Nghiên cứu và đánh giá chất lượng sóng hài nguồn điện một chiều cung cấp cho đoàn tàu tuyến đường sắt đô thị nhổn ga hà nội cấp trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SÓNG HÀI NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU CUNG CẤP CHO ĐOÀN TÀU TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ NHỔN – GA HÀ NỘI CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS ĐẶNG VIỆT PHÚC HÀ NỘI, THÁNG 12 NĂM 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG AC-DC TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ 1.1 Hệ thống cung cấp điện kéo Đường sắt đô thị tuyến Nhổn – Ga Hà Nội 1.1.1 Giới thiệu tuyến Đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội 1.1.2 Hệ thống cung cấp điện tuyến Đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội 1.2 Nghiên cứu sơ đồ tổ hợp biến đổi lượng AC-DC hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG AC – DC TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ NHỔN – GA HÀ NỘI 12 2.1 Điện áp chỉnh lưu chế độ không tải 12 2.2 Đường đặc tính điện áp trạm điện kéo 13 2.3 Hiệu suất biến đổi AC-DC 14 2.4 Hệ số công suất biến đổi AC-DC 15 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SÓNG HÀI DO NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU TRONG TRẠM ĐIỆN KÉO TẠO RA 16 3.1 Tổng quan chung sóng hài điện áp hệ thống điện 16 3.1.1 Mô tả tượng 16 3.1.2 Nguyên nhân gây tạo nên sóng hài bậc cao hệ thống điện 17 3.1.3 Ảnh hưởng sóng hài bậc cao lên thành phần hệ thống điện 19 3.1.2 Thơng số sóng hài bậc cao 23 3.2 Nghiên cứu sóng hài biến đổi lượng AC-DC trạm điện kéo tạo lên lưới điện 24 3.2.1 Sóng hài biến đổi lượng AC-DC gây lên lưới điện trung áp 22 kV 24 3.2.2 Phương pháp phân tích sóng hài 24 3.2.3 Tiêu chuẩn đánh giả ảnh hưởng hệ thống cung cấp điện tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội lên sóng hài lưới điện 25 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÔ PHỎNG TỔ HỢP BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG AC-DC VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 27 4.1 Mơ hình mơ tổ hợp biến đổi lượng AC – DC 27 4.1.1 Mơ hình hệ thống truyền động điện toa tàu nghiên cứu sóng hài 27 4.1.2 Mơ hình đồn tàu nghiên cứu sóng hài 35 4.1.3 Mơ hình nguồn điện phía ngồi 35 4.1.4 Mơ hình mơ trạm điện kéo nghiên cứu sóng hài 36 4.1.5 Mơ hình mạch tiếp xúc 37 4.1.6 Mơ hình mơ phân đoạn hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị nghiên cứu sóng hài bậc cao 37 4.2 Kết nghiên cứu 38 4.3 Hướng phát triển 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với phát triển mạnh loại phụ tải điện tiêu thụ cao yêu cầu ngày khắt khe tiêu chuẩn cung cấp điện, vấn đề chất lượng điện trở nên quan trọng đơn vị điện lực lẫn khách hàng tiêu thụ điện Khách hàng sử dụng điện ngày ý thức rõ tác động chất lượng điện đến trình sản xuất sử dụng điện, ảnh hưởng kinh tế - kỹ thuật chất lượng điện năng, ngày có yêu cầu khắt khe đơn vị cấp điện chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, mức sóng hài bậc cao, mức cân cho phép điện áp lưới điện Hiện nay, tuyến đường sắt đô thị xây dựng thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh Các tuyến đường sắt thị có hệ thống cung cấp điện phức tạp, thiết bị hệ thống điện kéo hệ thống điện dân dụng sử dụng nhà ga tích hợp cao, làm việc hỏng hóc thiết bị hệ thống ảnh hưởng đến thiết bị khác, trí đến tồn hệ thống Xảy cố phần tử hệ thống điện đường sắt đô thị tác động hàng loạt phụ tải điện kéo loại 1, ngược lại sóng hài xuất thiết bị tiêu thụ điện lan truyền sang phụ tải dùng điện lân cận, chí đến phần tử toàn hệ thống Hệ thống cung cấp điện tuyến đường sắt thị có chứa biến đổi lượng khơng tuyến tính, cấp điện từ lưới điện trung áp 22 kV thành phố Quá trình vận hành tuyến đường sắt đô thị tạo nên nhiều nguồn gây ô nhiễm sóng hài xuất lên lưới điện cung cấp Các thành phần sóng hài điện áp xuất mạng trung áp 22 kV trình làm việc tổ hợp biến đổi lượng trạm điện kéo đoàn tàu gây ảnh hưởng đến trình làm việc trang thiết bị điện khác hệ thống điện lực Sóng hài xuất lưới cấp điện gây tượng méo dạng sóng điện