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

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 lượ

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]

1.1.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu

Lái tàu hiệu quả năng lượng Năng lượng hãm tái sinh

Sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng

Tối ưu điều

độ vận hành nhiều đoàn tàu

Xác định Profile tốc

độ chạy tàu tối ưu

Công cụ hỗ trợ lái tàu ATO,DAS

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:

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

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 Hệ thống biến đổi

năng lượng Chiến lược điều khiển

DC Link

IM

Bánh tàu

Trạm điện kéo

- Điều khiển quá trình nạp/xả của siêu tụ

- Áp dụng PMP với đoàn tàu có SCESS, xác định profile tốc độ tối

ưu vận hành đoàn tàu

ESS nguồn NL

áp

- Bộ biến đổi DC-AC

- Bộ biến đổi DC-DC

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

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]

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

Trạm điện kéo

Dây tiếp xúc Cần tiếp xúc

DC-DC converter

NL nguồn áp IM

day

R i day

tdk R

tdk E

sc C

sc

U

inv i

br

i br r

IM

i L

i C

L R L

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

IM Tàu

Feeder

Hộp số

Ray thứ ba, 750 VDC

Lực cản không khí

Bánh tàu Lực kéo

Đường ray

Ma sát

Momen động cơ

Hình 2.12 Đặc tính lực hãm điện/01 động cơ Hình 2.14 Đường hồi qui lực hãm điện/01động cơ

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 (F wind) lực cản ma sát

lăn (F roll ); lực cản đường dốc (F grad)

a Lực cản chính W0

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

 Lực cản gió phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu, kích thước và hình dạng đoàn tàu, được biểu

diễn theo công thức [93]

Ở đây: r là mật độ không khí; C d là hệ số cản không khí, quyết định bởi hình dạng đoàn tàu; A f

là mặt cắt lớn nhất của đoàn tàu; v là tốc độ đoàn tàu; v wind 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 F roll

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]:

2.1.1.2 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:

Với hệ số a,b,c do Nhà sản xuất cung cấp

2.1.1.3 Phương trình chuyển động của động cơ

wh eq

D m J

D K

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

(a) (b)

Hình 2.22 Mô hình siêu tụ

Như phân tích ở trên động học của siêu tụ được xét trong một khoảng thời gian ngắn nên lúc này

bỏ qua nhánh R d C d (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 u i theo quan hệ:

(0) ,max( ) ( ) ( )

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

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)

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

DC-BS

S L i

BK

D

Buck Boost

Hình 2.30a Mô hình động học trung bình của

BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van

Hình 2.31 Mạch điện tương đương được biểu diễn 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:

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:

 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

iL * iL

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

240 deg phase delay

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 i L bám theo giá trị

đặt *

L

i 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:

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

10

10

Giải hệ phương trình (3.2) tìm được nghiệm (I U Le, 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:

G s

s R

++

R

=

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:

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 u DC link- bám giá trị *

DC link

u - với giá trị *

DC link

u - là hằng

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

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 i Llà:

( )( )

pV

DC link da

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 p tsc( )trong chế độ nạp -xả

cũng có giá trị khác nhau

300 400 500 600 700

-1000 -500 0 500 1000

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:

Trong phương trình (3.54) có p sc 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, p scchỉ biểu diễn qua

biến trạng thái thời gian t: p t sc( )