Luận án Về một giải pháp điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hãm của tàu điện đường sắt đô thị Việt Nam

F v u u F v F v = = , và [0,1], [0,1] tr br u uÎ Î ; ax ( ) ( ) / tr trm f v F v me= ftr(v)[N/kN]- Lực kéo đơn vị Ftrmax(v) - Lực kéo lớn nhất của đoàn tàu ( ) ( ) / br brmax f v F v me= fbr(v) [N/kN]- Lực hãm điện đơn vị Fbrmax(v)- Lực hãm điện lớn nhất của đoàn tàu fmb(v) [N/kN] - Lực hãm đơn vị bằng phanh cơ 0 0( ) W ( )/w v v me= W0(v) - Lực cản chính của đoàn tàu w0(v) [N/kN] - Lực cản chính đơn vị của đoàn tàu Fgrad(x)- Lực cản độ dốc của đoàn tàu fgrad(x) [N/kN] - Lực cản độ dốc đơn vị (1 ) xe g= + Hệ số chuyển đơn vị tính với các đại lượng không phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế. Đường đặc tính lực kéo tr F và lực hãm br F được cung cấp bởi nhà sản xuất đoàn tàu, lực cản chính đơn vị (còn gọi là lực cản cơ bản đơn vị) được biểu diễn theo phương trình David: 2 0 w a bv cv= + + (2.8) Với hệ số a,b,c do nhà sản xuất cung cấp. 2.1.4.3. Phương trình chuyển động của động cơ ; r el L m eq d T T J J J J dt w- = = + (2.9) Trong đó: Tel [Nm] Mô men điện từ TL [Nm] Mô men tải ( ) ( )/ grad grad f x F x m  50 Jm [kgm2] Mô men quán tính của động cơ Jeq [kgm2] Mô men quán tính của đoàn tàu được qui về trục động cơ. Mô men quán tính của đoàn tàu được tính [59]: 2 1 4 wh eq Dm J N t æ ö÷ç ÷= ç ÷ç ÷çè ø (2.10) Trong đó: m [t] Khối lượng đoàn tàu DWh [m] Đường kính bánh xe N Số lượng động cơ t Tỷ số truyền. Xét chế độ vận hành của tàu điện: Trong chế độ kéo thì động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ; trong chế độ hãm thì động cơ kéo làm việc ở chế độ máy phát trả năng lượng về nguồn. Do vậy, momen tải được tính trong cả hai chế độ làm việc. Mô men tải khi động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ [59] W or 2 tr h L m tr m mech F D T K Fth h= = (2.11) với: W or 2 h m m mech D K th h= Khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát, mô men tải được tính theo công thức [59]: W 2 br h gen L G br mech F D T K F h th= = (2.12) với: W 2 h gen G mech D K h th= orm h Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ gen h Hiệu suất của động cơ kéo làm việc ở chế độ máy phát mech h Hiệu suất của hộp số. 51 2.2 Mô hình hóa thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ 2.2.1. Giới thiệu một số thiết bị tích trữ năng lượng Hiện nay những nghiên cứu và ứng dụng thiết bị tích trữ năng lượng vào thực tế sản xuất đang là chủ đề thu hút sự quan tâm của các nhà Khoa học do những ưu điểm của thiết bị này không chỉ hỗ trợ hỗ trợ tiết kiệm điện năng, mà còn nâng cao chất lượng vận hành lưới điện. Những đóng góp của thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống: san phẳng công suất đỉnh (Peak-shaving), cân bằng tải (Load-leveling) do việc phân phối tải không đều trên lưới điện vào các thời điểm khác nhau trong ngày, giảm chi phí nâng cấp lưới điện khi nhu cầu sử dụng năng lượng tăng lên. Trong vận tải đường sắt đô thị: xét đến mật độ chạy tàu, các chế độ vận hành của đoàn tàu đòi hỏi năng lượng lớn nhất cần cấp trong chế độ kéo và lặp đi lặp lại của một hoặc nhiều đoàn tàu, gây công suất đỉnh làm tăng dòng điện trên lưới, gây sụt áp trên lưới; với chế độ hãm năng lượng hãm tái sinh bị đẩy lên lưới gây tăng áp trên lưới và năng lượng dư thừa này thường bị đốt trên điện trở hãm gây lãng phí năng lượng. Do vậy, tăng khả