Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM: Giới thiệu các loại giao thông điện, vấn đề phân cấp điều khiển trong hệ thống tàu điện; phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các nhà Khoa học trong và ngoài nước liên quan đến sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu thông qua các nhóm giải pháp. Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. MÔ HÌNH HÓA ĐOÀN TÀU VÀ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ: Trình bày về mô hình hóa đoàn tàu, phân tích các lực tác động lên đoàn tàu, xây dựng phương trình chuyển động của động cơ điện kéo và của đoàn tàu; mô hình hóa siêu tụ và bộ biến đổi DC-DC Interleave từ đó làm cơ sở xây dựng các phương án điều khiển tối ưu năng lượng vận hành đoàn tàu có siêu tụ trong chương 3.
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG VẬN HÀNH ĐOÀN TÀU CÓ SIÊU TỤ: Trình bày hai giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng vận hành đoàn tàu: Giải pháp thứ nhất đặt bộ tích trữ năng lượng siêu tụ trên tàu để thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm; giải pháp thứ hai: áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin với đoàn tàu có SCESS, tìm được profile tốc độ tối ưu vận hành đoàn tàu làm cơ sở để đánh giá năng lượng cho toàn tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM: Thể hiện những kết quả kiểm chứng cho các cấu trúc điều khiển, các giải pháp tối ưu năng lượng đã đề xuất. Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink/SimPower Systems và mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh khả năng làm việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo.
TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG HÃM Giao thông điện phát triển mạnh mẽ ở các nước trên thế giới vì những ưu điểm nổi bật của loại hình giao thông này so với các phương tiện giao thông khác [63,78]. Tuy nhiên tổng năng lượng tiêu thụ của hệ thống tàu điện là rất lớn [69,70], việc đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng là cần thiết. Theo [19,20,21,22,23] chỉ ra sự kết hợp của các dạng nguồn năng lượng khác nhau với nguồn lưới, và xây dựng các chiến lược điều khiển cho hệ thống tàu điện nhằm đạt được mục tiêu không những giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của đoàn tàu, mà còn đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Nội dung chương này trình bày tổng quan về cấu trúc hệ thống, những xu hướng nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng vận hành tàu điện trong và ngoài nước.
Từ đó tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ cần giải quyết trong luận án này. Các loại hình giao thông điện Căn cứ vào hình thức cấp điện mà giao thông điện có thể phân thành: loại lấy điện từ mạng tiếp xúc và loại tự hành. Giao thông điện tự hành: Điện năng cần thiết cho việc vận chuyển được sản sinh bởi máy phát điện đặt trên đầu máy diezen hoặc từ pin, ăc qui, năng lượng tái tạo… Ví dụ: ôtô điện, xe đạp điện, xe điện. sử dụng năng lượng mặt trời.
Giao thông điện tiếp xúc: Là loại phát triển và phổ biến nhất, năng lượng nhận qua mạng tiếp xúc. Tùy thuộc vào hệ thống cấp điện tiếp xúc, cấp điện áp, tốc độ chạy tàu trung bình, tốc độ chạy tàu lớn nhất, khoảng cách vận chuyển. mà giao thông điện tiếp xúc chia thành: giao thông điện đường sắt chính tuyến (đường sắt quốc gia và khu vực) và giao thông điện thành phố (đô thị). Việc phân ra các loại hình giao thông điện tương ứng với cấp điện áp và tốc độ đoàn tàu được trình bày chi tiết trong Hình 1.
9 Hình thức cấp điện Giao thông điện Giao thông điện tự tiếp xúc hành Giao thông điện đường sắt Giao thông điện Ôtô điện, xe đạp Quốc gia và khu vực đô thị điện, đầu máy diezen Đầu máy kéo toa Metro, tàu điện Đoàn tàu chạy điện chở khách, chở bánh sắt, xe điện (động cơ được gắn Đường sắt cao tốc - hàng (chỉ đầu máy bánh hơi, tàu điện trên các toa) có động cơ) một ray Cấp điện áp: Cấp điện áp: Cấp điện áp: Cấp điện áp: 25kVAC (50,60 25kVAC (50,60 3KVAC, 25kV 550-750VDC; Hz); Hz); AC(50,60Hz) 1.5kVDC 11-15kVAC(16 2/ 11-15kVAC(16 2/ Vận tốc : 120- Vận tốc: 40- 3Hz) 3Hz) 130km/h 100km/h Vận tốc : 200km/h Hình 1. Phân loại giao thông điện [24] 1. Giao thông điện đường sắt Quốc gia Giao thông điện đường sắt quốc gia bao gồm 3 loại: Đầu máy điện kéo các toa tàu chở khách, chở hàng hóa: Động cơ điện được gắn trên đầu máy kéo. Cấp điện áp sử dụng cho đoàn tàu thường là xoay chiều 1 pha 25 kV, tần số công nghiệp 50 Hz (hoặc 60 Hz) hoặc 11-15 kV tần số thấp 16,66 Hz.
Đầu máy kéo theo các toa chở khách có vận tốc 150, 160 km/h và có thể đạt hơn 200 km/h. Đoàn tàu chạy điện: Các toa tàu có gắn động cơ nối với nhau và nối với các toa không có động cơ được sử dụng chạy ở ngoại ô hoặc khu vực. Các đoàn tàu chạy điện cho phép lập từ 4, 6, 8, 11 toa phụ thuộc vào lưu lượng hành khách. Tốc độ đoàn tàu chạy ở ngoại ô có thể đạt tới 120-130 km/h.
