Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hãm của tàu điện đường sắt đô thị Việt Na

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI –––––––––––––o0o––––––––––––– AN THỊ HỒI 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 THƠNG VẬN TẢI –––––––––––––o0o––––––––––––– AN THỊ HỒI 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: PGS.TS NGUYỄN THANH HẢI PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận án An Thị Hoài Thu Anh ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, PGS.TS Nguyễn Thanh Hải – hai người Thầy hướng dẫn khoa học luận án bảo tận tình, tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ động viên suốt trình thực luận án Cảm ơn Các Thầy, Cơ Bộ mơn Điều khiển học, Phịng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Giao thông Vận tải - sở đào tạo NCS giúp đỡ tận tình góp ý để tác giả hoàn thành luận án Cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Điện - Điện tử, bạn đồng nghiệp Bộ môn Kỹ thuật điện – Trường ĐH Giao thông Vận tải với hỗ trợ công việc quan cơng tác q trình tác giả thực luận án Cảm ơn Ban Lãnh đạo toàn thể cán Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, Các Thầy Cơ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp Trường ĐHBK Hà Nội cho phép tác giả sinh hoạt chuyên môn Viện Bộ môn Cảm ơn TS Vũ Hồng Phương (Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội), ThS Nguyễn Văn Quyền (Bộ môn Cơ học ứng dụng – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) hỗ trợ, trao đổi chuyên mơn q trình nghiên cứu, triển khai thí nghiệm Tôi dành lời biết ơn chân thành gửi đến gia đình Sự động viên, chia sẻ giúp đỡ gia đình động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án 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 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM 8  1.1 Các loại hình giao thơng 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 IEC 60850 12  1.3.2 Điện hạ áp 13  1.4 Năng lượng sử dụng hệ thống đường sắt đô thị 14  1.4.1 Phân loại lượng sử dụng cho đoàn tàu 14  1.4.2 Các tổn thất lượng đoàn tàu 14  1.5 Tình hình nghiên cứu giải pháp thu hồi lượng hãm hiệu lượng cấp cho tàu điện đô thị 15  1.5.1 Các nghiên cứu nước 15  1.5.2 Các nghiên cứu giới 15  1.5.2.1 Các nhóm nghiên cứu thu hồi lượng hãm tái sinh 19  1.5.2.2 Các nhóm nghiên cứu lái tàu hiệu lượng .25  1.6 Lựa chọn hướng nghiên cứu nhiệm vụ cần giải luận án 29  Kết luận chương 31  iv CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA ĐỒN TÀU VÀ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ 33  2.1 Mơ hình hóa đoàn tàu 34  2.1.1 Phân loại hệ truyền động sức kéo 34  2.1.2 Điều khiển tốc độ động không đồng 36  2.1.3 Đồ thị chạy tàu 37  2.1.4 Mơ hình hóa đồn tàu 40  2.1.4.1 Các lực tác động lên đoàn tàu 41  2.1.4.2 Phương trình chuyển động đồn tàu 48  2.1.4.3 Phương trình chuyển động động .49  2.2 Mơ hình hóa thiết bị tích trữ lượng siêu tụ 51  2.2.1 Giới thiệu số thiết bị tích trữ lượng 51  2.2.2 Cấu trúc thiết bị tích trữ lượng siêu tụ 54  2.2.3 Tính toán dung lượng siêu tụ 55  2.2.4 Mơ hình hóa kho điện siêu tụ 57  2.2.5 Mơ hình hóa biến đổi hai chiều DC-DC Interleave 59  2.2.5.1 Cấu trúc mạch lực biến đổi DC-DC Interleave ba nhánh van 60  2.2.5.2 Mơ hình hóa biến đổi DC-DC hai chiều nhánh van .62  Kết luận chương 66  CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG VẬN HÀNH ĐỒN TÀU CĨ SIÊU TỤ 67  3.1 Điều khiển 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 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 cuối 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 Pontryagin 81  3.4 Xây dựng toán điều khiển tối ưu chuyển động đoàn tàu theo nguyên lý cực đại Pontryagin 85  3.4.1 Tiêu chuẩn tối ưu 85  3.4.2 Điều khiển tối ưu lượng chạy tàu theo nguyên lý cực đại Pontryagin 87  3.4.2.1 