năng thu hồi năng lượng hãm tái sinh bằng ESS có thể được coi là một giải pháp tiết kiệm năng lượng, giảm công suất đỉnh, giảm dao động điện áp trên bus DC, cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của thiết bị chấp hành trong các hệ thống đường sắt đô thị. Các thiết bị tích trữ năng lượng có thể phân loại thành dạng: cơ, điện, hóa, sinh, nhiệt [42]. Đặc biệt, tích trữ năng lượng điện được xem như quá trình chuyển đổi năng lượng điện từ lưới điện thành dạng năng lượng được dự trữ, sau đó lại biến đổi thành điện năng khi cần thiết. Bộ tích trữ năng lượng hấp thụ năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo như: Năng lượng gió, mặt trời, năng lượng hãm tái sinh của tàu điện... hoặc xả năng lượng hỗ trợ cho nguồn qua các bộ biến đổi để cấp cho phụ tải tiêu thụ điện như chỉ ra trong Hình 2.17. 52 2 1 3 4 Nguồn NL tái tạo Bộ biến đổi Bộ tích trữ năng lượng ESS Phụ tải Nạp Xả Hình 2.17. Cấu hình điển hình của hệ thống tích trữ năng lượng Trong các thiết bị dự trữ năng lượng, có ba loại thiết bị tích trữ năng lượng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông: Ắc quy, bánh đà, siêu tụ do có những đặc điểm sau [33,61,80]:  Mật độ năng lượng cao, hoặc  Mật độ công suất cao, và  Số chu kỳ nạp/xả nhiều Ni‐Cd Lead‐acid 36s 360s 1h 10h SMES Supercapacitors Flywheel Li-based Ni-MH Mật độ công suất (W/kg) M ật độ n ăn g lượ ng ( W h/ kg ) 110 210 310 410 110 110 210 310 010 NaS Metal-Air 3.6s 0.36s Hình 2.18. Đặc tính Ragone của các thiết bị dự trữ năng lượng 53 SMES Supercapacitors Flywheel Li-based Ni-MH 60-300 s Tàu điện vận tải nặng, đầu máy diezen 20-60 s Tàu điện đường dài 4-20 s Metro và tàu điện vận tải nhẹ M ật độ n ăn g lượ ng (W h/ kg ) 310 410 110 110 210 310 010 NaS Metal-Air 210110 Mật độ công suất (W/kg) Hình 2.19. Đặc tính Ragone phân bố thời gian các thiết bị lưu trữ năng lượng/giải phóng năng lượng Đặc tính ragone về mật độ công suất, mật độ năng lượng Hình 2.18 và Hình 2.19 chỉ ra: Ắc quy: Có mật độ năng lượng cao nhất, nhưng mật độ công suất thấp dẫn đến thời gian nạp/xả lâu hơn so với bánh đà và siêu tụ. Bánh đà: Có mật độ công suất và năng lượng đều cao so với ắc qui và siêu tụ, nhưng không phù hợp lắp đặt trên đoàn tàu hay xe điện do cồng kềnh và khối lượng nặng hơn so với ắc quy và siêu tụ. Siêu tụ: Có các ưu điểm nổi bật.  Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad);  Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh (tính bằng giây) với công suất lớn;  Mật độ công suất lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui;  Hiệu năng cao, tần số xả/nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường. Yêu cầu đặt ra với các thiết bị tích trữ năng lượng được ứng dụng cho đối tượng tàu điện đô thị: thu hồi năng lượng hãm tái sinh khi tàu vận hành ở chế độ hãm, thời gian nạp/xả nhanh do tần suất chạy tàu, khoảng cách giữu các ga ngắn, mật độ công suất cao vì thời gian gia tốc và hãm của tàu điện chỉ tính bằng giây. Từ những đặc điểm của siêu tụ đã phân tích ở trên: khả năng lưu trữ lớn, thời gian nạp xả nhanh, mật độ công suất cao, việc lựa chọn siêu tụ là bộ tích trữ năng lượng của tàu điện đô thị là thích hợp nhất. 54 2.2.2. Cấu trúc thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ Năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm của các hệ thống tàu điện trước đây thường bị đốt trên điện trở hãm gây lãng phí năng