áp nguồn dịng điện tải Ảnh hưởng sóng hài điện áp lên hệ thống điện gây làm tăng nguy cộng hưởng cục việc sóng hài tăng, giảm hiệu suất hệ thống nguồn phát, truyền tải sử dụng điện năng, gây già hóa tăng cường thiết bị điện, gây giảm tuổi thọ thiết bị, gây tác động nhầm cho hệ thống bảo vệ, thông tin truyền thông Trong thiết kế kỹ thuật tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông, quan quản lý chuyên gia yêu cầu đơn vị thiết kế đánh giá mức độ nhiễm sóng hài gây thiết bị hoạt động không tuyến tính lên lưới điện trung áp 22 kV phía ngồi [2] Tại tuyến tàu điện ngầm giới, việc đánh giá mức độ sóng hài ảnh hưởng từ hệ thống cấp điện kéo đến lưới phía ngồi cần thực trình vận hành [7,8,9,10,12] Vì vậy, toán đặt giai đoạn thiết kế kỹ thuật tuyến đường sắt thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn - Ga Hà Nội cần phải nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống cung cấp điện kéo đến sóng hài lưới điện Vấn đề nghiên cứu đánh giá chất lượng sóng hài gây biến đổi AC-DC tuyến đường sắt thị đưa vào hoạt động mang tính cấp thiết Vì vậy, tác giả chọn nghiên cứu công nghệ tổ hợp biến đổi lượng AC-DC ứng dụng trạm điện kéo hệ thống đường sắt thị thí điểm đoạn Nhổn – Ga Hà Nội để đánh giá chất lượng điện áp lưới hiệu suất sử dụng lượng Kết nghiên cứu đưa tài liệu đặc tính tổ hợp biến đổi lượng AC-DC trạm điện kéo tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội, nghiên cứu đánh giá mức độ nhiễm sóng hài biến đổi lượng AC-DC trạm điện kéo tạo Dựa vào kết nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn ứng dụng phần mơ hình mơ để xem xét thơng số tác động đến sóng hài lưới điện giai đoạn thiết kế kỹ thuật, giúp nhà quản lý đưa giải pháp phối hợp phụ tải nguồn để đạt mức nhiễm sóng hài thấp nhất, phải tính tốn lắp đặt thiết bị lọc sóng hài từ giai đoạn thiết kế, lắp đặt phụ tải Mục tiêu đề tài Nghiên cứu dạng sóng hài tạo nguồn điện tuyến tính trạm điện kéo ảnh hưởng lên lưới điện trung áp 22 kV tuyến đường sắt đô thị Nhổn - Ga Hà Nội Đối tượng nghiên cứu Tổ hợp biến đổi lượng AC-DC (đặc biệt chỉnh lưu dành cho sức kéo) trạm điện kéo Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính biến đổi lượng không điều khiển AC-DC trạm điện kéo tuyến đường đường thị Nghiên cứu sóng hài biến đổi lượng khơng tuyến tính trạm điện kéo gây Mơ hình mơ phần mềm Matlab Cách tiếp cận Tìm hiểu cơng nghệ ứng dụng chỉnh lưu dùng tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội Nghiên cứu lý thuyết đặc tính chỉnh lưu sóng hài tạo nên ảnh hưởng lên lưới điện trung áp 22 kV phía ngồi Xây dựng mơ hình mơ để đánh giá mức nhiễm sóng hài theo tiêu chuẩn quy định Việt Nam Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết đặc tính tổ hợp biến đổi lượng không điều khiển AC-DC Xây dựng mô hình làm việc tổ hợp biến đổi lượng AC-DC phần mềm CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG AC-DC TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ 1.1 Hệ thống cung cấp điện kéo Đường sắt đô thị tuyến Nhổn – Ga Hà Nội 1.1.1 Giới thiệu tuyến Đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội Theo Quy hoạch chung xây dựng Thủ đô đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050 phê duyệt Quyết định số 1259/QĐ-TTG ngày 26/7/2011 Tại Hà Nội xây dựng tuyến đường sắt đô thị với tổng chiều dài 284,5 km, bao gồm: - Tuyến số 1: Yên Viên/ Dương Xá- Long Biên- Ga Hà Nội- Ngọc Hồi (38,7 km) - Tuyến số 2: Nội Bài - Trung tâm thành phố - Thượng Đình (35,2 km) - Tuyến số 3: Trôi - Nhổn - Văn Miếu - Ga Hà Nội (12,5 km) - Tuyến số 4: Mê Linh - Đông Anh - Sài Đồng - Vĩnh Tuy - Cổ Nhuế - Liên Hà (53,1 km) - Tuyến số 5: Nam Hồ Tây - Ngọc Khánh - Đại lộ Thăng Long - An Khánh - Hòa Lạc, (34,5 km) - Tuyến số 6: Nội Bài - Phú Diễn- Hà Đông - Ngọc Hồi (43 km) - Tuyến số 7: Mê Linh - Nhổn - Vân Canh - Dương Nội - Hà Đông (35 km) - Tuyến số 8: Sơn Đồng - Mai Dịch- Lĩnh Nam - Dương Xá (28 km) Hình Quy hoạch tuyến Đường sắt đô thị Hà Nội Tuyến Đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội có chiều dài xấp xỉ 12,5 km chạy dọc hành lang Đông - Tây từ Nhổn đến