VỀ một GIẢI PHÁP điều KHIỂN QUÁ TRÌNH TRAO đổi NĂNG LƯỢNG hãm của tàu điện ĐƯỜNG sắt đô THỊ VIỆT NAM
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.81 MB, 163 trang )
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
i
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
ii
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
iv
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
v
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
vi
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)
DAS
Hệ thống hỗ trợ lái tàu (Driving Assistance System)
ATO
Hệ thống lái tàu tự động (Automated Train Orgnization)
PMSM
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet
Synchronous Motor)
HVAC
Điều hòa thông gió
DC-AC
Nghịch lưu nguồn áp ba pha
DC-DC
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly
PMP
Nguyên lý cực đại của Pontryagin (Pontryagin' Maximum
Principle)
PI
Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân
FRT
Bộ điều khiển có thời gian đáp ứng hữu hạn (Finite Response
Time)
ĐC KĐB
Động cơ không đồng bộ
ĐC ĐK
Động cơ điện kéo
BBĐ
Bộ biến đổi
IM
Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc (Induction Motor)
TĐĐ
Truyền động điện
U/F
Điều khiển vô hướng
DTC
Điều khiển áp đặt mô men (Direct Torque Control)
FOC
Điều khiển tựa từ thông rô to (Flux Oriented Control)
FP
Lực kéo lớn nhất (Full Power)
PP
Lực kéo một phần (Partial Power)
C
Chạy đà (Coasting)
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
Fm
Lực kéo bám
mi
Hệ số bám tính toán
Pm
Trọng lực bám của đầu máy
W0
Lực cản chuyển động chính của đoàn tàu
Fwind
Lực cản gió
Froll
Lực cản ma sát
Cd
Hệ số cản không khí
Af
Mặt cắt lớn nhất của đoàn tàu
v
Tốc độ đoàn tàu
vwind
Tốc độ gió
fr
Hệ số cản lăn
m
Khối lượng đoàn tàu
ik
Độ dốc của đường
g
Hệ số quán tính của đoàn tàu
Ftr
Lực kéo đoàn tàu
Fbr
Lực hãm đoàn tàu do hãm điện
Fmb
Lực hãm đoàn tàu do phanh cơ khí
Fgrad
Lực cản sinh ra do độ dốc của đường
utr
Biến điều khiển lực kéo
ubr
Biến điều khiển lực hãm
ftr
Lực kéo đơn vị
fbr
Lực hãm điện đơn vị
fmb
Lực hãm đơn vị bằng phanh cơ
e
Hệ số chuyển đơn vị
ix
Ký hiệu
Ý nghĩa
Tel
Mô men điện từ
TL
Mô men tải
Jm
Mô men quán tính của động cơ
J eq
Mô men quán tính của đoàn tàu được quy về trục động cơ
Dwh
Đường kính bánh xe
N
Số lượng động cơ
t
Tỷ số truyền
hmor
Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ
hgen
Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ máy phát
hmech
Hiệu suất của hộp số
wm,v
Vận tốc góc của động cơ
U SC -max
Điện áp làm việc lớn nhất của dàn siêu tụ
U SC -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
ESC -max
Năng lượng huy động tối đa từ dàn siêu tụ
PSC
Công suất siêu tụ
hinv
Hiệu suất biến tần
hSC
Hiệu suất siêu tụ
N SC
Số module siêu tụ
Ns, N p
Số lượng siêu tụ mắc nối tiếp, song song
C
Giá trị tụ điện của mạch DC-Link trong SCESS
C SC
Giá trị điện dung của dàn siêu tụ trong SCESS
d
Hệ số điều chế của BBĐ DC-DC
d
Hệ số điều chế tín hiệu nhỏ của BBĐ DC-DC
D
Giá trị xác lập của hệ số điều chế BBĐ DC-DC
x
Ký hiệu
Ý nghĩa
iL
Giá trị tức thời của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC
iL
Giá trị tín hiệu nhỏ của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC
iinv
Dòng điện phía DC-AC trao đổi với lưới quy đổi về phía một
chiều
H
p1, p2
Hàm Hamilton
Biến đồng trạng thái
J
Hàm mục tiêu
l
Nhân tử Lagrange
L
Giá trị điện cảm của mạch DC-DC
RL
Giá trị điện trở của mạch DC-DC
RSC
Giá trị điện trở của siêu tụ
C SC
Giá trị điện dung của siêu tụ
xi
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
Bảng 1.3.