lượng điện, phát nhiệt, gây ô nhiễm môi trường. Do vậy, tác giả đã đề xuất cấu trúc bộ tích trữ năng lượng siêu tụ đặt trên tàu được tích hợp vào hệ truyền động sức kéo theo phương án bù phân tán (điều khiển độc lập từng đoàn tàu) trong Hình 2.20. SCESS có khả năng trao đổi công suất hai chiều với hệ truyền động thông qua bộ biến đổi DC- DC Interleave. Khi tàu điện vận hành trong chế độ kéo siêu tụ sẽ xả năng lượng cấp cho hệ truyền động điện kéo và khi tàu điện vận hành trong chế độ hãm, năng lượng dư thừa sẽ đươc nạp vào siêu tụ. IM TL Froll Fgrad FRK Các lực cản Trạm điện kéo NL nguồn áp RD Hãm điện trở RU- iL* iL RI- PWM Động cơ kéo Trạm điện kéo A Trạm điện kéo B Hệ truyền động sức kéo Pnguồn cấp Bánh tàu PSC uDC-link m,vw ,mT v AC DCN gu ồn Đi ện AC DC DC DC Siêu tụ esr Csc RSC usc DC-DC Interleave UDC-link u*DC-link Hình 2.20. Cấu trúc SCESS được tích hợp với hệ truyền động sức kéo thông qua bộ biến đổi DC-DC Interleave Tuy nhiên, siêu tụ đặt trên tàu có nhược điểm: hạn chế về không gian lắp đặt, khối lượng không được quá lớn. Theo tài liệu [69] chỉ ra: với các hệ thống tàu điện đã vận hành có siêu tụ đặt trên tàu thì khối lượng chiếm 2-3% tổng khối lượng đoàn tàu. Do đó, trong phần tiếp theo dung lượng, khối lượng siêu tụ sẽ được tính toán chi tiết. 55 2.2.3 Tính toán dung lượng siêu tụ Quá trình tính toán chọn thông số siêu tụ được tham khảo trong tài liệu [32]. Khi siêu tụ tích lũy năng lượng, điện áp trên tụ tăng dần đến giá trị tối đa là maxsc U - . Khi siêu tụ giải phóng năng lượng, điện áp trên tụ giảm dần đến giá trị tối thiểu là minsc U - Usc-max được lựa chọn dựa vào điện áp trên bus DC là UDC-link [32] max 90% SC DC link U U- -= (2.13) Với UDC-link = 750V tính được Usc-max = 675V Năng lượng của siêu tụ được tính theo công thức [32]: 21 2 SC SC E C U= (2.14) Với giả thiết điện dung siêu tụ là hằng số, khi điện áp giảm thì năng lượng trên siêu tụ cũng giảm và ngược lại. Do đó, trong quá trình trao đổi năng lượng, giá trị điện áp tối thiểu Usc-min cần được lựa chọn sao cho siêu tụ không xả kiệt năng lượng và cần phù hợp với khả năng làm việc của bộ biến đổi công suất. Theo [31], thường lấy Usc-min bằng khoảng 40-50% giá trị maxsc U - . Chọn: min max 1 2SC SC U U- -= (2.15) Với sự lựa chọn như (2.15), trong quá trình xả, năng lượng còn lại là 25% khi điện áp giảm xuống đến giá trị min max 0,5 sc sc U U- -= . Nếu lựa chọn minscU - thấp hơn nữa thì có thể huy động sâu hơn năng lượng của siêu tụ nhưng lúc đó hiệu suất của quá trình trao đổi năng lượng bị suy giảm nhiều phụ thuộc vào khả năng tăng áp của bộ biến đổi DC-DC. Nếu hệ số tăng áp lên cao thì đi-ốt phải truyền tải năng lượng nhiều hơn cho tụ C trong một khoảng thời gian càng ngắn sẽ làm giảm hiệu suất. Nếu lựa chọn maxsc U - gần sát với DC linkU - quá sẽ dẫn tới các van phải truyền tải năng lượng cực nhanh tới cuộn cảm, điều này cũng làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi. Khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau. Do đó ở chế độ trung gian (sẵn sàng nạp hoặc xả) siêu tụ sẽ phải làm việc ở một điện áp: min maxsc sc inM sc U U U- - -£ £ (2.16) 56 Cách xác định Usc-inM như sau [32]: t0 USCmax USCinM USCmin t1 t2 t3 Chờ Nạp Xả ChờChờ PSC USC t t Hình 2.21. Quá trình nạp và xả khi hệ truyền động trong chế độ hãm và kéo Để tích lũy năng lượng thì quá trình nạp xảy ra, điện áp trên tụ sẽ tăng đến