ga Hà nội Sau bắt đầu Nhổn, tuyến đường đôi cao chạy từ phía Đơng dọc đường quốc lộ 32, qua Quận Cầu diễn, theo đường Hồ Tùng Mậu vượt qua đường vành đai Sau đó, tuyến metro chạy tiếp đường Xuân Thủy, Cầu Giấy đến trạm trung chuyển với xe buýt trước công viên Thủ Lệ Tại điểm này, tuyến bắt đầu hạ ngầm, chạy theo đường Kim Mã, qua khách sạn Horison tiếp tục chạy thẳng qua Cát Linh, Quốc Tử Giám kết thúc ga Hà nội Hình Quy hoạch vị trí tuyến Đường sắt thị Nhổn – Ga Hà Nội Tuyến có 12 nhà ga, đó: ga cao (Nhổn, Minh Khai, Phú Diễn, Cầu Diễn, Lê Đức Thọ, Đại học Quốc gia Hà nội, Chùa Hà, Cầu Giấy) ga ngầm (Kim Mã, Cát Linh, Văn Miếu, Ga Hà nội) Bảng Vị trí khoảng cách nhà ga tuyến ĐSĐT Nhổn – Ga Hà Nội STT Tên ga Nhổn Lý Trình Km10+150 Khoảng cách(m) - Minh Khai Phú Diễn Cầu Diễn Lê Đức Thọ ĐHQGHN Km11+275 Km12+250 Km13+260 Km14+395 Km15+480 1125 975 1010 1135 1085 Chùa Hà Cầu Giấy Km16+640 Km17+825 1160 1185 10 11 12 Kim Mã Cát Linh Văn Miếu Ga Hà nội Tổng cộng Km18+985 Km19+520 Km20+070 Km21+190 1160 1535 550 1120 12040 1.1.2 Hệ thống cung cấp điện tuyến Đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội Giao thông đường sắt đô thị xem phần dùng điện độc lập, dựa vào đặc điểm yêu cầu cấp điện áp hợp lý Dựa vào tiêu chuẩn cấp điện trung áp giao thông đường sắt châu Âu hành hệ thống điện áp lưới điện Hà Nội, lựa chọn Điện áp trung áp cấp cho tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội 22 kV Hệ thống cung cấp lượng điện ban đầu phải có khả đảm bảo hoạt động tàu có tải vận hành tạo nên lực hệ thống vận tải Hệ thống cung cấp điện tuyến Đường sắt đô thị số thí điểm Nhổn – Ga Hà Nội bao gồm hệ thống cấp điện trung 22 kV phía ngoài, hệ thống cung cấp điện kéo, hệ thống cấp điện hạ Hệ thống cấp nguồn điện trung thế, dự án tiếp nhận điện trung 22KV từ nguồn độc lập Theo thỏa thuận với Điện lực Hà Nội (HNPC), tuyến metro nhận nguồn điện từ trạm biến áp Trạm biến áp Cầu Diễn Mỹ Đình Các trạm cấp điện HNPC đấu nối đến Trụ tiếp nhận đặt nhà ga số 2, Điện trung phân phối theo sơ đồ mạch vòng kép, vận hành hở, hệ thống phân phối trung phân đoạn bố trí máy cắt tốc độ cao Hai lộ cáp phân phối trung bố trí chạy dọc tuyến đường từ ga Ga Hà Nội đến khu Depot để cấp nguồn 22KV cho toàn dự án Trong trường hợp hai trạm bị hỏng tồn lượng hỗ trợ cho tuyến cung cấp trạm điện lại, dây trung áp kết nối từ trạm điện cao đến dây cáp điện tuyến đảm bảo yêu cầu cấp điện gấp đôi so với điều kiện vận hành bình thường Hệ thống cấp nguồn bao gồm: Hệ thống tủ máy cắt, cáp trung từ điểm đấu nối với lưới điện công cộng thành phố Hà nội đến Dự án hệ thống phân phối trung dự án Hệ thống cung cấp điện kéo tuyến ĐSĐT Nhổn – Ga Hà Nội thiết kế với trạm điện kéo tuyến, đặt ga S1 – Nhổn, S3 – Phú Diễn, S5 – Lê Đức Thọ, S7 – Chùa Hà, S9 – Kim Mã, S11 – Văn Miếu; 01 trạm biến áp điện kéo đặt khu Depot; Hệ thống phân phối điện kéo hệ thống ray tiếp xúc điện kéo Hình Hệ thống cung cấp điện dành cho sức kéo ĐSĐT tuyến Nhổn – Ga Hà Nội Hệ thống phân phối điện hạ gồm 12 trạm biến áp phân phối đặt 12 nhà Ga; Khu vực Depot lắp đặt trạm biến áp phân phối Depot №1, Depot №2; Hệ thống tủ phân phối hạ thế, hệ thống cáp điện hạ cung cấp cho đa dạng phụ tải điện hạ dự án hệ thống chiếu sáng Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện kéo tương ứng phân đoạn hệ thống cung cấp điện trạm điện kéo tuyến đường sắt thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn - Ga Hà Nội, trình bày hình 3, bao gồm: hai trạm điện kéo A B cấu tạo từ máy biến áp điện kéo pha cuộn dây chỉnh lưu 12-xung, đường dây cung cấp từ trạm điện kéo, đường dây hồi lưu, phân đoạn mạch tiếp xúc, đoàn tàu sử dụng hệ truyền động điện động không đồng rotor lồng sóc đường ray chạy tàu Bảng Vị trí công suất trạm điện kéo [1] TRẠM ĐIỆN KÉO A 22 kV 22 kV TRẠM ĐIỆN KÉO B ` MÁY BIẾN ÁP ` CHỈNH LƯU DC BUS ĐƯỜNG DÂY HỒI LƯU ` ĐƯỜNG DÂY CUNG CẤP RAY TIẾP XÚC RAY CHẠY TÀU Hình Cấu trúc phân đoạn cấp điện hệ thống ĐSĐT Nhổn – Ga Hà Nội Tính tốn cơng suất điện kéo tiến hành phần mềm MARCADET Phần mềm MARCADET sử dụng dự án tương tự Metro Santiago, Taipei, Paris, theo Hệ thống quản lý phần mềm Systra ISO 9001 Công suất trạm điện kéo thể bảng Dựa vào số liệu tính tốn phần mềm, trạm điện kéo thiết kế với máy biến áp chỉnh lưu 12-xung, máy biến áp điện kéo có cơng suất 2600 kVA, chỉnh lưu với làm mát tự nhiên có cơng suất 2300 kW Thông số định mức động điện kéo: công suất định mức P2 = 200 kW, điện áp pha cuộn dây stator U1ph = 338 V, tần số dòng điện stator định mức f1.