Xây dựng phương trình chuyển động hàm mục tiêu .88  3.4.2.2 Tối ưu quỹ đạo chuyển động đoàn tàu sở PMP 92  3.4.3 Điều kiện chuyển chế độ vận hành tối ưu biến đồng trạng thái 96  3.4.3.1 Đoàn tàu chạy tuyến đường bằng, không bị hạn chế tốc độ 96  3.4.3.2 Đoàn tàu chạy tuyến đường có độ dốc thay đổi 97  Kết luận chương 99  CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 100  4.1 Mô Off-line 100  4.1.1 Chương trình mơ hệ thống tàu điện với SCESS tuyến Cát Linh - Hà Đông 101  4.1.2 Chương trình mơ profile tốc độ tối ưu chạy tàu tuyến Cát Linh -Hà đông áp dụng nguyên lý cực đại Pontryagin với hệ thống tàu điện có tích hợp SCESS 110  4.2 Xây dựng mơ hình thí nghiệm thiết bị kho điện 122  Kết luận chương 126  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128  CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 130  TÀI LIỆU THAM KHẢO 132  PHỤ LỤC 140  Phụ lục Tính tốn lựa chọn tích trữ lượng siêu tụ 140  Phụ lục Phương trình vi phân chuyển động đồn tàu có sử dụng tích trữ lượng siêu tụ đặt 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 lượng (Energy Storage System) SCESS Hệ thống tích trữ 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 đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor) HVAC Điều hịa thơng 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 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 không đồng ĐC ĐK Động điện kéo BBĐ Bộ biến đổi IM Động không đồng 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 (Full Power) PP Lực kéo phần (Partial Power) C Chạy đà (Coasting) vii Chữ viết tắt Ý nghĩa FB Lực hãm lớn (Full Braking) PB Lực hãm 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 siêu tụ (State of Charge) viii Các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Fm Lực kéo bám mi Hệ số bám tính tốn Pm Trọng lực bám đầu máy W0 Lực cản chuyển động đồn tàu Fwind Lực cản gió Froll Lực cản ma sát Cd Hệ số cản khơng khí Af Mặt cắt lớn đoàn tàu v Tốc độ đoàn tàu vwind Tốc độ gió fr Hệ số cản lăn m Khối lượng đồn tàu ik Độ dốc đường g Hệ số quán tính đồn tàu Ftr Lực kéo đồn tàu Fbr Lực hãm đoàn tàu hãm điện Fmb Lực hãm đồn tàu phanh khí Fgrad Lực cản sinh độ dốc 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 phanh e Hệ số chuyển đơn vị 129  Phát triển vấn đề điều khiển tối ưu điều độ nhiều đoàn tàu chạy tuyến tận dụng lượng trả lưới chế độ hãm đoàn tàu trao đổi cho đoàn tàu khác vận hành chế độ kéo  Bài toán điều khiển tối ưu lượng vận hành đồn tàu tuyến có độ dốc thay đổi  Vấn đề điều khiển tối ưu vận hành đồn tàu profile tốc độ theo thời gian có hình dạng đường cong chữ S trình gia tốc trình hãm 130 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [1] An Thị Hồi Thu Anh, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Văn Liễn (2015), "Điều khiển biến đổi DC-DC kiểu interleave ứng dụng cho hệ truyền động đường sắt thị",Tạp chí khoa học Giao thông Vận tải, số đặc biệt tháng 11, tr.263268 [2] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn (2016), " Control of Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Applications in Urban Rail Transit Network",The 9th Regional Conference on Electrical and Electronics Engineering - RCEEE2016, Hanoi, Vietnam [3] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn (2017), "Comparison of difference solutions to electric drive system in urban railway electric traction", The 11th South East Technical Consortium Symposium SEATUC2017, Ho Chi Minh, Vietnam, ISSN: 1882-5796 [4] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Thanh Hải (2017), "Digital Control of Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Applications in Urban Electric Train", The 11th South East Technical Consortium Symposium - SEATUC 2017, Ho Chi Minh, Vietnam, ISSN: 1882-5796 [5] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Văn