Luận án tiến sĩ: Giải pháp điều khiển trao đổi năng lượng hãm tàu điện đô thị Việt Nam

1 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, giao thông là một trong những lĩnh vực gây ô nhiễm môi trường và tiêu thụ năng lượng nhiều nhất ở cả các nước phát triển và đang phát triển. Theo khảo sát, các nước thuộc liên minh Châu âu, khí thải từ giao thông chiếm xấp xỉ 31 % của tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG) [28]; trong đó, giao thông thành phố chiếm khoảng 25% lượng khí thải C02 [29,33]. Khi quá trình đô thị hóa diễn ra ngày càng mạnh mẽ, việc xây dựng hệ thống giao thông thân thiện môi trường, vận hành hiệu quả, tin cậy không chỉ tuân thủ được hiệp định quốc tế về giảm lượng khí thải GHG, mà còn đảm bảo điều kiện sống của các cư dân trong thành phố.1 thể hiện lượng khí thải của các phương tiện giao thông, cho thấy giao thông đường sắt sinh ra lượng khí thải ít nhất. Vì vậy, trong các thành phố, giao thông điện đường sắt đô thị được xem như phương thức vận tải hiệu quả với khả năng vận tải hành khách và hàng hóa lớn, độ an toàn tin cậy cao, lượng khí thải ít, giảm ùn tắc giao thông.

Ở Việt Nam, một số tuyến đường sắt đô thị đang được triển khai ở thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, năm 2019 tàu điện tuyến Cát Linh - Hà Đông sẽ đi vào vận hành. Đường sắt 19 Hàng không 111 Xe bus 51 Xe khách 389 Xe riêng 173 0 50 100 150 200 250 300 350 400 g/(Hành khách/ km) Hình 1. So sánh lượng khí thải C02 của một số phương tiện giao thông [74] Theo báo cáo hàng năm về tiêu thụ điện năng ở một số nước Trung Quốc, Mỹ, Anh. điện năng tiêu thụ bởi các tuyến đường sắt lên tới hàng tỷ kWh, trong đó năng lượng sử dụng vận hành đoàn tàu chiếm 40 - 70% của tổng năng 2 lượng tiêu thụ [69,70,81].

Do đó, việc đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả năng lượng giao thông điện đường sắt có vai trò quan trọng góp phần đáng kể cho chiến lược phát triển giao thông điện của các Quốc gia cũng như Việt Nam trong thời gian tới. Với hệ thống giao thông điện đô thị ở Việt Nam gồm hệ thống cung cấp điện phía ngoài, thường từ cấp điện áp trung áp 22KV lấy từ lưới điện khu vực cấp đến các trạm điện kéo, từ trạm điện kéo cấp điện cho vận hành đoàn tàu, ngoài ra còn cấp điện cho hệ thống điện chiếu sáng, thang máy, thang cuốn, điều hòa, thông gió, bơm cấp thoát nước, các hệ thống thông tin tín hiệu, quay ghi, bẻ ghi. Trong đó, các trạm điện kéo quản lý phân đoạn cấp điện có chiều dài nhỏ hơn 5km, cấp điện cho các ga, khoảng cách giữa các ga thường từ vài trăm mét đến hơn 1km. Đặc thù của tàu điện đô thị với khối lượng vài trăm tấn, điện áp cấp trên bus DC cao: 750, 1500VDC, các động cơ kéo truyền chuyển động cho đoàn tàu có công suất lớn vài trăm KW, đoàn tàu vận hành theo chu trình: gia tốc  chạy ổn tốc  chạy đà  hãm dừng, trong đó chế độ gia tốc và hãm là hai chế độ vận hành tải nặng nhất tiêu tốn điện năng, gây dao động điện áp trên lưới.

Khi gia tốc, đoàn tàu huy động công suất kéo lớn nhất gây công suất đỉnh, sụt áp trên bus DC, khi hãm dừng về ga, các động cơ làm việc như máy phát trả năng lượng về lưới, điện áp trên lưới tăng [16,51,52,65,67,70,71]. Với các hệ thống tàu điện cũ không có thiết bị thu hồi năng lượng hãm tái sinh, năng lượng này thường bị đốt trên điện trở hãm gây lãng phí năng lượng, tăng nhiệt độ môi trường, đồng thời điện áp trên lưới biến động ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng, chế độ vận hành, tuổi thọ của các thiết bị điện trong hệ thống đường sắt. Do vậy, việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng, đồng thời cải thiện chất lượng điện năng là rất cần thiết. Có rất nhiều các giải pháp được đề xuất, nhưng có hai giải pháp được đề cập nhiều trong các công trình được công bố gần đây: thu hồi năng lượng hãm tái sinh sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa khi vận hành các đoàn tàu trên tuyến; tối ưu profile tốc độ chạy tàu dựa trên các thuật toán điều khiển tối ưu.

Giải pháp thứ nhất, 3 sử dụng các bộ biến đổi có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều tại trạm điện kéo; sử dụng thiết bị tích trữ năng lượng đặt dọc tuyến chạy tàu, tại trạm điện kéo hoặc trên tàu. Với tần suất gia tốc/hãm của tàu liên tục tính bằng giây, đòi hỏi thiết bị tích trữ năng lượng có tính động học nhanh, siêu tụ đã thể hiện ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trên các hệ thống giao thông điện loại tải trọng nhẹ [33]. Hệ thống tàu điện với điện áp trên bus DC cao, các động cơ kéo công suất lớn nên cấu trúc bộ biến đổi DC-DC hai chiều đề xuất trong luận án được phân tích, lựa chọn là bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly (để giảm khối lượng đặt trên tàu), nhiều nhánh song song với các phương pháp điều khiển dòng điện (Current mode), dòng điện đỉnh (Peak current mode).

