn hnh ti u nng lng ca on tu.
Trong hỡnh 3.11 ch ra chu trỡnh chy tu gm ba ch : Ch kộo ch chy ch
hóm.
vt(km/h)

vh
vb

Gia tc

Hóm

Chy
tc,xc

ta,xa

xh

tb,xb

xb

x (m)

Hỡnh 3.11. c tớnh chy tu
Kt hp (3.48) n (3.54) hm Hamilton c vit:

psc (v, t ) l

+ )
v
v
ổ
u f (v ) + psc (v, t ) / v - ubr fbr (v ) - w 0 (v ) - fgrad (x )ửữ
1
ữữ
+p1 + p2 ỗỗỗ tr tr
ữứữ
v
v
ốỗ

H = -(utr ftr (v ) +

(3.74)

õy p1, p2 l cỏc bin ng trng thỏi.
Phng trỡnh vi phõn biu din cỏc bin ng trng thỏi

dp1
dp (v, t )
1 dpsc (v, t ) p2 ỗổdpsc (v, t )ửữ 1
ảH
ữữ = (1 - p) sc
==
- 2 ỗỗ
dx
v
dt

v ốỗ dt ữứ v
dt
ảt

(3.75)

ộ ảf
dp2
p
lự p
ảH
== ờờutr tr - sc2 - 2 ỳỳ + 21
dx
v
v ỷ v
ảv
ở ảv
p
+ 22 ộờởutr ftr (v ) + psc (t ) / v - ubr fbr (v ) - w 0 (v ) - fgrad (x )ựỳỷ
v
p2 ộờ ảftr psc
ảf
ảw 0 ựỳ
- ờutr
- 2 - ubr br v ở ảv
v
ảv
ảv ỳỷ

(3.76)

Thay th p =

p2
, nờn p v = p2
v


15

ì
ï
dp2
¶H
ï
=ï
ï
dx
¶v
ï
ï
í
p (t )
ï
utr ftr (v ) + sc - ubr fbr (v) - w 0 (v) - fgrad (x )
ï
dv
ï
v
=

ï
ï
v
ï
îdx

(3.77)

d(p ⋅ v)
dv
dp dp2
=p
+v
=
dx
dx
dx
dx

(3.78)

v

dp dp2
dv
=
-p
dx
dx
dx

(3.79)

Hàm Hamilton được viết lại như sau:

psc
l p
- pubr fbr - p(w 0 + fgrad ) - + 1
(3.80)
v
v
v
Để hàm Hamilton đạt giá trị cực đại theo hai biến điều khiển utr và ubr , các thành phần không
H = (p - 1)utr ftr + (p - 1)

chứa utr , ubr có thể bỏ đi, khi đó chỉ còn:

H ' = (p - 1)utr ftr - pubr fbr = utr (p - 1)ftr + ubr (-pfbr ) ¾¾¾
¾
 max
u ,u
tr

(3.81)

br

Vậy hai biến điều khiển utr , ubr cần tìm để hàm H đạt cực đại sẽ là:

utr

0 £ p £1
p <0
p >1

{
}
max {0, - sgn( f )}
max {0, - sgn( f )}
max 0, - sgn( ftr )

ubr

max {0, - sgn( ftr )}

tr

max {0, - sgn( ftr )}

tr

max {0, - sgn( ftr )}

Các chế độ vận hành theo biến điều khiển tối ưu:

Lực kéo lớn nhất (FP): utr = 1, ubr = 0 khi p > 1


Một phần lực kéo (PP): utr Î [0,1] , ubr = 0 khi p = 1



Chạy đà(C): utr = 0, ubr = 0 khi 0 < p < 1



Lực hãm lớn nhất (FB): utr = 0, ubr = 1 khi p < 0



Một phần lực hãm (PB): utr = 0 , ubr Î [0,1] khi p = 0.