Liễn, Vũ Hoàng Phương (2017),"Peakcurrent-mode control design for bidirectional non-isolated DC-DC converter applied for urban electrified train", Hội thảo điều khiển tự động hóa cho phát triển bền vững -CASD 2017, Hanoi [6] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thanh Hải (2017), "Braking energy recuperation for electric traction drive in urban rail transit network based on control super-capacitor energy storage system", The 4th vietnam international conference and exhibition on control and automation -VCCA 2017, ISBN: 978-604-911-517-4 [7] An Thị Hoài Thu Anh, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thanh Hải (2018), " Braking energy recuperation for electric traction drive in urban rail transit network based on control supercapacitor energy storage system'', 131 Journal Electrical Systems ,14(3), pp 99-114, ISSN 1112-5209 Thuộc danh mục ISI [8] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Văn Liễn (2018), "Energy Consumption Optimization for urban electrified train operation with on-board supercapacitor energy storage system based on Pontryagin's Maximum Principle", Chuyên san đo lường, điều khiển tự động hóa, 21(3), tr 46-53, ISSN: 1859-0551 [9] An Thị Hoài Thu Anh, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Văn Liễn, Vũ Hoàng Phương (2019), "Speed Profile Optimization of an Electrified Train in Cat Linh-Ha Dong Metro Line based on Pontryagin's Maximum Principle", International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), ISSN: 2088-8708 - chấp nhận đăng Thuộc danh mục Scopus 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Chuyên (2001), Sức kéo đồn tàu, trường Đại học Giao thơng Vận tải [2] Nguyễn Văn Hải (2018), nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu lượng đoàn tàu tuyến đường sắt việt nam, Luận án TS [3] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương (2014), Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất, Viện Điện-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Thiết kế kỹ thuật tuyến Hà nội – Hà đông (2016) [5] Nguyễn Dỗn Phước(2009),Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất KH&KT [6] Nguyễn Dỗn Phước (2016), Tối ưu hóa điều khiển điều khiển tối ưu, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội Tiếng Anh [7] Akşit, M H., Öztürk, S., & Çadırcı, I (2017), "A study on ultracapacitorbased systems for compensation of power deficiency and saving energy: Design, control and simulation", The Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia), 2017 IEEE 3rd International, pp 1008-1013 [8] Albrecht, T (2010), "Reducing power peaks and energy consumption in rail transit systems by simultaneous train running time control", WIT Transactions on State-of-the-art in Science and Engineering, 39 [9] Arrero R, Tackoen X, van Mierlo J (2010), Stationary or onboard energy storage systems for energy consumption reduction in a metro network, P I Mech Eng F-J Rai [10] Albrecht, A R., Howlett, P G., Pudney, P J., & Vu, X (2013), Energyefficient train control: from local convexity to global optimization and uniqueness, Automatica, 49(10), pp 3072-3078 [11] A González-Gil, R Palacin, P Batty, J.P Powell (2014), A systems approach to reduce urban rail energy consumption, Energy Conversion and Management 80, pp 509–524 [12] Barrero, R., Van Mierlo, J., & Tackoen, X (2008), Energy savings in public transport IEEE Vehicular Technology Magazine, 3(3), pp 26-36 [13] B R Ke and N Chen (2005), Signalling blocklayout and strategy of train operation for saving energy in mass rapid transit systems, IEE Proc of Electric Power Applications, 152(2), pp.129-140 133 [14] Bocharnikov, Y V., Tobias, A M., & Roberts, C (2010), "Reduction of train and net energy consumption using genetic