Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 5 (06/2021), 536 551 536 Transport and Communications Science Journal AN OPTIMIZING METHOD OF INVERTER LOCATION AND CAPACITY ON THE URBAN RA[.]
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 536-551 Transport and Communications Science Journal AN OPTIMIZING METHOD OF INVERTER LOCATION AND CAPACITY ON THE URBAN RAIL POWER SUPPLY SYSTEM Tran Van Khoi*, An Thi Hoai Thu Anh, Dang Viet Phuc University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 06/01/2021 Revised: 07/04/2021 Accepted: 23/04/2021 Published online: 15/06/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.5.3 * Corresponding author Email: tvkhoi.ktd@utc.edu.vn; Tel: 0971385813 Abstract Recovery of braking energy on the contact line to return to the medium voltage grid is one of the effective measures to recover renewable energy during the operation process To achieve the greatest recovery efficiency, besides the control mode, the position and capacity of the inverters play a very important role This paper presents a method for determining the optimal location and capacity of inverters in the traction power supply system for urban railway lines The goal is to find an inverter placement that minimizes the total cost of power consumption and the investment costs of the inverters that provide the greatest economic benefits The proposed method is implemented in two stages The first stage applies the power flow algorithm to determine the energy consumption and recovered energy at each substation corresponding to the inverter placement cases in the operating modes The second stage searches for the location and capacity of the inverters so that the total cost is minimal The proposed algorithm is tested on the model of the power supply system according to the reference data from the Cat Linh - Ha Dong railway The simulation results for the case of operating 11 trains, the time from 5:00 to 22:00 daily for 10 years, the cost when equipped with the inverters is 252.98 billion VND compared to 340.6 billion VND without using inverters Simulation results show that the example system is optimized, and its power saving is remarkable Keywords: Urban railway transit, Energy savings, Reversible substation, Regenerative braking energy, optimization algorithm © 2021 University of Transport and Communications 536 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (06/2021), 536-551 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN KÉO ĐƯỜNG SẮT ĐƠ THỊ Trần Văn Khơi*, An Thị Hồi Thu Anh, Đặng Việt Phúc Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 06/01/2021 Ngày nhận sửa: 07/04/2021 Ngày chấp nhận đăng: 23/04/2021 Ngày xuất Online: 15/06/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.5.3 *Tác giả liên hệ Email: tvkhoi.ktd@utc.edu.vn; Tel: 0971385813 Tóm tắt Thu hồi lượng dư thừa lưới tiếp xúc trả lưới trung áp biện pháp hiệu thu hồi lượng tái sinh trình hãm, xuống dốc đồn tàu q trình vận hành Để đạt hiệu thu hồi lớn