Ước lượng năng lượng thu hồi tại các trạm điện kéo dựa trên mô hình mạng công suất

 Bước 4: Ước lượng công suất tái sinh có khả năng thu hồi tại TĐK tại từng thời điểm 
tính trong chu kỳ thời gian giãn cách nhỏ nhất. 
 Trong bước này, tại mỗi thời điểm công suất của các đoàn tàu được xác định, giá trị 
điện áp trên lưới tiếp xúc được tiến hành ước lượng theo thuật toán Newton-Raphson, đồng 
thời giá trị công suất tại các TĐK cũng được xác định. Để đảm bảo điện áp lưới tiếp xúc được 
duy trì trong điều kiện làm việc cho phép, trong mỗi bước xét điều kiện điện áp lớn hơn giá trị 
cho phép (V_cp), giá trị điện áp TĐK (V_sub) được điều chỉnh giảm đi V_dv = 5 (V). 
 Bước 5: Tính giá trị năng lượng thu hồi được tại mỗi TĐK trong khoảng thời gian chu 
kỳ giãn cách chạy tàu tối thiểu. 
 Trong bước 4, giá trị công suất thu hồi trong từng thời điểm đã xác định được. Do vậy, 
tổng giá trị năng lượng có khả năng thu hồi được trong khoảng thời gian headway được tính là 
bình phương quân phương tổng giá trị công suất thu hồi của tất cả các thời điểm trong khoảng 
thời gian đó. Trong khoảng thời gian vận hành một ngày là Tlv (giờ) thì tổng năng lượng có 
khả năng thu hồi sẽ được tính toán như công thức (6). 
 headway
 2 ()i
  P reg (6) 
 ET i 1 * (kWh/ngày) 
 regheadway lv
Trình tự thực hiện cụ thể của giải pháp đề xuất được mô tả theo lưu đồ thuật toán trên Hình 3: 
 202 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
 Start
 Nhập các thông số đoàn tàu, profile tuyến đường 
 khu đoạn, profile tốc độ đoàn tàu trong khu đoạn
 Tính công suất của đoàn tàu tại từng vị trí trên 
 tuyến đường theo công thức của Davis
 Xây dựng mạng công suất trong khu đoạn theo mô 
 hình xây dựng như hình 2 tại thời điểm tính toán t
 Tính các thông số mạch (điện trở các nhánh) tương 
 t = t + 1
 ứng với mô hình mạng công suất
 no
 Ước lượng điện áp trên lưới tiếp xúc và công suất 
 tại các trạm theo thuật toán Newton-Raphson
 Tính giá trị điện áp lớn nhất trên lưới tiếp xúc 
 (V_max)
 yes
 V_max >V_cp
 no V_sub = V_sub - V_dv
 Tính công suất thu hồi của các TĐK (P_reg) tại 
 thời điểm t
 Cập nhật điện áp tại các TĐK 
 (V_sub)
 t > headway
 no
 yes
 Hiển thị năng lượng tái sinh thu hồi được tại các TĐK
 End
 Hình 3. Lưu đồ thuật toán ước lượng năng lượng tái sinh tại các TĐK 
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
 Để kiểm nghiệm thuật toán đề xuất, một mô hình đoàn tàu được xây dựng dựa theo số 
liệu của tuyến đường sắt Cát Linh-Hà Đông, sử dụng tham khảo trong tài liệu dự án Cát Linh-
Hà Đông [14]. Các thông số cơ bản của đoàn tàu được liệt kê trong Bảng 1. Bảng 2 tổng kết 
 203 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
thời gian chạy tàu và khoảng cách giữa các ga. Profile tuyến đường sử dụng trong mô hình 
mô phỏng được mô tả như trên Hình 4. 
 Bảng 1. Thông số cơ bản của đoàn tàu và tuyến đường. 