Giải pháp thứ hai: Áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu xác định profile tốc độ vận hành tối ưu tương ứng với các chế độ chạy tàu nhằm tiết kiệm năng lượng. Trong luận án tác giả tập trung nghiên cứu điều khiển phân tán độc lập từng đoàn tàu trên tuyến; cụ thể, đặt bộ tích trữ năng lượng trên tàu thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm, và xả năng lượng thu hồi này hỗ trợ cho chế độ kéo nhờ điều khiển quá trình nạp/xả bộ tích trữ năng lượng; đồng thời kết hợp điều phối năng lượng nạp/xả của siêu tụ đưa vào hàm mục tiêu áp dụng nguyên lý điều khiển tối ưu xác định profile chạy tàu tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng. Mục đích và nội dung nghiên cứu: Đề xuất các phương pháp sử dụng hiệu quả năng lượng trong vận hành tàu điện đô thị.  Đề xuất cấu trúc điều khiển quá trình nạp/xả năng lượng của hệ thống tích trữ năng lượng siêu tụ với mục tiêu tiết kiệm năng lượng: thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong chế độ hãm và hỗ trợ năng lượng cho đoàn tàu vận hành trong chế độ kéo.

4  Đề xuất chiến lược tối ưu tốc độ vận hành đoàn tàu khi hệ thống lưới điện có thêm nguồn siêu tụ đặt trên đoàn tàu.  Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện, chiến lược điều khiển tối ưu tốc độ vận hành đoàn tàu được đề xuất thông qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng: Tàu điện đô thị có hệ truyền động sức kéo tích hợp bộ tích trữ năng lượng siêu tụ bao gồm các thành phần: Hệ truyền động sức kéo, siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều. Phạm vi nghiên cứu:  Tàu điện đô thị có hệ truyền động điện sức kéo tích hợp bộ tích trữ năng lượng siêu tụ, xét các chế độ vận hành đoàn tàu (chế độ kéo, chế độ chạy đà, chế độ hãm dừng) không xem xét các trường hợp sự cố khi vận hành đoàn tàu.

 Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố lực kéo, lực hãm và phụ tải đều trên các động cơ kéo.  Luận án tập trung hai vấn đề điều khiển: vấn đề thứ nhất - điều khiển SCESS nhằm thu hồi năng lượng hãm tái sinh trong quá trình hãm, hỗ trợ năng lượng quá trình kéo và góp phần giảm dao động điện áp trên bus DC; vấn đề thứ hai - điều khiển đoàn tàu vận hành theo profile tốc độ tối ưu năng lượng với nguồn hỗn hợp: nguồn lưới và nguồn siêu tụ. Phương pháp nghiên cứu:  Nghiên cứu lý thuyết: - Các thuật toán điều khiển cấp thiết bị kho điện đảm bảo khả năng nạp/xả hỗ trợ năng lượng kéo khi đoàn tàu vận hành ở chế độ kéo và thu hồi năng lượng hãm tái sinh khi đoàn tàu vận hành ở chế độ hãm. - Lý thuyết điều khiển tối ưu, phân tích, lựa chọn phương pháp phù hợp tối ưu năng lượng chạy tàu khi có thêm nguồn phụ siêu tụ.

5  Nghiên cứu thực nghiệm: - Tổng hợp hệ thống bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB để đánh giá kết quả nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ biến đổi, điều khiển tối ưu năng lượng vận hành đoàn tàu; thí nghiệm minh chứng các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC Interleave trong hệ thống thí nghiệm thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ SCESS. Ý nghĩa của đề tài: Do những ưu điểm nổi bật của tàu điện đô thị chuyên chở hành khách lớn, giảm ô nhiễm môi trường, giảm ùn tắc giao thông, ngày 09/07/2008, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 90/2008/QĐ-TTg về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển giao thông vận tải Thủ đô Hà Nội đến năm 2020. Theo đó, mạng lưới đường sắt đô thị của Hà Nội đến năm 2020 bao gồm 5 tuyến, Tp. Hồ Chí Minh theo quy hoạch có 6 tuyến đường sắt đô thị.

dự kiến cuối năm 2018 đến 2020 sẽ đi vào hoạt động một số tuyến. Tuy nhiên, điện năng cần cấp để vận hành các tuyến giao thông đô thị rất lớn hàng tỷ kWh, rất cần những giải pháp tiết kiệm năng lượng. Do đó, luận án đặt ra mục tiêu quản lý hiệu quả năng lượng chạy tàu; cụ thể, thiết kế điều khiển quá trình nạp-xả thiết bị tích trữ năng lượng kho điện thu hồi năng lượng hãm tái sinh, giảm dao động điện áp trên Bus DC; áp dụng lý thuyết tối ưu xác định profile tốc độ chạy tàu nhằm tối ưu năng lượng chạy tàu khi nguồn cấp cho tàu điện gồm cả nguồn lưới và nguồn siêu tụ.