Tài liệu Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hãm của tàu điện đường sắt đô thị việt nam

  • Số trang: 159 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 46 |
  • Lượt tải: 0
hoang

Tham gia: 04/11/2015

Mô tả:

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 iL 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.
- Xem thêm -