 Thông số Đơn vị Giá trị 
 Điện áp định mức lưới tiếp xúc V 750 
 Điện áp lưới tiếp xúc khi không tải V 795 
 Tổng khối lượng đoàn tàu và hành khách Tấn 150 
 Giãn cách nhỏ nhất Giây 80-220 
 Điện trở đơn vị của LTX và ray (R0) /km 0.0625 
 Điện trở cáp nguồn từ MBA tới LTX (Rng)  0.01 
 Vị trí đặt các TĐK: Ga C. Linh, Ga Láng, Ga P. Khoang, Ga H. Đông, Ga Y. Nghĩa 
 Bảng 2. Thời gian chạy tàu giữa các ga trên khu đoạn Cát Linh - Láng. 
 Từ ga Đến ga Chiều Thời gian Từ ga Đến ga Chiều dài Thời gian 
 dài (m) (s) (m) (s) 
 C. Linh L.Thành 931 88 Y.Nghĩa V. Khê 1032 80 
 L. Thành T. Hà 902.5 78 V. Khê L.Khê 1428 101 
 T. Hà Láng 1075 91 L.Khê H.Đông 1110 84 
 Láng T. Đình 1249 103 H.Đông V.Quán 1323 97 
 T. Đình V. Đai 3 1009 79 V.Quán P.Khoang 1122 85 
 V. Đai 3 P.Khoang 1480 104 P.Khoang V. Đai 3 1480 106 
 P.Khoang V.Quán 1122 86 V. Đai 3 T. Đình 1009 78 
 V.Quán H.Đông 1323 97 T. Đình Láng 1249 104 
 H.Đông L.Khê 1110 84 Láng T. Hà 1075 88 
 L.Khê V. Khê 1428 101 T. Hà L.Thành 902.5 79 
 V.Khê Y.Nghĩa 1032 81 L.Thành C. Linh 931 83 
 GA CÁT LINH GA LA THÀNH
 0.0 0.0 0.0
 150.0 770.0 170.0
 L-0,0 L-60,60 L-20,20
 L-70,70 RAY TRÁI
 R-800 R-300 R-2500 R-550
 Ls-158 Ls-172
 Ls-71 Ls-73
 L-20,20 L-60,60 L-19,19
 L-70,70 RAY PHẢI
 R-2000 R-300 R-2496 R-553
 Ls-158 Ls-173
 Ls-62 Ls-73
 K0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1
 Hình 4. Profile tuyến đường đoạn Ga Cát Linh – Ga La Thành 
 Trong bài báo này, giả định rằng bỏ qua yếu tố độ dốc của đường để tính toán khả năng 
lớn nhất có khả năng thu hồi năng lượng tái sinh. Do không có được số liệu đường cong tốc 
độ nên các tác giả dựa vào các thông số đoàn tàu, thông số tuyến đường, vị trí giới hạn tốc độ 
và thời gian chạy tàu giữa các ga để xây dựng đường cong tốc độ chạy tàu theo dạng như 
Hình 5. Với giả định tốc độ tại các điểm chuyển đã xác định, dựa trên tiêu chí tối ưu năng 
lượng vận hành, nhóm tác giả áp dụng thuật toán quy hoạch tuyến tính (LP) để tìm được giá 
trị tối ưu của các tham số gia tốc (a1, a2, a3), thời gian và độ dài các phân đoạn trong quãng 
đường di chuyển giữa các ga. Kết quả ước lượng được liệt kê minh họa trên Bảng 3. 