nhất, bên cạnh chế độ điều khiển vị trí dung lượng nghịch lưu đóng vai trị quan trọng Bài báo trình bày phương pháp xác định vị trí tối ưu dung lượng nghịch lưu hệ thống cung cấp điện kéo cho tuyến đường sắt đô thị Mục tiêu tìm phương án bố trí nghịch lưu để tối thiểu hóa tổng chi phí tiêu thụ điện chi phí đầu tư nghịch lưu, từ mang lại lợi ích kinh tế lớn Phương pháp đề xuất thực hai giai đoạn Giai đoạn thứ áp dụng thuật toán trào lưu công suất để xác định mức lượng tiêu thụ lượng thu hồi trạm điện kéo tương ứng với trường hợp bố trí nghịch lưu chế độ vận hành Giai đoạn hai tìm kiếm vị trí dung lượng nghịch lưu để tổng chi phí tối thiểu Thuật tốn đề xuất kiểm nghiệm mơ hình hệ thống cung cấp điện xây dựng theo số liệu tham khảo từ tuyến đường sắt Cát Linh – Hà Đông Kết mô cho trường hợp vận hành 11 đoàn tàu, thời gian từ 5h đến 22h hàng ngày 10 năm chi phí có trang bị nghịch lưu 252,98 tỷ so với 340,6 tỷ không dùng nghịch lưu Kết mô cho thấy hệ thống ví dụ tối ưu hóa khả tiết kiệm lượng đáng ý Từ khóa: Tàu điện thị, Tiết kiệm lượng, Trạm nghịch lưu, Năng lượng hãm tái sinh, Thuật tốn tối ưu © 2021 Trường Đại học Giao thông vận tải 537 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 536-551 ĐẶT VẤN ĐỀ Các hệ thống giao thông đường sắt đô thị giải pháp thiết để giải vấn đề giao thơng cơng cộng nhiễm khơng khí Do tàu điện đô thị phục vụ giao thông công cộng với quãng đường ngắn lượng hành khách đông đúc nên khoảng cách hai ga thường khoảng 1km khu vực dịch vụ trung tâm thành phố Do đồn tàu phải hoạt động với momen lớn để đạt khả tăng tốc nhanh trình khởi động Khi đoàn tàu đến ga tiếp theo, chế độ hãm tái sinh áp dụng để dừng nhanh cách áp dụng đồng thời phanh phanh điện Khi tốc độ đoàn tàu dải giá trị xác định, tác dụng hãm điện để phục hồi hoàn toàn động Với động cao đồn tàu giai đoạn hãm chuyển thành lượng điện cách điều khiển tần số cuộn dây stato nhỏ tốc độ rơto Năng lượng tái tạo sau đưa vào đường dây tiếp xúc (hoặc ray thứ ba) để cung cấp lượng cho đoàn tàu khác khu đoạn Nếu lượng dư thừa lớn làm tăng mức điện áp dây tiếp xúc lên cao cần phải áp dụng biện pháp tiêu tán công suất để tiêu thụ điện dư thừa Theo mức tiêu thụ lượng tàu điện đô thị cho chế độ hoạt động khác nhau, động tái sinh chiếm khoảng 53% tổng lượng tiêu thụ giải phóng giai đoạn phanh Bằng cách trừ mát lực cản chuyển động phanh học, khoảng 22%-40% lượng tiêu thụ phục hồi cách tái tạo điện [1] Dự kiến lượng tái sinh phục hồi nghịch lưu lắp đặt vị trí thích hợp dọc theo tuyến đường [2-4] Lợi ích việc lắp đặt nghịch lưu tiết kiệm lượng Tuy nhiên, có lợi ích khác, chẳng hạn tăng mức độ dự phòng hệ thống phanh tàu, cải thiện chất lượng lượng, giảm nhiệt độ tiêu tán lượng dư thừa điện trở hãm [5,6] Vấn đề thu hồi lượng tái sinh trạm chỉnh lưu tích cực để nâng cao hiệu suất lượng hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt quan tâm từ sớm Từ năm 1983 biến đổi 4-q sử dụng thyristor nghiên cứu để áp dụng cho trạm điện kéo để thực chức thu hồi lượng hãm tái sinh Bên cạnh