Thay thế (3.76), (3.77) vào (3.79) ta được phương trình vi phân cho p

(p - 1)
dp (1 - p)
p
p
l p
=
utr ftr¢(v) +
psc (t ) + ubr fbr¢(v ) + w 0¢(v ) - 3 - 31
(3.83)
3
dx
v
v
v
v
v

v
Điều khiển với chế độ lực kéo lớn nhất: p > 1, ubr = 0, utr = 1, ta xác định thời gian gia tốc ta ,
khoảng cách gia tốc x a , nhân tử l
Sử dụng phương trình (3.83)

(p - 1)
dp (1 - p)
p
l p
=
ftr¢(v ) +
psc (t ) + w 0¢(v ) - 3 - 31
3
dx
v
v
v
v
v
Từ phương trình (3.54) xác định được x a , ta :

(3.84)


16
ì
ï
dx
v2
ï

=
ï
ï
v ⋅ utr ftr (v ) + psc (t ) - v ⋅ w 0 (v ) - fgrad (x ) ⋅ v
ïdv
í
ï
dt
v
ï
=ï
ï
v ⋅ utr ftr (v ) + psc (t ) - v ⋅ w 0 (v ) - fgrad (x ) ⋅ v
ï
îdv

(3.85)

Với điều kiện đầu x(0)=0; t(0)=0
Điều khiển với chế độ một phần lực kéo p = 1, ubr = 0, 0 < utr < 1 , nên

dp
= 0, tìm nhân tử
dx

Lagrange l .
Sử dụng phương trình (3.83):

1
l p

w 0¢(v ) - 3 - 31 = 0
v
v
v
Từ phương trình (3.86), và

(3.86)

dp1
= 0, dễ dàng lựa chọn p1 =0, nên
dx

l = v 2w0¢

(3.87)

Do đó,

l = v 2 (b + 2cv )

(3.88)

Nếu chọn l trước, giải phương trình (3.88) sẽ tìm được tốc độ chạy không đổi vh
Với chế độ chạy đà utr = 0, ubr = 0, 0 < p < 1 , tìm được vận tốc bắt đầu giai đoạn hãm vb, thời
gian chạy đà tc, khoảng cách chạy đà xc
Tốc độ chạy đà có thể tính [41,88]

vb =

y(vh )

j ¢(vh )

(3.89)

Ở đây: j = v ⋅ w0 (v), y = v ⋅ w0¢(v)
2

Từ (3.54) xác định xc,tc

ì
ï
dx
v
ï
=
ï
ï
-w 0 (v ) - fgrad (x )
ïdv
í
ï
1
dt
ï
=ï
ï
w 0 (v ) + fgrad (x )
ï
îdv
Với t (v = vh ) = ta ; x (v = vh ) = x a

(3.90)

Với chế độ lực hãm một phần (PB): utr = 0, 0 < ubr < 1, p = 0 tìm l
Sử dụng phương trình (3.83)

1
l p1
(
)
p
t
- =0
v 3 sc
v3 v3
Do đó: l = -psc (t ) - p1
-

(3.91)
(3.92)

Với chế độ lực hãm lớn nhất (FB): utr = 0, ubr = 1, p < 0, tìm thời gian hãm tb, và khoảng cách
hãm xb
Sử dụng phương trình (3.83)

dp (p - 1)
p
p
l p
=

psc (t ) + fbr¢(v ) + w 0¢(v ) - 3 - 31
3
dx
v
v
v
v
v

(3.93)


17
Từ phương trình (3.54) tìm được tb, xb

ì
ï
dx
v2
ï
=
ï
ï
-v ⋅ ubr fbr (v ) - v ⋅ w 0 (v ) + psc (t ) - v ⋅ fgrad (x )
ïdv
í
ï
1
dt
ï

=
ï
ï
ubr fbr (v ) - w 0 (v ) + psc (t ) / v - fgrad (x )
ï
îdv
Với t (v = vb ) = tb , x (v = vb ) = x b .

(3.94)

Kết luận chương 3
Trong chương 3, thiết kế cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave đảm bảo quá trình
nạp -xả của siêu tụ, áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin cho tìm các điểm chuyển chế độ
vận hành tối ưu, từ đó tìm được profile tốc độ tối ưu.
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.
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;
 So sánh hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu có áp dụng PMP với trường hợp không áp
dụng PMP;
 Kết quả thí nghiệm có kiểm chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave.
4.1. Mô phỏng Off-line
Kết quả mô phỏng thiết kế điều khiển đề cập trong chương 2, 3 có hai bài toán.
4.1.1. Chương trình mô phỏng hệ thống tàu điện với SCESS trên tuyến Cát Linh -Hà Đông