algorithms for trajectory optimisation" [15] Bimal k.bose (2002), Morden Power Electronics and AC Drives [16] Bwo-RenKe Kuo-Lung Lian Yu-Lung Ke* Tian-Hao Huang Muhammad Risky Mirwandhana (2017), "Control Strategies for Improving Energy Efficiency of Train Operation and Reducing DC Traction Peak Power in Mass Rapid Transit System", The 53rd Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference [17] Baranov L.A., Meleshin I.S., Trinh Luong Mien, Optimal control of a subway train with regard to the criteria of minimum energy consumption, Russian electrical engineering, 2011, Vol.82, No.8, p.405-410 [18] Capasso, A., Lamedica, R., Ruvio, A., Ceraolo, M., & Lutzemberger, G (2016), "Modelling and simulation of electric urban transportation systems with energy storage", Environment and Electrical Engineering Conference, pp 1-5 [19] Guiping, Z., Mingchao, X., & Siyu, W (2014), "Hybrid power supply system of rail transit based on on-board energy storage equipment", Power System Technology Conference (POWERCON), pp 3124-3128 [20] Chen, J F., Lin, R L., & Liu, Y C (2005), "Optimization of an MRT train schedule: reducing maximum traction power by using genetic algorithms", IEEE Transactions on power systems, 20(3), pp.1366-1372 [21] Chymera, M., Renfrew, A., & Barnes, M (2008), Analyzing the potential of energy storage on electrified transit systems, World Congress on Railway Research–WCRR [22] Cornic, D (2010), "Efficient recovery of braking energy through a reversible dc substation", Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion ESARS, pp 1-9 [23] Ciccarelli, F., Iannuzzi, D., & Tricoli, P (2012), Control of metro-trains equipped with onboard supercapacitors for energy saving and reduction of power peak demand, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 24, pp 36-49 [24] Du, F., He, J H., Yu, L., Li, M X., Bo, Z Q., & Klimek, A (2010), "Modeling and Simulation of Metro DC Traction System with Different Motor Driven Trains", Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), pp.14 [25] Domínguez M, Cucala AP, Fernández A, Pecharromán RR, Blanquer J (2012), Energy efficiency on train control-design of metro ATO driving and impact of energy accumulation devices, The 9th World congress on railway research–WCRR 134 [26] Domínguez, M., Fernández-Cardador, A., Cucala, A P., Gonsalves, T., & Fernández, A (2014), Multi objective particle swarm optimization algorithm for the design of efficient ATO speed profiles in metro lines, Engineering Applications of Artificial Intelligence, 29, pp 43-53 [27] Destraz B, Barrade P, Rufer A, Klohr M (2007), "Study and simulation of the energy balance of an urban transportation network", European conference on power electronics and applications, Aalborg, Denmark [28] ERRAC (2014), The European Rail Research Advisory Council Rail route 2050: The Sustainable Backbone of the Single European Transport Area, Available on-line:http://www.errac.org/wp-content/uploads/2013/11/D9SRRA-RAILROUTE2050.pdf [29] European Commission (2011), Roadmap to a Single European Transport Area: Towards a Competitive and Resource Efficient Transport System: White Paper, Publications Office of the European Union [30] EN 50163 (2004), Railway applications - Supply voltages of traction systems [31] González-Gil, A., Palacin, R., Batty, P., & Powell, J P (2014),"A systems approach to reduce urban rail energy consumption", Energy Conversion and Management, 80, pp.509-524 [32] Grbovic, P J (2013), Ultra-Capacitors in Power Conversion Systems: Applications, Analysis, and Design from Theory to Practice, John Wiley & Sons [33] Gonzalez-Gil, A., Palacin, R., Batty, P., & Powell, J P (2014), "Energyefficient urban rail systems: strategies for an optimal management of regenerative braking