đó, cấu trúc khác nghiên cứu áp dụng chỉnh lưu diode- nghịch lưu thyristor; chỉnh lưu diode – nghịch lưu IGBT; INGEBER; ENVILINE; SISFREG, HESOP, Đã có nhiều nghiên cứu khía cạnh [7-10] với việc tập trung vào vấn đề thiết bị chế độ làm việc trạm nghịch lưu Một số nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tối ưu để xác định vị trí dung lượng trạm nghịc lưu Các tác giả [11,12] sử dụng kỹ thuật tìm kiếm downhill để xác định vị trí dung lượng trạm nghịch lưu Kỹ thuật tìm kiếm dựa theo kết tính tốn cơng suất tái sinh trạm thơng qua thuật tốn mơ trào lưu công suất để xác định đối tượng ưu tiên Kết tìm kiếm mang tính tối ưu cục bộ, chưa đảm bảo tính tối ưu cho tồn hệ thống Tác giả Włodzimierz Jefimowski [13] sử dụng thuật toán di truyền để xác định vị trí dung lượng trạm nghịch lưu thỏa mãn cực đại hóa hàm mục tiêu hiệu lượng chỉnh lưu lượng nghịch lưu khoảng thời gian chu kỳ 24h Tuy nhiên mơ hình lượng xây dựng với khu đoạn có đồn tàu chưa đủ tổng quát Hui-Jen Chuang [14] áp dụng thuật tốn di truyền để xác định vị trí dung lượng trạm nghịch lưu hệ thống cung cấp điện giao thông đô thị Đài Bắc Hui-Jen Chuang lựa chọn hàm 538 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (06/2021), 536-551 mục tiêu tổng chi phí lượng tiêu thụ, chi phí đầu tư nghịch lưu chi phi dịch vụ Một thuật toán khác tối ưu bầy đàn (PSO) áp dụng Mohammad Reza Zolghadri [15] để tìm kiếm vị trí tối ưu trạm điện kéo bố trí nghịch lưu Tuy nhiên kết tối ưu đạt tối ưu cục Bài báo tập trung vào phương pháp tối ưu toàn cục xác định vị trí tối ưu dung lượng nghịch lưu hệ thống cung cấp điện kéo cho tuyến đường sắt đô thị Cốt lõi phương pháp xác định giá trị lượng tiêu thụ lượng thu hồi trạm điện kéo phương án bố trí nghịch lưu để từ tìm phương án có tổng chi phí nhỏ Phương pháp đề xuất thực hai giai đoạn Giai đoạn thứ áp dụng thuật tốn trào lưu cơng suất để xác định mức lượng tiêu thụ lượng thu hồi trạm điện kéo tương ứng với trường hợp bố trí nghịch lưu chế độ vận hành Giai đoạn thứ hai tìm kiếm vị trí dung lượng nghịch lưu để tổng chi phí tối thiểu Thuật tốn đề xuất kiểm nghiệm mơ hình hệ thống cung cấp điện xây dựng theo số liệu tham khảo từ tuyến đường sắt Cát Linh – Hà Đơng MƠ HÌNH CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN KÉO 2.1 Hệ thống cung cấp điện kéo cho tuyến đường sắt đô thị Nguồn điện cung cấp cho đoàn tàu từ trạm biến áp khu vực, thông qua mạng trung áp cấp tới trạm điện kéo Từ trạm điện kéo dòng điện chỉnh lưu thành dòng điện chiều dẫn qua mạng đường dây tiếp xúc (hoặc ray thứ ba) cấp tới đồn tàu Dịng điện từ đồn tàu khép kín mạch trạm điện kéo thơng qua đường ray đường dây hồi lưu Hình minh họa sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện kéo đường sắt thị cho khu đoạn Trong trạm điện kéo bao gồm hai tổ máy biến áp chỉnh lưu (một tổ sử dụng cho mục đích dự phịng) Mỗi tổ máy biến áp chỉnh lưu gồm máy biến áp pha cuộn dây với hai cuộn dây thứ cấp tương ứng tạo sức điện động lệch pha 30 độ điện Đầu hai cuộn thứ cấp nối tới chỉnh lưu 