đm = 53,6 Hz, hệ số công suất 0,815, hiệu suất động 94%, tốc độ quay rotor n2 = 2400 vòng/phút [1] Máy biến áp pha cuộn dây có cuộn dây sơ cấp sơ đồ hình Y với cấp điện áp định mức 22 kV, cuộn dây thứ cấp sơ đồ hình ∆ Y với cấp điện áp định mức 585 V Góc lệch pha điện áp dây cuộn thứ cấp 30 o Chỉnh lưu 12-xung có cấu tạo từ cầu chỉnh lưu xung mắc song song, điện áp chiều đầu chế độ không tải 790 V, điện áp đầu chiều chế độ đầy tải 750 V DC [3,4,5] Trên giới sử dụng cấp điện áp khác hệ thống đường sắt dòng điện chiều 600 V, 650 V, 750 V, 1500 V 3000 V Trong hệ thống đường sắt đô thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn - Ga Hà Nội, phân đoạn mạch tiếp xúc cung cấp điện từ phía với cấp điện áp chiều 750 V Nguồn điện chiều từ trạm điện kéo cung cấp cho đoàn tàu qua đường ray tiếp xúc thứ 1.2 Nghiên cứu sơ đồ tổ hợp biến đổi lượng AC-DC hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị Trong hệ thống đường sắt đô thị ứng dụng bố chỉnh lưu 6-xung, 12-xung, 24xung Các chỉnh lưu 6-xung có nhược điểm so với chỉnh lưu lại: hệ số công suất thấp, chất lượng điện kém, tăng ảnh hưởng dịng điện kéo với đường dây tín hiệu Hiện tại, chỉnh lưu 24-xung ứng dụng vào tuyến tàu điện ngầm Trung Quốc A B C a) b) a b c Id - 825 V + 825 V Hình Sơ đồ cầu chỉnh lưu 6-xung (a) đồ thị điện áp chỉnh lưu (b) Trong hệ thống cung cấp điện tàu điện ngầm sử dụng sơ đồ hình 3, sử dụng máy biến áp pha cuộn dây với điện áp đầu cuộn dây thứ cấp thường 670 679 V tùy thuộc vào hãng sản xuất máy biến áp Trong trường hợp này, giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu Ud giá trị điện áp dây U2d cuộn thứ cấp máy biến áp: Ud = 1,35U2d - Lực cản ổ trục bánh xe, lực cản thay đổi theo trọng lượng trục hệ thống bôi trơn ổ bi; - Các động lực tàu mà có hiệu ứng ma sát ảnh hưởng gờ bánh xe với má ray, hiệu ứng dao động, giảm sóc độ dơ thiết bị Các lực đến gờ bánh xe thay đổi theo tốc độ chất lượng vòng lăn bánh xe ray, tương tác đường sắt giá chuyển hướng; - Lực cản khơng khí thay đổi trực mặt cắt ngang, chiều dài hình dạng phương tiện bình phương tốc độ Theo tài liệu [1], lực cản riêng đồn tàu tính tốn theo cơng thức kinh điển: Fc.r  mg ( A  BV  C.V ) (41) Trong A, B, C hệ số xác định lực cản khác nhau, độc lập tuyến tính, phụ thuộc vào vận tốc đồn tàu Đối với tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội: A = 2,27853; B = 0,0192; C = 0,00084 [1] Hình 18 Đồ thị lực cản riêng đoàn tàu Lực cản đoàn tàu theo độ dốc đường lực cần để vượt qua độ dốc dọc mgi, với i o oo - độ dốc dọc đường Lực tính tốn từ giải véc tơ lục không phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu Độ dốc lên sinh lực cản đó, dốc xuống sinh gia tốc (lực cản âm) Hình 19 Lực cản độ dốc đường 31 Lực cản đường cong đường lực đồn tàu chạy vào đoạn đường có độ cong Lực cản không phụ thuộc vào vận tốc đồn tàu, xác định theo bán kính cong đường Fc.dc =mg.700/Rc (42) Trong thiết kế kỹ thuật tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội, đồn tàu gồm có toa tàu khối lượng 192 (trong trường hợp có tải), có toa có động Để tìm lực cản chuyển động tác động lên toa tàu, cần phải lấy tổng lực cản chia cho số toa tàu Fc.toa  mg[(2, 27853  0, 0192.V  0, 00084.V )+i+ 700 ]/Ntoa Rc (43) Trên toa tàu có động cơ, moment cản tác động lên động thể biểu thức (44) với giả thiết lực cản tác động lên động cơ, toa tàu chuyển động với vận tốc thời điểm Mm  Fc.toa Dk  p (44) Mơ hình động điện kéo xây dựng sẵn thư viện phần mềm Matlab/Simulink, thể hình (20) Hình 20 Mơ hình động điện phần mềm Matlab b Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM nghịch lưu nguồn áp chế độ kéo đoàn tàu Trong hệ thống truyền động điện