Usc-max, Hình 2.21 mô tả siêu tụ được nạp khi hệ truyền động ở chế độ hãm. Điện áp siêu tụ được nạp đến giá trị điện áp trung gian UscinM. Tại thời gian t0, hệ truyền động vận hành ở chế độ hãm và siêu tụ bắt đầu nạp. Điện áp Usc tăng đến điện áp Usc-max. Tại thời gian t1 quá trình hãm kết thúc. Siêu tụ giữ ở trạng thái chờ, điện áp không đổi. Ngay khi động cơ làm việc ở chế độ kéo, tại thời gian t2, siêu tụ xả đến giá trị điện áp trung gian UscinM. Ngay khi điện áp đạt đến giá trị trung gian UscinM, tại khoảng thời gian t3, quá trình xả kết thúc và siêu tụ lại ở trạng thái chờ, đợi quá trình hãm tiếp theo. Giả thiết bỏ qua sự thay đổi điện dung của siêu tụ theo các yếu tố như điện áp, nhiệt độ (coi điện dung siêu tụ là không đổi) năng lượng nạp được tính: 2 2 arg max 1 ( ) 2ch e sc sc inM E C U U- -= - (2.17) Tương tự như vậy, điện áp trên tụ sẽ giảm đến UscinM, năng lượng xả được tính: 2 2 arg min 1 ( ) 2disch e sc inM sc E C U U- -= - (2.18) Để khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau thì điện áp sẵn sàng làm việc của siêu tụ được tính như sau: 2 2 2 2 max min 1 1 ( ) ( ) 2 2sc sc inM sc inM sc C U U C U U- - - -- = - (2.19) 57 2 2 2 2 max min max max max 1 1 1 5 ( ) ( ) 2 2 2 8sc inM sc sc sc sc sc U U U U U U- - - - - - æ ö÷ç ÷= + = + =ç ÷ç ÷çè ø (2.20) Kết quả tính toán chi tiết dung lượng siêu tụ được trình bày trong phụ lục. Bảng 2.5. Tính toán bộ tích trữ năng lượng siêu tụ Siêu tụ Maxwell BMOD0063 P125 Giá trị Khối lượng siêu tụ đặt trên tàu 7,3 tấn Số modun siêu tụ sc N 120 Số modun siêu tụ mắc nối tiếp ( s N ) 6 Số modun mắc song song ( ) p N 20 Điện dung siêu tụ ( sc C ) 210 (F) Năng lượng lưu trữ trong siêu tụ ( maxsc E - ) 12,25kWh So với khối lượng đoàn tàu 247,6 tấn, khối lượng siêu tụ chiếm 3%. 2.2.4. Mô hình hóa kho điện siêu tụ Siêu tụ là một đối tượng phức tạp, việc xác định mô hình siêu tụ phải dựa trên các đặc tính vật lý sau:  Đặc điểm điện hóa của hai lớp vật liệu được mô tả bằng một mạch RC. Thành phần điện trở R phụ thuộc vào trở kháng của vật liệu làm điện cực, chất điện môi, lớp tiếp xúc.  Theo lý thuyết về lớp điện thế của tụ hai lớp thì thành phần C thay đổi theo điện áp đặt vào hai cực của tụ.  Sự tồn tại của hiện tượng tự xả năng lượng. Việc mô hình siêu tụ được chia thành hai nhóm: Mô hình mạch điện tương đương và mô hình điện hóa.  Mô hình điện hóa: cho phép mô tả chính xác bản chất siêu tụ với các hiện tượng vật lý xảy ra bên trong nó. Tuy nhiên, tham số cần thiết để mô hình hóa do nhà sản xuất nắm giữ công nghệ chế tạo. Loại mô hình điện hóa không phù hợp cho mục tiêu thiết kế điều khiển nên không được đề cập trong luận án. 58  Mô hình mạch điện tương đương: Siêu tụ được thay thế bằng mạch điện gồm nhiều nhánh mắc song song [32]. Đối với mô hình nhiều nhánh RC: Các nhánh đặc trưng cho những hằng số thời gian từ nhỏ đến lớn. Với mô hình ba nhánh RC, động học siêu tụ được mô tả đủ chính xác với hằng số thời gian lên đến phút. Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng siêu tụ ứng dụng cho tàu điện đô thị với thời gian nạp/xả tính bằng giây nên việc mô tả siêu tụ với mô hình ba nhánh RC là không cần thiết. Do đó, mô hình bậc hai (hai nhánh RC) trong Hình 2.22 mang đầy đủ những thành phần phản ánh đặc điểm của siêu tụ. vsc iP R P Ii C i Ci0 Ci1 V i Id R i Rd C d iL Ii Ci Ci0 Ci1 Ri a) b) Hình 2.22. Mô hình của siêu tụ Hai nhánh RC cung cấp hai hằng số thời gian để mô tả quá trình nhanh và chậm trong Hình 2.22a:  Nhánh RiCi là nhánh đặc trưng cho động học mang tính tức thời của siêu tụ với hằng số thời gian cỡ giây, nó mô tả sự thay đổi của năng lượng trong quá trình nạp/xả của siêu tụ.  