(m/s)

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
Tốc độ tàu T1,T2 (m/s)

20
15
10
5
00

train 1
train 2

20

40

20

40

1000

60

80

100

120

140

160

80

100

120

140

160

Điện áp DC-link [V]

(V)

800
600
400
200
00

60

Time (s)

Hình 4.5. Đáp ứng điện áp trên DC-link khi T1 hãm và T2 kéo

18
Tổn thất năng lượng T1 trên điện trở hãm
(không có SCESS)(Wh)

150

100

100

75
50
25

50
0
-50
4000

Tổn thất năng lượng T2 trên điện trở hãm
(không có SCESS)(Wh)

125

0

20

40

60

80

100

120

140

0

160

Tiêu thụ năng lượng của lưới (không có SCESS) (Wh)

2000
1000
00

20

40

60

80

Time(s)

100

120

140

160

20

40

60

80

100

120

140

160

Tiêu thụ năng lượng của lưới (không có SCESS) (Wh)
2500
2000
1500

1000
500
0

3000

0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time(s)

Hình 4.6. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 Hình 4.7. Đáp ứng năng lượng của tàu T2
hãm và T2 kéo

khi T1 hãm và T2 kéo
Hình 4.5, và Hình 4.6 cho thấy đáp ứng điện áp trên DC-link dao động trong khoảng 700 đến
900VDC. và tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của tàu T1 và T2 là 4,3%.
Kịch bản 2: Cả T1 và T2 đều vận hành ở chế độ kéo.
Tốc độ tàu T1,T2 (m/s)

20

train 1

15

train 2

10
5

00

20

40

60

80

100

120

140

160

140

160

Điện áp DC-link [V]

1400
1200
1000
800
600
400
200
0

0

20

40

80

60

100

120

Hình 4.8. Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 và T2 kéo
600

Tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của T1
không có SCESS(Wh)

500

450

400

300

300

150
0
-200

200

0

100

20

40

60

80

100

120

140

160

6000 Năng lượng tiêu thụ của nguồn, không có SCESS(Wh)

0
0
6000

4500

4500

3000

3000

1500

1500

0
0

Tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của T2
không có SCESS(Wh)

20

40

60

80

Time (s)

100

120

140

160

0
0

20

40

60

80

100

120

140

160

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, không có SCESS(Wh)

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (s)

Hình 4.9. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi Hình 4.10. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi
T1 và T2 kéo
T1 và T2 kéo


19
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 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. Hình 4.11
đến Hình 4.13 cho thấy điện áp trên U DC -link dao động trong khoảng 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)

20

train 1
train 2

15
10
5

0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

140

160

Điện áp trên DC-link (V)

900
850
800
750

600
550
500
00

20

40

60

80

100

120

Hình 4.11. Đáp ứng của điện áp UDC-link khi T1, T2 kéo và có SCESS
Tổn thất năng lượng trên điện trở hãm của T1,
có SCESS(Wh)

15

Tổn thất năng lượng của tàu T2, có SCESS[Wh]
10

10

5
5

0

0
0

20

40

60

80

100

120

140

160

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, có SCESS (Wh)

3000

20

40

60

80

100

120

140

160

Năng lượng tiêu thụ của nguồn, có SCESS[Wh]

3000
2000

2000

1000

1000
0

0

0
0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (s)

Hình 4.12. Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi
T1, T2 kéo và có SCESS

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (s)

Hình 4.13. Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi
T1,T2 kéo và có SCESS

4.1.2. Chương trình mô phỏng profile tốc độ tối ưu chạy tàu trên tuyến Cát Linh - Hà Đông
áp dụng PMP với hệ thống tàu điện có tích hợp 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.
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


20

Hình 4.16. So sánh profile tốc độ khi
có/không sử dụng PMP

Hình 4.17. So sánh profile thời gian tối
ưu/không tối ưu với khoảng cách

Hình 4.19. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu
khi có/không áp dụng PMP

Khảo sát năng lượng của các khu gian tiếp theo cũng tương tự như khu gian đầu
Hình 4.18. So sánh profile vận tốc theo thời
gian khi có/không sử dụng PMP