đoàn tàu sử dụng nghịch lưu nguồn áp biến đổi dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho động điện kéo Bộ nghịch lưu nguồn áp cấu tạo dựa van bán dẫn IGBT Trong chế độ kéo modun IGBT chuyển mạch với tần số 2400 Hz sử dụng theo phương pháp điều chế véc tơ không gian Bộ nghịch lưu nguồn áp có nhiệm vụ đưa tín hiệu điện áp tần số đầu để điều khiển tốc độ moment động điện kéo đoàn tàu Tín hiệu điều khiển nghịch lưu đặc trưng hệ số modun điện áp Biên độ điện áp pha đầu nghịch lưu xác định theo hệ số modun điện áp chiều đầu vào nghịch lưu: Us  m Ud 32 (45) Hệ truyền động điện động không đồng rotor lồng sóc, theo luật điều khiển М.П Косченко [15]: Us f  U s.dm f1.dm M M dm (46) Trong đó: Us, Us.dm, f1, f1.dm, M, Mdm – giá trị điện áp, tần số moment quay động điện theo theo thời gian chế độ định mức Hệ truyền động điện động điện kéo với điều khiển tần số sử dụng phương pháp điều khiển vô hướng, điều chế véc tơ không gian Các thông số lượng điện động điện kéo xác định chế độ xác lập Trong trường hợp này, trình điện từ động phụ thuộc vào luật điều khiển không phụ thuộc vào phương pháp thực vô hướng hay điều chế véc tơ không gian [15] V1dm f1dm Hình 21 Đặc tính thơng số theo luật điều khiển điều chế modun điện áp tần số Trong vùng điều khiển tốc độ đoàn tàu với vận tốc từ đến Vdm (đối với tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội vận tốc định mức từ 35÷40 km/h), điều kiện lực kéo F =const (M = const), dòng điện dây quấn stator Is = const, từ thơng máy giữ không đổi, sức điện động cuộn dây stator E1  C  f1  tăng tỉ lệ thuận so với vận tốc chuyển động đoàn tàu, tương ứng điện áp tần số cung cấp cho động tăng tỉ lệ với nhau, tức U1/f1 = const Sau kết thúc điều khiển vận tốc đoàn tàu vùng 1, tốc độ động đạt giá trị định mức V = Vdm f = fdm, chuyển sang chế độ động làm việc với công suất không đổi, tức P = FV = const Trong vùng điều khiển này, modun điều chế điện áp nghịch lưu m = 0,9 Trong vùng vận tốc từ Vdm đến Vmax, công suất động giữ khổng đổi, điện áp đầu nghịch lưu cung cấp cho động điện áp định mức Us = Us.dm, tần số 33 điều chế đầu nghịch lưu tăng đến giá trị cho phép, từ thông động suy giảm tỉ lệ với 1/f1, tức theo hàm   f (1/ f1 ) Tần số điện áp đầu nghịch lưu f1, tần số trượt động f2, tần số quay rotor fq liên hệ với theo biểu thức: f1 = f2 + fq Từ đó, ứng với vận tốc đoàn tàu, xác định tốc độ góc rotor, xác định tần số quay rotor tần số điện áp đầu cần điều khiển nghịch lưu Liên hệ vận tốc dài đồn tàu tốc độ góc quay rotor: V  3, 6 Db n2 / (60 )  1,8.Db m /  (47) Trong đó: Db – đường kính bánh xe, đồn tàu tuyến đường sắt thị Nhổn – Ga Hà Nội lấy 0,86 m;  - Hệ số truyền hệ truyền chuyển động, 5,5 p Tần số quay xác định theo tốc độ góc rotor: f q  m 2 Tín hiệu modun điện áp đầu vào nghịch lưu xác định [3,4,15]: m 2U s U U f  s s.dm  mmax Ud U s.dm U d f1dm (48) c Bộ lọc LC đầu vào hệ truyền động điện Trên hệ thống truyền động điện đoàn tàu, sử dụng lọc đầu vào LC giúp nắn thẳng dòng điện chiều cung cấp cho nghịch lưu từ mạch tiếp xúc Đồng thời, lọc đầu vào giúp lọc sóng hài dịng từ hệ truyền động điện lên mạch tiếp xúc d Mơ hình mơ toa tàu nghiên cứu sóng hài phần mềm Matlab Mơ hình mạch điện động lực toa tàu động lực (hình 4) bao gồm mạch lọc đầu vào LC-filter (RL_f C_f), nghịch lưu cấu tạo từ van bán dẫn IGBT, khối “PWM Generator” điều khiển nghịch lưu theo nguyên tắc điều chế độ rộng xung (PWM) mơ hình động điện kéo mắc song song [1,2] Trong mơ hình mạch điện động lực toa tàu, moment tải động tương đường Mm = Tm 34 Hình 22 Sơ đồ mô mạch điện toa tàu động lực MATLAB 4.1.2 Mơ hình đồn tàu nghiên cứu sóng hài Trong nghiên cứu này, mơ hình đồn tàu cấu tạo từ toa tàu, toa tàu có động Vì vậy, mơ hình mơ đồn tàu tương đương có cấu tạo từ toa tàu, toa tàu trang bị động điện kéo (hình 23), moment tải tính tốn tác động lên động tương ứng với đoàn tàu gồm toa tàu chở khách + 750 V DC TOA TOA TOA - 750 V DC Hình 23 Mơ hình mơ tương đương đồn tàu phần mềm Matlab/Simulink 4.1.3 Mơ hình nguồn điện phía ngồi Sơ đồ điện thay nguồn điện phía ngồi trạm điện kéo nguồn điện xoay