12 xung (hoặc 24 xung) để tạo thành điện áp chiều cấp tới cái, từ thơng qua mạng đường dây tiếp xúc (hoặc ray thứ 3) cấp cho đoàn tàu Nối tới mạng trung áp thành phố Nối tới mạng trung áp thành phố Trạm Điện Kéo Trạm Điện Kéo +DC -DC Rail tiếp xúc trái +DC -DC Rail tiếp xúc trái Đường ray bên trái Đường ray bên trái Rail tiếp xúc phải Rail tiếp xúc phải Đường ray bên phải Đường ray bên phải Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện kéo đường sắt đô thị khu đoạn 539 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 536-551 Trong tuyến đường sắt đô thị, công suất trạm biến áp điện kéo thường nằm khoảng 1,5 MW đến 5,5 MW Để thuận tiện cho q trình phân tích hệ thống cung cấp điện kéo mơ hình hóa, trạm biến áp chỉnh lưu mơ hình nguồn điện áp có điện trở r U0 điện áp không tải trạm biến áp chỉnh lưu Dòng điện I chạy qua đường dây tiếp xúc (hoặc đường dây thứ ba), qua đoàn tàu quay trở lại trạm biến áp thông qua đường ray Điện trở toàn mạch R tổng điện trở đường dây tiếp xúc (đường dây thứ ba) điện trở hai ray mắc song song 2.2 Sơ đồ trạm điện kéo có nghịch lưu Để có khả cho phép dịng điện chạy ngược trạm biến áp kéo chiều trang bị chỉnh lưu không điều khiển, nghịch lưu phải kết nối song song với chỉnh lưu Vì vậy, nhóm có bao gồm máy biến áp điện kéo chỉnh lưu diode giữ lại khả thu hồi lượng đạt với thiết bị tối thiểu Có thể sử dụng phương án như: - Bộ chỉnh lưu diode nghịch lưu dựa thyristor, gọi nghịch lưu chuyển mạch dòng thyristor (TCI); - Bộ chỉnh lưu diode nghịch lưu điều chế độ rộng xung (PWM) dựa van bán dẫn công suất điều khiển hồn tồn (IGBT) Trên Hình minh họa sơ đồ nguyên lý trạm điện kéo có trang bị nghịch lưu Trạm Điện Kéo Nghịch lưu +DC -DC Rail tiếp xúc trái Đường ray bên trái Rail tiếp xúc phải Đường ray bên phải Hình Sơ đồ trạm điện kéo có nghịch lưu Khi việc nâng cấp hệ thống chấp nhận, chỉnh lưu khơng điều khiển được thay chuyển đổi bốn góc phần tư (4-q) Ví dụ, chỉnh lưu điều khiển thyristor thuận nghịch, cầu chỉnh lưu thyristor kết hợp với chuyển đổi IGBT cầu chỉnh lưu/nghịch lưu điều khiển IGBT Do đó, nhu cầu thay máy biến áp làm cho giải pháp trở nên phức tạp tốn 2.3 Chế độ làm việc trạm điện kéo có nghịch lưu Trạm điện kéo có trang bị nghịch lưu vận hành chế độ dòng điện hai chiều để 540 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (06/2021), 536-551 chuyển đổi từ chỉnh lưu sang nghịch lưu ngược lại Dịng điện hình thành chênh lệch điện áp đầu tức thời hai chuyển đổi Để hạn chế dịng điện tuần hồn hai chuyển đổi, điện áp chiều nghịch lưu phải thiết kế cao điện áp không tải chỉnh lưu Tuy nhiên, khả tiếp nhận hệ thống bị giảm điện áp chiều nghịch lưu cao Đối với điều này, điện áp nghịch lưu phải giữ mức thấp mà không giảm xuống điện áp không tải chỉnh lưu Hình minh họa đặc tính làm việc trạm điện kéo có nghịch lưu Udc (V) Umax Pmax Rmax Unl Rmin Uo Chế độ nghịch lưu Chế độ chỉnh lưu I (A) Hình Đặc tính làm việc trạm điện kéo có nghịch lưu Trong đó: Uo – điện áp đầu chỉnh lưu không tải; Unl – điện áp bắt đầu thực