Nhánh RdCd được gọi là nhánh chậm với hằng số thời gian cỡ phút, nó mô tả quá trình năng lượng ở cuối chu trình nạp/xả. Tụ điện Ci được mô tả bởi hai thành phần Ci0 (hằng số) và Ci1 (thay đổi theo điện áp đặt vào). Điện trở Ri là điện trở tương đương của siêu tụ. Điện trở Rp đặc trưng cho hiện tượng tự xả. Điện trở Rp chỉ ảnh hưởng đến đáp ứng mang tính chất lâu dài của siêu tụ do hiện tượng dòng rò. Tàu điện đô thị với thời gian vận hành trong chế độ kéo, hãm tính bằng giây thì chế độ nạp - xả của siêu tụ phải phù hợp với đặc tính làm việc của đoàn tàu nên lúc này ta có thể bỏ qua nhánh RdCd (có hằng số thời gian cỡ phút) và 59 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 ui theo quan hệ: 0 1 0 ( ) . i i i i i v i C u C C C k u= + = + (2.21) Gọi Ci=Csc, ui=usc, Ri=rsc Mô hình toán học của siêu tụ được biểu diễn như sau: ,max ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (0) (0) ( ) ( ) ( ) sc sc sc sc sc sc sc sc sc sc SC sc sc du t i t C u dt u t r i t u u U p t u t i t ìïï =ïïïïï = +íïï =ïïï =ïïî (2.22) 2.2.5. Mô hình hóa bộ biến đổi hai chiều DC-DC Interleave Phân loại các bộ biến đổi DC-DC cho dòng năng lượng chảy hai chiều: Bộ biến đổi DC-DC Bộ biến đổi DC-DC không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk Bộ biến đổi DC-DC cách ly: Flyback. Forward, Half-Bridge, Full bridge Hình 2.23. Phân loại các bộ biến đổi DC-DC hai chiều [3] a. Các bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly Các bộ biến đổi hai chiều cách ly: Flyback, Forward, Half-Bridge, Full Bridge sử dụng máy biến áp để cách ly giữu nguồn và tải nên gây tổn thất trên máy biến áp, các bộ biến đổi này thường có công suất nhỏ vài trăm W đến vài kW. b. Các bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly Các bộ biến đổi hai chiều không cách ly: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk không bị tổn thất năng lượng do không sử dụng máy biến áp cách ly, giảm khối lượng so với các bộ biến đổi cách ly. 60 Đặc biệt, những ứng dụng cho đường sắt cần giảm thiểu khối lượng thiết bị đặt trên tàu, nên bộ biến đổi được chọn là loại không cách ly. Do nguồn cấp, và hệ truyền động sức kéo sử dụng điện áp cao, công suất lớn, nên đòi hỏi bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly gồm nhiều nhánh song song (còn gọi là bộ biến đổi DC-DC Interleave) có ưu điểm giảm dòng điện chảy qua các van, và giảm độ đập mạch của dòng điện tổng [47,79]. 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 theo đặc tính chạy tàu thông qua bộ biến đổi DC-DC Interleave. SBK1 SBS1 SBK2 SBS2 DBS2 DBK2 SBK3 SBS3 DBS3 DBK3DBK1 DBS1 CDC UDC-link RL1,L1 RL2,L2 RL3,L3 usc iL Chỉnh Lưu NLNA Động Cơ Bánh Xe Hộp Số IM Siêu Tụ Bộ Biến Đổi DC DC DC AC AC DC RD SCESS Ng uồ n  Điệ n  esr Csc R SC Siêu tụ HB1 HB2 HB3 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; được đặt giữa nguồn điện áp cao trên bus DC: 750, 1500VDC và điện áp thấp phía siêu tụ, cho phép năng lượng đi cả hai chiều. Khi đoàn tàu vận hành ở chế độ kéo, bộ tích trữ sẽ xả năng lượng hỗ trợ chế độ kéo và bộ biến đổi DC-DC Interleave sẽ làm việc trong chế độ xả (Boost mode), khi đoàn tàu vận hành ở chế độ hãm, siêu tụ thu hồi năng lượng hãm tái sinh, bộ tích 61 trữ sẽ nạp năng lượng và bộ biến đổi DC-DC Interleave làm việc ở chế độ nạp (Buck mode). 