Hình 4.60. So sánh 12 ga khi có/không áp dụng PMP tối ưu profile tốc độ chạy tàu


21

Hình 4.61. So sánh thời gian chạy tàu tương ứng trên 12 ga với profile tốc độ tối ưu/ không
tối ưu
Bảng 4.3 So sánh năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu khi có/không có PMP

Ga

Khoảng
cách (m)

Thời gian
Mức tiêu thụ năng chạy tàu
Thời gian
lượng khi không
khi
Mức tiêu thụ năng
chạy tàu
điều khiển theo
không lượng tối ưu(kWh)
tối ưu (s)
PMP (kWh)
điều

khiển (s)

Cát Linh-La Thành
931
19,5
66
18,59
68
La Thành-Thái Hà
902
10,94
79
9,7
81
Thái Hà-Láng
1076
10,5
95
9,8
97
Láng-VNU
1248
9,9
124
9,5
126
VNU- Vành đai 3
1010
17,4
77

15,4
78
Vành đai 3-Thanh
1480
17,4
105
15
107
Xuân
Thanh Xuân-Hà
1121
17,6
86
15,7
87
Đông BS
Bến xe Hà Đông -BV
1324
19,6
98
16,6
100
Hà Đông
BV Hà Đông -La
1110
17,8
83
15,7
85
Khê

La Khê-Văn Khê
1428
18,2
103
15,7
105
Văn Khê-Bến xe Hà
1032
17,4
72
15,5
74
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 được: 10,8%;
nhưng thời gian chạy kéo dài thêm 2s.
b) Khảo sát tiêu thụ 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 bằng cách thay đổi nhân tử Lagrange l .
Trong bài toán này xét 01 khu gian, từ ga Cát Linh - La Thành với khoảng cách 931m, thời gian
chạy tàu 68s.


22
Profile tốc độ khi không điều khiển tổng năng lượng tiêu thụ 19,5kWh.
Khi sử dụng PMP năng lượng tiêu thụ là 18,57kWh (tiết kiệm 4,6%)

Khi sử dụng PMP và có SCESS năng lượng tiêu thụ là 16,53 kWh (tiết kiệm 15,2%) chỉ ra
trong Hình 4.66.

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

Hình 4.63. So sánh profile tốc độ khi
có/không sử dụng PMP

Hình 4.65. Tiêu thụ năng lượng chạy tàu
khi có/không áp dụng PMP

Hình 4.64. So sánh profile tốc độ tối
ưu/không tối ưu với thời gian

Hình 4.66 Tiêu thụ năng lượng chạy tàu khi
không áp dụng PMP và áp dụng PMP với tàu
điện có SCESS

Nhận xét: 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... mà lựa chọn các giải pháp tiết kiệm năng lượng
phù hợp.


23
4.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm thiết bị kho điện
Việc xây dựng hệ thống thí nghiệm mô hình tàu điện với thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ là
rất tốn kém và phức tạp, nên tác giả chỉ thực nghiệm minh chứng ưu điểm của bộ bộ biến đổi
DC-DC Interleave với 3 nhánh van với các chế độ làm việc Buck (nạp) - Boost (xả).

Hình 4.69. Hệ thống thí nghiệm SCESS

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 4.74. Xung PWM với d=0.33

Hình 4.75. Đo dạng dòng điện trên ba cuộn
cảm với d=0.33


24
Kết luận chương 4
Các mô phỏng off-line đã minh chứng vai trò của SCESS trong tiết kiệm năng lượng vận hành
đoàn tàu bằng việc thu hồi năng lượng hãm tái sinh, đồng thời góp phần trong ổn định điện áp
trên bus DC, khả năng ứng dụng lý thuyết tối ưu trong hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu
tạo tiền đề cho việc ứng dụng các giải pháp sử dụng hiệuquả năng lượng trong thực tế các đoàn
tàu đô thị Việt Nam trong thời gian tới. 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.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam đề cập đến vấn đề tiết kiệm năng lượng
vận hành tàu điện đô thị. 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 Acqui, 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 qui hoạch động, phương pháp tối ưu tiến hóa
phương pháp hàm trọng lượng với bài toán đa mục tiêu... để xác định profile tốc độ chạy tàu
tối ưu.
 Phát triển vấn đề điều khiển tối ưu điều độ nhiều đoàn tàu chạy trên tuyến
 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.