chế độ nghịch lưu; Umax- điện áp chiều lớn cho phép; Pmax- công suất nghịch lưu lớn cho phép Vì nghịch lưu khơng điều khiển nên đặc tính U-I chỉnh lưu xác định trở kháng chuyển mạch chỉnh lưu Tuy nhiên, đặc tính U-I nghịch lưu điều chỉnh Hai đặc tính làm việc thường áp dụng điều khiển nghịch lưu là: 1) Điều khiển điện áp khơng đổi, để trì điện áp chiều đầu vào nghịch lưu giá trị đặt trước 2) Điều khiển trì trở kháng khơng đổi NĂNG LƯỢNG ĐIỆN KÉO CỦA CÁC ĐỒN TÀU TRÊN MỘT TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐƠ THỊ 3.1 Cơng suất đồn tàu di chuyển dọc tuyến đường Cơng suất đoàn tàu thời điểm xác định dựa đường tốc độ lực kéo đoàn tàu thời điểm dọc theo tuyến đường xác định công thức (1) Fk (t ) * v(t ) k Ptr (t ) = − F (t ) * v(t ) * h h 541 (1) Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 536-551 đó: v(t)- tốc độ xác định từ profile tốc độ xây dựng theo chế độ vận hành Fk(t) - lực kéo đoàn tàu xác định tương ứng với tốc độ vận hành từ đặc tính lực kéo Fh(t) - lực hãm đồn tàu xác định tương ứng với tốc độ vận hành từ đặc tính lực hãm điện k – hiệu suất chế độ kéo, giả định không đổi toàn tuyến h – hiệu suất chế độ hãm điện, giả định khơng đổi tồn tuyến 3.2 Năng lượng điện kéo trạm điện kéo theo thời gian vận hành đoàn tàu Tại trạm nghịch lưu, dòng lượng tiêu thụ cung cấp qua chỉnh lưu lượng dư thừa thu hồi thông qua nghịch lưu Năng lượng tiêu thụ trạm điện kéo (Esub) khoảng thời gian ngày tính theo cơng thức (2) Esub = Erec − Einv = rec 22 P rec 22 (t )dt − inv Pinv (t )dt (2) Trong đó: Prec – cơng suất cung cấp qua chỉnh lưu thời điểm, xác định dựa thuật tốn trào lưu cơng suất theo tài liệu trích dẫn [16] Pinv – công suất thu hồi qua nghịch lưu thời điểm, xác định dựa thuật tốn trào lưu cơng suất theo tài liệu trích dẫn [16] rec – hiệu suất máy biến áp chỉnh lưu inv – hiệu suất nghịch lưu máy biến áp Năng lượng điện kéo tuyến (Enet) tính tổng lượng trạm điện kéo tồn tuyến cơng thức (3), với nsub tổng số trạm điện kéo nsub Eener = Erec (k ) k =1 nsub Ereg = Einv (k ) (3) k =1 nsub nsub k =1 k =1 Enet = Eener − Ereg = Erec (k ) − Einv (k ) THUẬT TỐN TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG TRẠM NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN KÉO GIAO THÔNG ĐÔ THỊ 4.1 Hàm mục tiêu Lắp đặt nghịch lưu trạm điện kéo để thu hồi lượng dư thừa Nó có lợi ích khác tăng mức độ dự phòng hệ thống phanh tàu, cải thiện chất lượng lượng, giảm nhiệt độ tiêu tán lượng dư thừa điện trở hãm Tuy 542 ... điều khiển vị trí dung lượng nghịch lưu đóng vai trị quan trọng Bài báo trình bày phương pháp xác định vị trí tối ưu dung lượng nghịch lưu hệ thống cung cấp điện kéo cho tuyến đường sắt thị Mục... ưu đạt tối ưu cục Bài báo tập trung vào phương pháp tối ưu tồn cục xác định vị trí tối ưu dung lượng nghịch lưu hệ thống cung cấp điện kéo cho tuyến đường sắt đô thị Cốt lõi phương pháp xác định... Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN KÉO ĐƯỜNG SẮT ĐƠ THỊ Trần Văn Khơi*, An Thị Hoài Thu Anh, Đặng Việt Phúc Trường