chiều pha đối xứng hình sin với điện trở điện cảm pha Khối nguồn cung cấp có cấu tạo gồm nguồn điện xoay chiều ba pha điện áp Uđm = 22 kV tổng trở tương đương mạng điện phía ngồi Điện kháng nguồn điện pha phía ngồi xác định theo cơng suất ngắn mạch hệ thống điện công suất cắt định mức máy cắt điểm đấu nối hệ thống điện đường sắt đô thị với hệ thống điện lực Hà Nội Trong tiêu chuẩn thiết kế tuyến đường 35 sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông quy định, công suất ngắn mạch pha mạng trung áp Hà Nội Sn = 400 MVA [2] Điện kháng tương đương nguồn điện phía ngồi: Xn  ZA AC EA ZB AC EB U 22d ng Sn(3) , rn  0, X n (49) ZC AC EC Hình 24 Sơ đồ thay mơ hình nguồn xoay chiều pha Matlab/Simulink 4.1.4 Mơ hình mơ trạm điện kéo nghiên cứu sóng hài Với mục đích nghiên cứu sóng hài bậc cao từ hệ thống cung cấp điện kéo đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội, xem xét trạm điện kéo A B sử dụng sơ đồ chỉnh lưu 12-xung Theo thiết kế kỹ thuật tuyến đường sắt đô thị này, trạm điện kéo A B có cấu tạo gồm tổ hợp biến đổi máy biến áp – chỉnh lưu Máy biến áp điện kéo máy biến áp pha cuộn dây, sơ đồ cuộn dây sơ cấp hình sao, sơ đồ cuộn dây thứ cấp hình tam giác, sơ đồ cuộn dây thứ cấp hình (góc lệch pha điện áp dây cuộn dây thứ cấp 30 độ) với điện áp dây 585 V Sơ đồ chỉnh lưu 12-xung xây dựng gồm sơ đồ cầu chỉnh lưu 6-xung nối song song với khơng có cuộn kháng cân chênh lệch dịng điện chúng Mơ hình chỉnh lưu 12-xung cấu tạo từ khối chỉnh lưu cầu pha diode mắc song song “Universal Bride” sử dụng diode có điện trở 0,01  trạng thái mở 106  trạng thái đóng (hình 25) Mơ hình máy biến áp xây dựng phần mềm Matlab/Simulink khối “Three-Phase Transformer (Three Winding)” Trong mơ hình điện trở điện cảm cuộn dây sơ cấp thứ cấp tính tốn theo thí nghiệm ngắn mạch Điện trở điện cảm nhánh từ hóa lõi thép tính tốn theo thí nghiệm khơng tải Điện trở rn, điện kháng Xn, tổng trở Zn điện cảm Ln cuộn dây máy biến áp tính tốn theo công thức: rn  Pn U p2 S2dm X u U , Z n  k p , X n  Z n2  rn2 , Ln  n 2 f 100 Sdm 36 (50) Hình 25 Mơ hình trạm điện kéo phần mềm Matlab/Simulink 4.1.5 Mơ hình mạch tiếp xúc Mạch tiếp xúc hệ thống cung cấp điện tàu điện ngầm có chiều dài 1957 m, cấu tạo từ ray tiếp xúc thứ đường ray chạy tàu loại Sơ đồ mạch tiếp xúc mơ hình mơ cấu tạo gồm điện trở Rnet điện cảm Lnet (hình 26) [3,4] Hình 26 Sơ đồ mạch điện thay phân đoạn mạch tiếp xúc 4.1.6 Mơ hình mơ phân đoạn hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị nghiên cứu sóng hài bậc cao Cách xác định theo lý thuyết trị số méo dạng sóng hài tổng hợp phức tạp Các số THD phụ thuộc vào nhiều thông số thành phần hệ thống Trong nghiên cứu [3,4] xây dựng mơ hình mơ q trình làm việc hệ thống tàu điện ngầm metro phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng sóng hài dịng điện kéo lên hệ thống tín hiệu hệ thống chạy tàu tự động ATO-ATP Trong nghiên cứu này, tác giả xây dựng mơ hình tổng qt hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị sử dụng để đánh giá xác độ nhiễm sóng hài điện áp lưới điện trung áp 22 kV sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink (hình 26) Mơ hình làm việc hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị bao gồm thành phần tương ứng với sơ đồ nguyên lý (hình 15), hệ thống điều khiển đo lường chế độ thời gian thực 37 Hình 26 Sơ đồ mơ hình mơ hệ thống cung cấp điện đường sắt đô thị 4.2 Kết nghiên cứu Mơ q trình làm việc hệ thống cung cấp điện tuyến đường sắt đô thị số NhổnGa Hà Nội phần mềm MATLAB sử dụng thuật toán “ode23tb” [9], khoảng miền thời gian thực ÷ giây, với bước mô không lớn 10-5 giây mức tốc độ 10, 20, 30, 40, 50, 60 km/h đoàn tàu Trong nghiên cứu này, giả thiết rằng, khoảng thời gian xem xét trình khởi động tăng tốc đồn tàu kết thúc, xác định dịng điện miền tần số nghiên cứu thời điểm mà đoàn tàu chuyển động với vận tốc xác lập Trong mơ hình nhờ có hệ thống đo lường, kết q trình mơ thu đồ thị điện áp TĐK, dòng điện kéo đồn tàu sử dụng thành phần sóng hài bậc cao điện áp lưới cung cấp điện trung áp 22 kV Kết thu sau mô đồ thị điện áp cần tiếp điện đồn