energy", Transport Research Arena (TRA) 5th Conference: Transport Solutions from Research to Deployment European Commission Conference of European Directors of Roads (CEDR) European Road Transport Research Advisory Council (ERTRAC) WATERBORNEᵀᴾEuropean Rail Research Advisory Council (ERRAC) Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR) Ministère de l'Écologie, du Développement Durable et de l'Énergie [34] Howlett, P (1988), Existence of an optimal strategy for the control of a train, School of Mathematics report, [35] Howlett, P (2000), The optimal control of a train, Annals of Operations Research, 98(1-4), pp 65-87 [36] Howlett, P.(1996), Optimal strategies for the control of a train, Automatica, 32(4), pp.519-532 [37] Howlett, P G., Cheng, J., & Pudney, P J (1995), Optimal strategies for energy-efficient train control, Control Problems in Industry, pp 151-178 Birkhäuser Boston 135 [38] Howlett, P G., Pudney, P J., & Vu, X (2009), Local energy minimization in optimal train control, Automatica, 45(11), pp 2692-2698 [39] Hu, H., Fu, Y P., & Hu, C (2010), "PSO-based optimal operation strategy of energy saving control for train", The 17Th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, pp 1560-1563 [40] Hashemnia, N., & Asaei, B (2008), "Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles", The 18th International Conference on Electrical Machines ICEM, pp 1-5 [41] Hai, N T (2010),"Evaluation of effect Pontryagin's Maximum Principle for optimal control train by criteria of energy save", The International Symposium on Computer Communication Control and Automation, (1), pp 363-366 [42] IEC (2014), Electrical Energy Storage [43] IEC 60850 (2014), Railway applications - Supply voltages of traction systems [44] Iannuzzi, D., Ciccarelli, F., & Lauria, D (2012), "Stationary ultracapacitors storage device for improving energy saving and voltage profile of light transportation networks", Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 21(1), pp 321-337 [45] Iannuzzi, D., & Tricoli, P (2012), "Speed-based state-of-charge tracking control for metro trains with onboard supercapacitors", IEEE Transactions on power electronics, 27(4), pp 2129-2140 [46] Iannuzzi, D., Lauria, D., & Ciccarelli, F (2013), Wayside ultracapacitors storage design for light transportation systems: a multiobjective optimization approach, variations, 6,12 [47] J Zhang, J.-S Lai, R.-Y Kim and W Yu (2007), “High-power density design of a soft switching high-power bidirectional dc–dc converter”, IEEE Trans Power Electron., 22 (4), pp 1145 – 1153 [48] Jiaxin, C., & Howlett, P (1992), Application of critical velocities to the minimisation of fuel consumption in the control of trains, Automatica, 28(1), pp.165-169 [49] Kim, K M., Kim, K T., & Han, M S (2011), "A model and approaches for synchronized energy saving in timetabling", Korea Railroad Research Institute, http://www railwayresearch org/IMG/pdf/a4_kim_kyungmin pdf [50] Kwon, K., Lee, K G., Kim, T., Lee, J., Jone, B J., Choi, J., & Colak, I (2016), "Enhanced operating scheme of ESS for DC transit system", The Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), pp 1113-1118 [51] Kwon, K., Lee, E K., Choi, J., & Baek, S G (2012), "Efficiency improvement of ESS for DC transit system", Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC),(4), pp 2641-2646 136 [52] Kee-Hyun Chot, Su-Jin Jang, Byoung-Kuk Leel, Chung-Yuen Won, and Gil-Dong kim (2007), "Development of DC Line Voltage Simulatorfor Control of Regenerative Energy Storage Device in DC Traction System", The 7th International Conference on Power Electronics, Daegu, Korea [53] Lee, H., Song, J., Lee, H., Lee, C., Jang, G., & Kim, G (2011), Capacity optimization of the supercapacitor energy storages on DC railway system