1200 2400 3600 0.75 0 1 SBS2 d SBK1 SBK2 SBK3 Sóng mang HB1 iL1 iL2 iL3 Đồ thị dạng xung PWM Các dòng điện cuộn cảm Dòng điện tổng UDC t t t t t t t Sóng mang HB2 Sóng mang HB3 Hình 2.25. Dạng sóng của dòng điện trên các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với hệ số điều chế d = 0.75 1200 2400 3600 0.25 0 1 d SBK1 S- BK2 S- BK3 iL1 iL2 iL3Dòng điện cuộn cảm Dòng điện tổng UDC Đồ thị dạng xung PWM t t t t t t t Sóng mang HB1 Sóng mang HB2 Sóng mang HB3 Hình 2.26. Dạng sóng của dòng điện trên các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với hệ số điều chế d = 0.25 Hình 2.25, Hình 2.26 chỉ ra sóng mang trên các nhánh van là đối xứng, dạng sóng của dòng qua các cuộn cảm và điện áp trên bus DC với các hệ số điều chế d khác nhau. Để mạch lực bộ biến đổi DC-DC Interleave ba nhánh van hoạt động được với các giả thiết [63,79, 91]: 62  Thành phần điện trở nối tiếp tương đương của các tụ điện (siêu tụ, tụ điện DC-link) được bỏ qua. Các phần tử thụ động như điện cảm, điện trở của cuộn cảm trong mạch DC-DC là hằng số.  Mô hình thay thế tương đương của nghịch lưu nguồn áp 3 pha điều khiển động cơ điện kéo được quy đổi là nguồn dòng iinv.  Các van bán dẫn IGBT được coi là lý tưởng: điện trở khi dẫn dòng bằng không, điện trở khi khóa vô cùng lớn, thời gian chuyển mạch là cực kỳ ngắn.  Bộ biến đổi DC-DC làm việc ở chế độ dòng điện chạy qua cuộn cảm là liên tục.  Quy ước chiều dương của dòng điện chảy qua cuộn cảm ứng với trạng thái nạp (tích), chiều âm của dòng điện ứng với trạng thái xả (phóng) của siêu tụ.  Gọi d là hệ số điều chế của van IGBT.  Sóng mang của các nhánh cầu H: HB1, HB2, HB3 là giống nhau, và đối xứng. 2.2.5.2. Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van a. Chế độ dẫn dòng của bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van Với những giả thiết như trên, 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 Hình 2.27. SC RL,L BKS BSD C DC-linkU BKD BSS Li ci iinv SCU Hình 2.27. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC một nhánh van Bộ biến đổi DC-DC một nhánh van có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều và làm việc ở chế độ nạp và chế độ xả phù hợp với đặc tính chạy tàu. Xét BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc ở chế độ nạp (chế độ Buck), van SBK sẽ làm việc kết hợp với đi-ốt DBK hình thành nên 2 cấu hình mạch điện như minh họa trên Hình 2.28. 63 SC RL,L BKS BSD C BKD BSS Li ci iinv SCU DC-linkU BKS BSD C DC-linkU BKD BSS Li RL,L SCU iinv ciBKS Off SC RL,L BKS BSD C BKD BSS q =1 or 0 Li ci iinv SCU BK S On DC-linkU Cổng  BK Cổng  BS sT onT offT BKS BSS t t ( ) on S Td t T  t t Li SCu 0 Hình 2.28. Chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van trong chế độ nạp (Buck) Xét BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc ở chế độ xả (chế độ Boost), van SBS sẽ làm việc kết hợp với đi-ốt DBS hình thành nên 2 cấu hình mạch điện như minh họa trên Hình 2.29. 64 SC BKS BSD C BKD BSS Li RL,L UDC-link SCU iinv ci SC BKS BSD C BKD BSS Li RL,L DC- link U iinv ci BKS BSD C BKD BSS RL,L SCU L i BS S off iinv ci or 01q = SCU BSS On DC- link U SC Cổng  BK Cổng  BS onT offT sT BKS BSS t t ( ) on S Td t T  t DCu L-i t 0 Hình 2.29. Chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc trong chế độ xả (Boost) b. Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC một nhánh van Sau khi phân tích chế độ dẫn dòng của BBĐ DC-DC một nhánh van làm việc ở chế độ nạp -xả, tiếp tục thực hiện việc mô hình hóa bộ biến đổi. Có hai phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi [3,90,91]:  Phương pháp trung bình không gian trạng thái  Phương pháp trung bình hóa mạch đóng - cắt Trong luận án sử dụng phương pháp trung bình hóa mạch đóng - cắt 65 Áp dụng phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt Trung bình hóa mạch đóng cắt dùng thay thế một phần của mạch điện bằng một máy biến áp lý tưởng với các biến là điện áp, dòng điện ở cửa vào và cửa ra. RL,L BKSBSD C UDC- linkBSS Li BKD BuckBoost q 1q q= - RL,L UDC-link 1d t( ) : (a) (b) Hình 2.30. Mô hình động học trung bình của BBĐ DC-DC hai chiều một nhánh van Phần tử đóng - cắt (các van) trong Hình 2.30a được thay thế bằng mạng hai cửa là một máy biến áp lý tưởng như Hình 2.30b với tỷ số của máy biến áp là ( ) : 1d t . Bộ biến đổi DC-DC hai chiều một nhánh van được sử dụng để kết nối bộ tích trữ năng lượng siêu tụ có điện áp thấp được thay thế bởi các phần tử thụ động , SC SC R C với hệ truyền động điện kéo có điện áp cao được thay thế bởi nguồn dòng ( ) inv i t thể hiện trong Hình 2.31. Mối liên hệ giữu các đại lượng dòng, áp cửa vào và ra được biểu diễn: 1 2 2 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) u t d t u t i t d t i t ìï =ïíï =ïî (2.23) 66 iL C + - ic d(t):1 + -Csc - + - + L sc uSC R DC link u - invi 1 ( )i t LR 2 ( )i t 1 ( )u t 2 ( )u t 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: 2 ( ) 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) L L L DC link SC DC link inv c L di t R i t d t u t u t dt L L L du t i t i t i t d t i t dt C - - ìïï = - + -ïïíïï = + = -ïïïî (2.24) Chi tiết thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC Interleave bằng các phương pháp điều khiển khác nhau sẽ được trình bày trong chương 3. Kết luận chương 2 Nội dung chương 2 đã trình bày chi tiết về bài toán mô hình hóa đối tượng tàu điện và bộ tích trữ năng lượng siêu tụ. Trong mô hình hóa đoàn tàu thực hiện phân loại hệ truyền động sức kéo, phân loại các đặc tính chạy tàu, xây dựng mô hình đoàn tàu: Phân tích các lực tác động lên đoàn tàu, hồi quy các đường đặc tính lực kéo, hãm điện, xây dựng phương trình chuyển động của đoàn tàu, phương trình chuyển động của động cơ, tính toán momen tải. Trong mô hình hóa bộ tích trữ năng lượng siêu tụ, thực hiện mô hình hóa siêu tụ và mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC Interleave có ba nhánh van. Xây dựng được mô hình động học cho hệ thống là cơ sở cốt lõi để đề xuất các chiến lược quản lý năng lượng vận hành đoàn tàu phù hợp ở chương 3. Nội dung chương 2 trình bày trong công trình [6] thuộc danh mục các công trình đã công bố của tác giả. 67 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG VẬN HÀNH ĐOÀN TÀU CÓ SIÊU TỤ Khi tàu điện vận hành, quá trình gia tốc, hãm dừng xảy ra liên tục vì khoảng cách giữu các ga ngắn, năng lượng trả lưới trong quá trình hãm thường bị tiêu tán trên điện trở hãm. Do vậy, tối ưu năng lượng chạy tàu, đồng thời đảm bảo chính xác thời gian chạy tàu là một trong những hướng nghiên cứu rất được quan tâm hiện nay. Hình 3.1 đưa ra 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