tàu, dịng điện tiêu thụ đồn tàu, dịng điện xoay chiều hệ thống 22 kV, điện áp xoay chiều hệ thống 22 kV Kết thu thể hình 27, 28, 29, 30, 31 tương ứng thời điểm vận tốc đồn tàu 40 km/h Hình 27 Đồ thị điện áp chiều cần tiếp điện đồn tàu (V = 40 km/h) 38 Hình 28 Đồ thị điện áp chiều cần tiếp điện đồn tàu từ s÷4.08 s (V=40 km/h) Hình 29 Đồ thị dịng điện chiều cần tiếp điện đồn tàu từ s÷4.08 s (V=40 km/h) Hình 30 Đồ thị điện áp xoay chiều hệ thống 22 kV (V=40 km/h) 39 Hình 31 Đồ thị dòng điện xoay chiều hệ thống 22 kV (V=40 km/h) Sử dụng phép biến đổi “Fast Fourier transform (FFT analysis)” khối Powergui phần mềm Matlab, nhóm tác giả tiến hành phân tích thành phần sóng hài điện áp lưới điện trung áp 22 kV ứng với chu kỳ điện áp trích mẫu khoảng thời gian 4÷5 giây mơ dải tần từ 0÷2500 Hz (tương ứng sóng hài đến bậc 50) Hiển thị thành phần điện áp ứng với tần số bản, biểu đồ cột ứng với thành phần sóng hài theo tỉ lệ phần trăm với thành phần điện áp tần số Hình 32 Phân tích phổ điện áp lưới 22 kV FFT analysis (V=10 km/h) Hình 33 Phân tích phổ điện áp lưới 22 kV FFT analysis (V=20 km/h) 40 Hình 34 Phân tích phổ điện áp lưới 22 kV FFT analysis (V=30 km/h) Hình 35 Phân tích phổ điện áp lưới 22 kV FFT analysis (V=40 km/h) Hình 36 Phân tích phổ điện áp lưới 22 kV FFT analysis (V=50 km/h) Hình 37 Phân tích phổ điện áp lưới 22 kV FFT analysis (V=60 km/h) Đồng thời, kết mô đưa kết phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV ứng với tốc độ khác đồn tàu (hình 38 ÷ 43) 41 Hình 38 Phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV FFT analysis (V=10 km/h) Hình 39 Phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV FFT analysis (V=20 km/h) Hình 40 Phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV FFT analysis (V=30 km/h) Hình 41 Phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV FFT analysis (V=40 km/h) 42 Hình 42 Phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV FFT analysis (V=50 km/h) Hình 43 Phân tích phổ dịng điện lưới 22 kV FFT analysis (V=60 km/h) Kết mơ cho thấy rằng, sóng hài điện áp tạo hệ thống cung cấp điện kéo đạt giá trị lớn ứng với bậc 11 13 (bảng 6) Chỉ số đánh giá mức độ ảnh hưởng hệ thống cung cấp điện kéo đến lưới điện 22 kV có giá trị lớn THDU(%) = 0,35% Độ biến dạng thành phần sóng hài riêng lẻ tương ứng bậc sóng hài 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 trình bày bảng Chỉ số độ biến dạng sóng hài riêng lẻ lớn – 0,21% ứng với bậc 11 Độ biến dạng riêng lẻ bậc sóng hài cịn lại có giá trị nhỏ so với giá trị giới hạn tiêu chuẩn quy định nên q trình nghiên cứu bỏ qua Bảng Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THDU, dòng điện THDI lưới 22 kV Tốc độ đoàn tàu, km/h 10 20 30 40 50 60 THDU (%) 0.11 0.19 0.25 0.31 0.34 0.35 THDI (%) 12.12 11.55 10.89 10.18 9.7 9.8 Bảng Độ biến dạng riêng lẻ thành phần sóng hài tương ứng mức vận tốc đồn tàu Bậc sóng hài 11 13 23 25 35 37 47 49 IHD10 (%) 0,05 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 IHD20 (%) 0.09 0,09 0,07 0,07 0,04 0,04 0,02 0,02 IHD30 (%) 0,14 0,13 0,09 0,08 0,04 0,04 0,03 0,03 IHD40 (%) 0,19 0,17 0,1 0,09 0,05 0,05 0,04 0,04 IHD50 (%) 0,2 0,2 0,1 0,09 0,06 0,06 0,05 0,04 IHD60 (%) 0,21 0,19 0,1 0,09 0,05 0,05 0,05 0,04 43 Kết nghiên cứu mơ hình mơ cho thấy rằng, hệ thống cung cấp điện kéo tuyến đường sắt thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn - Ga Hà Nội sử dụng chỉnh lưu 12-xung có gây nên ảnh hưởng đến sóng hài lưới điện trung áp 22 kV phía ngồi Tuy nhiên, tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THDU (%), độ biến dạng thành phần sóng hài riêng lẻ IHDU (%) xét đến bậc 50 nhỏ giá trị giới hạn theo quy định hệ thống điện lực Việt Nam Mơ hình mơ q trình làm việc hệ thống cung cấp điện đồn tàu đường sắt thị giúp xác định đầy đủ yếu tố ảnh hưởng đến thành phần sóng hài điện áp lưới điện trung áp 22 kV phía ngồi Mơ hình hệ thống giúp xác định giá trị phổ thành phần sóng hài điện áp Theo kết mơ phỏng, hệ thống cung cấp điện đường sắt thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn - Ga Hà Nội sử dụng sơ đồ chỉnh lưu 12-xung