using a railway power flow algorithm IJICIC, 7(5), pp 2739-2753 [54] Liu, R R., & Golovitcher, I M (2003), Energy-efficient operation of rail vehicles, Transportation Research Part A: Policy and Practice, 37(10), pp 917932 [55] Lin, F., Liu, S., Yang, Z., Zhao, Y., Yang, Z., & Sun, H (2016) Multi-train energy saving for maximum usage of regenerative energy by dwell time optimization in urban rail transit using genetic algorithm Energies, 9(3), 208 [56] Lu, S., Wang, M Q., Weston, P., Chen, S., & Yang, J (2016) Partial train speed trajectory optimization using mixed-integer linear programming IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(10), 2911-2920 [57] Milroy, I P.(1981), Minimum-energy control of rail vehicles, South Australian Institute of Technology [58] Moskowitz, J P., & Cohuau, J L (2010), "STEEM: ALSTOM and RATP experience of supercapacitors in tramway operation", Vehicle Power and Propulsion Conference -VPPC, pp 1-5 [59] M Quraan and J Siam (2016), "Modeling and simulation of railway electric traction with vector control drive," 2016 IEEE International Conference on Intelligent Rail Transportation (ICIRT), Birmingham, pp 105-110 [60] Trinh Luong Mien, Train running-time control algorithms in automatic train movement control system of Hanoi metro, Russian University of Transport (MIIT), Doctoral thesis, 04/2012 [61] Naseri, F., Farjah, E., & Ghanbari, T (2017), "An efficient regenerative braking system based on battery/supercapacitor for electric, hybrid, and plugin hybrid electric vehicles with BLDC motor", IEEE Transactions on Vehicular Technology, 66(5), pp.3724-3738 [62] Nasri, A., Moghadam, M F., & Mokhtari, H (2010), "Timetable optimization for maximum usage of regenerative energy of braking in electrical railway systems", Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion (SPEEDAM)Symposium, pp 1218-1221 [63] Ned Mohan (2003) First course on power electronics and drives [64] Ogasa, M (2008), "Energy saving and environmental measures in railway technologies: Example with hybrid electric railway vehicles", IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 3(1), pp.15-20 137 [65] Paulo Mendonỗa1 and Duarte M Sousa (2016),Scalar Variable Speed Motor Control for Traction Systems with Torque and Field Orientation Filter, IFIP International Federation for Information Processing Published by Springer International Publishing Switzerland [66] Rufer, A., Hotellier, D., & Barrade, P (2004),"A supercapacitor-based energy storage substation for voltage compensation in weak transportation networks", IEEE Transactions on power delivery, 19(2), pp 629-636 [67] Romo, L., Turner, D., & Ng, L B (2005), "Cutting traction power costs with wayside energy storage systems in rail transit systems", American Society of Mechanical Engineers ASME/IEEE 2005 Joint Rail Conference, pp.187-192) [68] Steiner, M., & Scholten, J (2004), "Energy storage on board of DC fed railway vehicles", Power Electronics Specialists Conference -PESC, (1), pp 666671 [69] Steiner, M., Klohr, M., & Pagiela, S (2007), "Energy storage system with ultracaps on board of railway vehicles", Power Electronics and Applications European Conference, pp.1-10 [70] Su, S., Tang, T., & Wang, Y (2016), "Evaluation of strategies to reducing traction energy consumption of metro systems using an optimal train control simulation model", Energies, 9(2), 105 [71] Sun, X., Lu, H., & Dong, H (2017), "Energy-Efficient Train Control by Multi-Train Dynamic Cooperation", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 18(11), pp.3114-3121 [72] Sejin Noh, Jaeho Choi, Hyung-Cheol Kim, Eun-Kyu Lee (2008), "PSiM Based Electric Modeling of Supercapacitors for Line Voltage Regulation of Electric Train System", The 2nd IEEE International Conference