 204 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
 Tốc độ
 vh von
 vh von
 a2
 vh
 a2
 von a2
 a3
 a3 a1
 a3
 a1
 a1
 Thời gian
 C. Linh La Thành Thái Hà Láng
 Hình 5. Đồ thị tốc độ đoàn tàu trong khu đoạn C. Linh - Láng 
 Bảng 3. Thông số di chuyển đoàn tàu giữa các ga 
 Thông số C. Linh- L. Thành – T. Hà - Láng Láng – T. Hà – L. L. Thành – 
 L. Thành T. Hà T. Hà Thành C. Linh 
 von (m/s) 10 18.3 17.4 17.7 17.7 17.7 
 vh (m/s) 18.8 17.2 13.8 18.8 16.6 15 
 2
 a1 (m/s ) 0.83 0.50 0.61 0.83 0.49 0.50 
 2
 a2 (m/s ) 0.28 -0.05 -0.08 0.04 -0.05 -0.09 
 2
 a3 (m/s ) -0.42 -0.83 -0.83 -0.51 -0.83 -0.83 
 tchạy đà (s) 36.82 28.34 30.83 21.24 35.97 35.70 
 tthả trôi (s) 20.54 46.10 55.61 29.88 23.11 29.30 
 thãm (s) 20.64 16.56 16.56 36.88 19.92 18.00 
 schạy đà (m) 336.89 246.54 268.22 187.97 318.34 315.94 
 sthả trôi (m) 364.60 719.20 867.51 545.40 396.32 479.05 
 shãm (m) 177.50 114.26 114.26 346.63 165.34 135.00 
 Dựa trên các kết quả ước lượng trong Bảng 3, công suất đoàn tàu phân bố trên từng 
điểm của tuyến đường được tính theo công thức (1), trong đó các hệ số thực nghiệm trong 
công thức của Davis được tham khảo trong tài liệu [15]. Hình 6 mô tả phân bố công suất đoàn 
tàu tại từng điểm di chuyển theo hướng Cát Linh – Yên Nghĩa. 
 Hình 6. Công suất đoàn tàu di chuyển hướng C. Linh – Y. Nghĩa 
 205 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
 Sau khi giá trị công suất của đoàn tàu tại từng vị trí được xác định, với giãn cách nhỏ 
nhất đặt trước, quá trình mô phỏng ước lượng công suất tại các TĐK được tiến hành thực hiện 
theo thuật toán đã đề xuất. Hình 7 mô tả công suất của các TĐK tại từng thời điểm ứng với 
giãn cách chạy tàu nhỏ nhất (headway) là 180 (s). Thời điểm t=0 được tính là thời điểm đoàn 
tàu bắt đầu rời ga Cát Linh. Từ Hình 7 có thể nhận thấy rằng chế độ tải của các TĐK tại từng 
thời điểm khá tương đồng mặc dù giá trị độ lớn tải khác nhau. Tuy vậy vẫn có một số thời 
điểm TĐK này làm việc ở chế độ cung cấp công suất cho tải thì TĐK khác lại làm việc ở chế 
độ thu hồi năng lượng như thời điểm từ giây 48 đến giây 62. 
 Hình 7. Công suất TĐK từng thời điểm trong chu kỳ Headway 
 206 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
 Tổng năng lượng tái sinh có khả năng thu hồi tại các TĐK từ đó cũng tính được theo 
công thức (6) với thời gian làm việc 16 giờ trong một ngày. Kết quả ước lượng trên từng trạm 
như minh họa trên Hình 8. 
 Năng lượng dư thừa cũng phụ thuộc nhiều vào chế độ vận hành, ở thời điểm cao điểm, 
số lượng cặp tàu đưa vào vận hành sẽ lớn hơn, tương ứng giãn cách nhỏ nhất sẽ nhỏ đi. Thuật 
toán đề xuất có khả năng thực hiện được quá trình ước lượng năng lượng thu hồi với những 
giãn cách nhỏ nhất bất kỳ. Bảng 4 minh họa các kết quả tính toán tổng năng lượng có khả 
năng thu hồi tại các TĐK trong thời gian một ngày áp dụng thuật toán đề xuất tương ứng với 
các giãn cách nhỏ nhất khác nhau. Thời điểm năng lượng thu hồi lớn khi có nhiều đoàn tàu 
cùng hãm. Nếu giãn cách chạy tàu tương đồng với khoảng thời gian di chuyển giữa các ga thì 
gần như các đoàn tàu là cùng khởi động, cùng hãm. Quan sát số liệu trong Bảng 4, về cơ bản 
khi headway có giá trị từ 90(s) đến 100(s) khá tương đồng với khoảng thời gian di chuyển 
giữa các ga thì năng lượng thu hồi lớn hơn nhiều khi headway nằm trong dải giá trị từ 120 (s) 
đến 160(s). Trong mỗi dải phạm vi của headway, cũng dễ nhận thấy rằng giá trị năng lượng 
thu hồi lớn có xu hướng nằm ở giá trị headway là bội số của thời gian các đoàn tàu di chuyển 
giữa các ga, ví dụ trong dải phạm vi 120 – 220(s), giá trị năng lượng thu hồi lớn nhất khi 
headway bằng 180(s). 