Các đoàn tàu chạy khu vực có thể đạt đến 250km/h. Hệ thống cung cấp điện 1 chiều 1,5 kV hay 3 kV hoặc xoay chiều 25 kV tần số công nghiệp. Đường sắt tốc độ cao: Cho phép các đoàn tàu chạy với vận tốc lớn hơn 200 km/h như tuyến đường sắt cao tốc ở Nhật năm 1964. Đến năm 2001 có 15 nước trên thế giới đã khai thác hơn 500 km đường sắt tốc độ cao.
Giao thông điện đô thị Giao thông điện đô thị bao gồm: Tàu điện ngầm metro, tàu điện bánh sắt và xe điện bánh hơi, tàu điện một ray… Tàu điện bánh sắt: là loại giao thông điện thành phố trên ray với sức kéo điện lấy từ mạng lưới tiếp xúc. Mạng tiếp xúc và đường ray tạo mạch kín cho hệ thống cung cấp điện. Hệ thống cung cấp điện với điện áp định mức trên lưới tiếp xúc là 550V và 750V (Nga 550V, Pháp 750V), công suất động cơ điện kéo (ĐCĐK) từ 45-80 kW. Những năm gần đây sử dụng động cơ điện kéo (ĐCĐK) xoay chiều.
Xe điện bánh hơi: là loại giao thông điện thành phố không ray. Mạng tiếp xúc gồm hai đường dây: đường dây cung cấp điện - dây dương và đường dây hồi lưu - dây âm. Điện áp một chiều định mức trên lưới tiếp xúc là 550V. Tàu điện ngầm: Xuất hiện từ năm 1863 tại Anh sau đó được áp dụng tại Pháp, Mỹ, Nga do tính tiện dụng của nó.
Tàu điện ngầm là loại hình vận tải công cộng tiện nghi và hiện đại. Giao thông điện trên ray đi theo đường riêng có thể đi trên mặt đất hoặc dưới ngầm. Đặc điểm của tàu điện ngầm là khối lượng vận chuyển hành khách lớn, tốc độ điều khiển cao. Hệ thống cung cấp điện một chiều có thể cung cấp điện theo lưới tiếp xúc trên cao: với cấp điện áp 1,5kV, hoặc ray thứ ba (với cấp điện áp 600, 750VDC).
Ở Việt nam một số tuyến đường sắt đô thị đang được xây dựng, nên trong luận án tác giả tập trung nghiên cứu về loại hình giao thông điện đô thị, với phương tiện vận chuyển là tàu điện ngầm. Cấu trúc chung hệ thống cung cấp điện giao thông điện đô thị Hệ thống cung cấp điện giao thông điện đô thị nói chung được lấy nguồn từ lưới điện trung thế của thành phố từ các trạm biến áp trung gian cấp điện áp có thể là 6, 10, 22, 35, 110kV. Sau đó, đường dây này sẽ được đưa tới các trạm biến áp điện kéo để hạ áp - biến đổi phù hợp với điện áp sử dụng, trong đô thị thường sử dụng điện áp 1 chiều cung cấp cho phương tiện chạy điện là 600 VDC, 750VDC, 1500VDC. TBA 110kV/22kV TBA 110kV/22kV Thành Công Văn Quán Depot Depot Trạm điện kéo Trạm điện kéo 2 Trạm điện kéo 4 Trạm điện kéo 5 Trạm điện kéo 6 Trạm điện kéo 3 1 Ga Láng Bến xe Hà Đông Ga La Khê Ga Bến xe Hà Vành Đai 3 11 Ga Cát Linh Đông mới Dây cung cấp + 825 V + 825 V + 825 V + 825 V + 825 V + 825 V dây hồi dây tiếp xúc lưu chiều chiều đi đi Đoàn tàu Ray Hình 1.
Sơ đồ hệ thống cung cấp điện cho giao thông điện tại Hà Nội 12 Trạm điện Trạm điện AC 22KV kéo A kéo B Máy biến áp Chỉnh lưu điôt + Thanh cái DC DC 750V ‐ Feeder Đường hồi lưu Hình 1. Cấu trúc hệ thống cấp điện hai phía [24] Hình 1.4 chỉ ra hệ thống cung cấp điện cho giao thông điện gồm có: Hệ thống cung cấp điện phía ngoài: nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây truyền tải cao áp 3 pha. Hệ thống cung cấp điện kéo và trạm điện kéo: Trạm điện kéo, dây cung cấp, dây hồi lưu, mạng tiếp xúc, đầu máy điện, ray. Trong các trạm điện kéo, điện năng được biến đổi thành cấp điện áp và dòng điện phù hợp với động cơ điện kéo trên các phương tiện giao thông điện.
Sau đó dòng điện theo hệ thống mạng tiếp xúc (dây tiếp xúc trên cao hoặc ray thứ 3) cung cấp đến cho động cơ điện kéo thông qua cần tiếp điện. Động cơ điện kéo biến đổi điện năng thành cơ năng, qua hộp giảm tốc truyền chuyển động làm quay các bánh xe. Tiêu chuẩn cấp điện 1. Điện cung cấp cho sức kéo EN 50163 và IEC 60850 Điện áp cung cấp cho sức kéo theo tiêu chuẩn EN 50163 và IEC 60850 [29,30,43] Bảng 1.