on Power and Energy, Johor Baharu, Malaysia [73] Son, K., Noh, S., Kwon, K., Choi, J., & Lee, E K (2009), "Line voltage regulation of urban transit systems using supercapacitors", Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC'09 IEEE 6th International, pp 933938 [74] Takafumi Koseki (2010), "Technologies for Saving Energy in Railway Operation: General Discussion on Energy Issues Concerning Railway Technology", ieej transactions on electrical and electronic engineering 5,pp 285– 290 [75] Teymourfar, R., Farivar, G., Iman-Eini, H., & Asaei, B (2011), "Optimal stationary super-capacitor energy storage system in a metro line", Electric Power and Energy Conversion Systems Conference (EPECS), pp 1-5 [76] Taiping Kang (2006), Research on Automatic Train Operation Based on Fuzzy predictive control algorithms, Southwest Jiao Tong University 138 [77] T VargheseI and K.R Rajagopa (2016) ,"Economic and Efficient Induction Motor Controller for Electric Vehicle using Improved Scalar Algorithm", 1st IEEE International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems -ICPEICE [78] UNI 8379 (2000), Sistemi di trasporto a guida vincolata (ferrovia, metropolitana, metropolitana leggera, tranvia veloce e tranvia) - Termini e definizioni [79] Urciuoli, D P., & Tipton, C W (2006, March), "Development of a 90 kW bi-directional DC-DC converter for power dense applications", In Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006 APEC'06 (pp 4-pp) IEEE [80] Vazquez, S., Lukic, S M., Galvan, E., Franquelo, L G., & Carrasco, J M (2010).Energy storage systems for transport and grid applications IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(12), 3881-3895 [81] X Yang, X Li, Z Gao, H Wang, T Tang (2013), "A cooperative scheduling model for timetable optimization in subway systems", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 14(1), pp.438–447 [82] X Yang, B Ning, X Li, T Tang (2014), "A two-objective timetable optimization model in subway systems", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 15(5), pp.1913–1921 [83] X Yang, X Li, B Ning, T Tang (2016), "A survey on energy-efficient train operation for urban rail transit", IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(1), pp.2–13 [84] X Vu (2006), Analysis of Necessary Conditions for the Optimal Control of a Train, Ph.D Thesis, University of South Australia [85] Vukan R.Vuchic (2007),Urban transit systems and technology, John Wiley & Sons, Inc [86] Warin Y, Lanselle R, Thiounn M (2011), Active substation, The 9th World congress on railway research – WCRR [87]Wong*, K K., & Ho, T K (2004), "Dynamic coast control of train movement with genetic algorithm", International journal of systems science, 35(13-14), pp.835-846 [88]Yang and K Li (2009), The railway transportation planning problem and its genetic algorithm based tabu search algorithm, ICIC Express Letters, (3), pp.361-366.92 [89] Yang, J., Jia, L., Lu, S., Fu, Y., & Ge, J (2016), Energy-efficient speed profile approximation: An optimal switching region-based approach with adaptive resolution, Energies, 9(10), pp.762 [90] NeD, Mohan (2003), First course on Power Electronics and Drives 139 [91] Bacha, Seddik, Munteanu, Iulian, Bratcu, Antoneta Iuliana (2013), Power Electronic Converters Modeling and Control [92] Л А Баранов, Я М Головичер, Е В Ерофеев, В M Максимов Микропроцессорный системы автоведения электроподвижного состава Москва, Транспорт, 1990.