làm xuất lưới điện trung áp phía ngồi 22 kV thành phần sóng hài bậc 11, 13, 23, 25,….Giá trị thành phần sóng hài có giá trị nằm dải cho phép theo quy định hệ thống điện lực Việt Nam 4.3 Hướng phát triển Trong tương lai gần, Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh phát triển loại hình đường sắt đô thị để giảm tải ùn tắc giao thông Hiện tại, nước tài liệu hệ thống tượng xảy vận hành tuyến đường sắt đô thị Tài liệu nghiên cứu tác giả mong muốn giúp phần nhỏ đóng góp làm tài liệu tham chiếu học giả nghiên cứu vấn đề nhiễm sóng hài hệ thống điện tuyến đường sắt đô thị ảnh hưởng đến lưới điện trung áp 22 kV phía ngồi Mơ hình mơ hệ thống cung cấp điện tuyến đường sắt thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn – Ga Hà Nội sử dụng giai đoạn thiết kế tuyến đường sắt thị khác Việt Nam với mục đích dự báo số ảnh hưởng sóng hài gây thiết bị điện biến đổi phi tuyến ảnh hưởng lên lưới điện trung áp Đồng thời, giai đoạn vận hành tuyến đường sắt đô thị tương lai, phương pháp mô kết hợp với phương pháp đo thực nghiệm xác định nhanh, xác thành phần thiết bị điện làm việc phi tuyến hệ thống có đặc tính thay đổi làm tăng số tổng độ biến dạng sóng hài THDU lên lưới điện trung áp 22 kV Từ đó, nhà quản lý đưa giải pháp kỹ thuật để làm giảm độ nhiễm sóng hài hệ thống cung cấp điện kéo, giúp tối ưu hóa sử dụng thiết bị, tiết kiệm lượng giảm mức độ hao mòn thiết bị điện Trong giới hạn nghiên cứu, tác giả xác định mức độ nhiễm sóng hài hệ thống cung cấp điện kéo ảnh hưởng lên lưới trung áp 22 kV chế độ làm việc động điện kéo mức vận tốc xác lập Vì vậy, hướng nghiên cứu nghiên cứu hồn thiện xây dựng mơ hình mơ hệ thống cung cấp điện tàu điện đô thị chế độ chuyển động đoàn tàu việc đánh giá mức độ nhiễm sóng hài điện áp dịng điện 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo thiết kế sở tuyến đường sắt thị thí điểm TPHN đoạn Nhổn-Ga Hà Nội Số tài liệu PIC-TRE-DOO-L00-00015-3A Dự án thiết kế xây dựng tuyến đường sắt đô thị Hà Nội – Cát Linh – Hà Đông, Phần Hệ thống thiết bị, Quyển - Hệ thống cấp điện, Tập Khái quát thiết kế hệ thống 2012 Đặng Việt Phúc Đánh giá thành phần sóng hài mơ hình mơ mạch điện động lực toa tàu điện ngầm Tạp chí Đại học Giao thông Vận tải, Số 49-2015, Tr – 13 Đặng Việt Phúc, Nguyễn Thanh Hải, Shevlyugin Maxim Valerievich Phân tích sóng hài dịng điện kéo hệ thống cung cấp điện tàu điện ngầm Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa, Số 20, 12/2017, Tr 60-66 QCVN: 2015 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia kỹ thuật điện Phần Hệ thống lưới điện Trần Đình Long cộng Sách tra cứu chất lượng điện Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2013 Thông tư quy định hệ thống điện phân phối số 39/2015/TT-BCT, Bộ Công thương, 18/11/2015 M.A.L Badr, S.I Mohamed, M.A Abdel Rahman Active filter application for metro A.C substation 23rd International conference on electricity distribution, Lyon, 2015 IEC61000-4-7, Electromagnetic compatibility (EMC), Part 4: Limits, Section 7: General guide on harmonics and inter-harmonics measurements and instrumentation for power supply systems and equipment connected thereto, 2010 10 Y.S Tzeng Harmonic analysis of parallel-connected 12-pulse uncontrolled rectifier with-out interphase transformer Electric Power Applications, IEEE Proceedings, 1998, Vol.145, № 3, pp.253-260 11 Han Aoyang, Yu Litao, Wang Li, Jia Xu Research on the influence of Urban Metro traction power supply system on power grid harmonics 2017 First International Conference on Electronics Instrumentation & Information Systems (EIIS), IEEE, 2017 12 Бадёр Михаил Петрович Электромагнитная совместимость тягового электроснабжения с линиями связи, устройствами железнодорожной автоматики и питающими электросетями Диссертация доктора техническихнаук, МИИТ, 1999, 495 с 13 Б.С Барковский и др Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций, МИИТ, 1990, 127 с 14 И.В Черных Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008, 288 с 15 Н.А Ротанов и др Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями М.: Транспорт, 1991 45