Các minh chứng thử nghiệm ESS đặt trên tàu .........................20
Bảng 1.4.
Các minh chứng ESS đặt nhà ga/dọc tuyến chạy tàu ..............21
Bảng 1.5.
So sánh ưu, nhược điểm của các biện pháp thu hồi năng lượng
hãm tái sinh ..............................................................................22
Bảng 2.1.
So sánh các động cơ điện kéo [40] .............................................35
Bảng 2.2.
So sánh các phương pháp điều khiển truyền động sức kéo .......36
Bảng 2.3.
Thông số đo lực kéo /01 động cơ ..............................................43
Bảng 2.4.
Thông số đo lực hãm/01 động cơ ..............................................43
Bảng 2.5.
Tính toán bộ tích trữ năng lượng siêu tụ..................................57
Bảng 4.1.
Các thông số của động cơ điện kéo ......................................... 102
Bảng 4.2.
Các tham số chính của đoàn tàu ............................................. 102
Bảng 4.3.
So sánh năng lượng tiêu thụ vận hành đoàn tàu khi có/không có
PMP ........................................................................................ 120
Bảng 4.4.
Tham số thí nghiệm thiết bị kho điện SCESS ........................ 123
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
Hình 1.2.
Phân loại giao thông điện [24] .................................................... 9
Hình 1.3.
Sơ đồ hệ thống cung cấp điện cho giao thông điện tại Hà Nội .11
Hình 1.4.
Cấu trúc hệ thống cấp điện hai phía [24] ..................................12
Hình 1.5.
Tiêu thụ năng lượng trong hệ thống tàu điện đô thị ................14
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
Hình 1.8.
ESS đặt trên tàu .......................................................................20
Hình 1.9.
ESS đặt tại trạm điện kéo hay trên tuyến ................................20
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
Hình 2.1.
Hệ truyền động tàu điện có tích hợp SCESS ............................33
Hình 2.2.
Hệ thống tàu điện đô thị sử dụng động cơ điện kéo một chiều.34
Hình 2.3.
Hệ TĐĐ lưới cấp một chiều sử dụng ĐCKĐB xoay chiều 3
pha ............................................................................................35
Hình 2.4.
Đồ thị chạy tàu trường hợp 1 ...................................................37
Hình 2.5.
Đồ thị chạy tàu trường hợp 2 ...................................................38
Hình 2.6.
Đồ thị chạy tàu trường hợp 3 ...................................................38
Hình 2.7.
Đồ thị chạy tàu trường hợp 4 ...................................................39
Hình 2.8.
Sơ đồ điện hệ thống tàu điện đô thị ..........................................40
Hình 2.9.
Sơ đồ các loại lực tác động nên đoàn tàu [1] .............................41
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
Hình 3.1.
Cấu trúc điều khiển tổng thể năng lượng vận hành đoàn tàu ..67
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
Hình 3.3.
Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện ................................69
Hình 3.4.
Cấu trúc mạch vòng dòng điện dưới dạng hàm truyền .............71
Hình 3.5.
Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ..........................................74
Hình 3.6.
Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng dưới dạng hàm truyền ......75
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
Hình 3.9.
Nạp/xả siêu tụ khi đoàn tàu có tích hợp SCESS ......................77
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
Hình 4.1.
Chu trình chạy tàu .................................................................. 101
Hình 4.2.
Mô phỏng hai đoàn tàu ........................................................... 103
Hình 4.3.
Sơ đồ mạch lực được thiết kế cho 01 đoàn tàu ....................... 103
Hình 4.4.
Thiết kế mạch vòng điều khiển cho 01 đoàn tàu .................... 104
Hình 4.5.
Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 hãm và T2 kéo..................... 105
Hình 4.6.
Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 hãm và T2 kéo......... 105
Hình 4.7.
Đáp ứng năng lượng của tàu T2 khi T1 hãm và T2 kéo......... 106
Hình 4.8.
Đáp ứng điện áp UDC-link khi T1 và T2 kéo ............................. 106
Hình 4.9.
Đáp ứng năng lượng của tàu T1 khi T1 và T2 kéo................. 107
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
xv
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
1
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
0
50
100
150
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
2
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,
3
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.
4
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.
5
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.