-272 с [93] Uyulan, C., Gokasan, M., & Bogosyan, S (2017), Modeling, simulation and slip control of a railway vehicle integrated with traction power supply, Cogent Engineering, 4(1) 140 PHỤ LỤC Phụ lục Tính tốn lựa chọn tích trữ lượng siêu tụ Phụ lục trình bày chi tiết cách tính, lựa chọn tích trữ lượng siêu tụ đặt đoàn tàu Với điện áp UDC-link = 750VDC; theo cơng thức (2.17) tính U sc -max = 675(V ) ta U sc -inM = 533, 6(V ) Theo chu kỳ kéo điển hình tàu điện, giai đoạn hãm, lượng động học tàu lưu trữ thiết bị SCESS, nạp lại cho SoC ban đầu; sau SCESS cung cấp lượng với trạm biến áp giai đoạn gia tốc Năng lượng lưu trữ SC đánh giá [44]: Esc max = hmech hem hinv hdc-dc hsc mtvt2max 1000 Esc max = 0, 98.0, 91.0, 95.0, 95.0, .(247, 6.103 ).(80 ) 3600 = 44105752, 6J = 12,25KWh (4.3) (4.4) Thông số siêu tụ maxwell BMOD0063 P125 Bảng PL.1 Thông số siêu tụ maxwell BMOD0063 P125 Tham số Đơn vị Giá trị Điện áp định mức(Vm,max) (V) 125 Điện dung (CSC,m) (F) 63 Điện trở nối tiếp (rsc,m) (m ) 18 Dòng điện tối đa(Im,max) (A) 1900 75% tổng lượng lưu trữ (Wh) 101.7 Khối lượng (Kg) 61 Bảng PL.2 Thông số tàu điện tuyến Cát linh - Hà đông Thông số tàu điện Đơn vị Giá trị Cách lập tàu (Tc+Mc+Mc+Tc) 04 Trọng lượng đồn tàu khơng có hành khách [kg] 136000 Trọng lượng đồn tài có hành khách 247600 [kg] 141 Thông số tàu điện Đơn vị Giá trị Tốc độ lớn đoàn tàu (vmax) [km/h] 80 Tốc độ trung bình đồn tàu (vtb) [km/h] 40 Tốc độ định mức đoàn tàu (vb) [km/h] 35 Gia tốc kéo (0-40km/h) (a) [m/s ] >=0.83 Gia tốc kéo (0-80km/h) (a) [m/s2] >=0.5 Gia tốc lớn hãm thường [m/s2] >=1 Gia tốc hãm dừng khẩn cấp [m/s2] 1.2 Gia tốc hãm điện trở (50-5 km/h) [m/s2] >= 0.8 Đường kính bánh xe [m] 0.77-0.84 tỷ số truyền 5.3:1 Hiệu suất hộp số (mech ) % 0.95 Hiệu suất biến đổi (DC-DC) % 0.95 Hiệu suất biến tần (ηinv) % 0.95 Hiệu suất siêu tụ (sc) % 0.9 Hiệu suất động (mor) % 0.91 Momen qn tính đồn tàu (Jeq) [kg.m2] 194 Năng lượng cơng thức (4.4) lưu trữ trong: N SC = 12, 25.1000 = 120 (modun) 101, (4.5) Với Nsc: Số module siêu tụ Khối lượng siêu tụ đặt tàu: 61kg*120 =7.3 chiếm 3% trọng lượng đoàn tàu Mỗi đoàn tàu với biến đổi DC-DC riêng đoàn tàu đó, tính có 75% tổng số lượng lưu trữ thực sử dụng [9] Bộ biến đổi DC-DC hai chiều điều khiển để quản lý dòng lượng SCESS tàu điện làm việc biến đổi buck-tương ứng sạc boost - xả Vì hiệu biến đổi chấp nhận tỷ số điện áp khuếch đại tối đa nhỏ [44], có nghĩa với điện áp định mức 750V, điện áp 142 SCESS nên lớn 250V Do đó, sử dụng mô đun SCESS bảng 2.6 chuỗi mô-đun ghép nối nối tiếp: Ns = 675 = (modun mắc nối tiếp) 125 (4.6) Để đạt số lượng lượng lưu trữ số lượng mô đun kết nối song song Np = 120 = 20 (modun mắc song song) (4.7) điện dung cần thiết: Np = C SC C  C SC = mod ule N p C mod ule Ns Ns  C SC = (4.8) 63 20 = 210(F ) Với lượng lưu trữ siêu tụ Esc-max =12,25 kWh Phụ lục Phương trình vi phân chuyển động đồn tàu có sử dụng tích trữ lượng siêu tụ đặt tàu Để thiết lập phương trình chuyển động đồn tàu có xét đến lượng cấp từ siêu tụ đặt tàu, luận án sử dụng phương pháp lượng để thiết lập phương trình vi phân hỗn hợp hệ Cơ – Điện Các lực hoạt động sinh công bao gồm: Lực kéo đoàn tàu Ftr(v), Lực hãm đoàn tàu hãm điện Fbr(v), Lực cản chuyển động đồn tàu W0(v), Lực cản sinh độ dốc đường Fgrad(x) Động đoàn tàu kể đến hệ số qn tính đồn tàu: Ttrain = 1 + g ) mv ( (4.9) Công suất lực hoạt động công suất siêu tụ: W = Ftr (v ) ⋅ v - Fbr (v ) ⋅ v -W0 (v ) ⋅ v - Fgrad (x ) ⋅ v + Psc (v, t ) (4.10) Áp dụng định lý biến thiên động dạng đạo hàm: dTtrain =W dt (4.11) 143 Ta thu được: = F (v ) ⋅ v - F (1 + g ) mv dv dt tr br (v ) ⋅ v -W0 (v ) ⋅ v - Fgrad (x ) ⋅ v + Psc (v, t ) (4.12) Chia hai vế (4.12) cho v, ta có: = F (v ) - F (1 + g ) m dv dt tr (v ) -W0 (v ) - Fgrad (x ) + br Psc (v, t ) v Chia hai vế (4.13) cho (1 + g ) m ý (4.13) dv dv dx dv = = v , dt dx dt dx với sử dụng ký hiệu lực kéo đơn vị, lực hãm đơn vị, lực cản đơn vị, lực cản độ dốc đơn vị đường, công thức (2.7), ta có phương trình vi phân chuyển động đồn tàu sử dụng tích trữ lượng siêu tụ đặt tàu: v p (v, t ) dv = utr ftr (v ) - ubr fbr (v ) + sc - w (v ) - fgrad (x ) dx v (4.14)