 Hình 8. Năng lượng tái sinh có khả năng thu hồi tại các TĐK 
 Bảng 4. Năng lượng thu hồi tại các TĐK theo giãn cách chạy tàu nhỏ nhất 
 Headway E (kWh/ngày) 
No. reg
 (s) C. Linh Láng P. Khoang H. Đông Y. Nghĩa Tổng 
1 100 323.4299 335.5657 716.7575 783.7186 627.0655 2786.5372 
2 120 289.0526 266.3171 278.9281 518.0559 487.8720 1840.2257 
3 140 290.5926 159.0223 431.0480 544.40 439.0344 1864.0973 
4 160 286.7534 463.7303 295.0280 574.1847 350.5909 1970.2873 
5 180 381.6458 371.8608 510.4736 931.2669 379.3634 2574.6105 
6 200 242.3478 293.1461 416.4662 455.7644 334.2939 1742.0184 
7 220 249.9535 284.6981 289.9618 480.1525 346.8547 1651.6206 
8 300 269.0168 239.6811 275.2158 347.9027 228.5826 1360.399 
9 400 176.6376 231.1565 291.8948 154.7200 168.6674 1023.0763 
10 600 186.5789 219.2659 130.5430 224.4978 11.7315 772.6171 
 207 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
 Thông qua ví dụ mô phỏng, thuật toán đề xuất đã cung cấp một cái nhìn hệ thống trong 
vấn đề mô phỏng hệ thống giao thông điện đô thị, mô hình tính toán công suất mạng điện 
đường sắt, cũng như mô hình tính toán ước lượng năng lượng dư thừa trên mạng điện đường 
sắt trong quá trình vận hành một tuyến đường sắt đô thị. Từ kết quả mô phỏng có thể xác định 
chính xác những thời điểm năng lượng có khả năng thu hồi được, qua đó có thể đưa ra tham 
chiếu để điều khiển quá trình thu hồi năng lượng đạt hiệu quả. Ngoài ra hiệu suất thu hồi năng 
lượng tái sinh cũng được xác định dựa trên tổng năng lượng tiêu thụ và tổng năng lượng tái 
sinh, từ đó có thể sử dụng làm cơ sở để tham vấn việc lựa chọn giá trị giãn cách chạy tàu nhỏ 
đô thị, cũng như trong các giải pháp ứng dụng thiết bị thu hồi, tích trữ năng lượng cho các 
tuyến đường sắt giao thông đô thị. 
5. KẾT LUẬN 
 Bài báo này trình bày một thuật toán để giải quyết vấn đề mô phỏng, phân tích dòng 
công suất, và ước lượng năng lượng có khả năng thu hồi được tại các trạm điện kéo trên hệ 
thống mạng điện giao thông đường sắt đô thị. Thuật toán đề xuất được thực hiện dựa trên mô 
hình công suất của mạng điện, trong mô hình này giá trị công suất của đoàn tàu cũng như 
thông số của mạch điện được ước lượng, tính toán và cập nhật theo từng thời điểm; còn công 
suất có khả năng thu hồi được xác định một cách chính xác tương ứng với từng khoảng thời 
gian 1 giây. Thuật toán đề xuất được mô phỏng kiểm nghiệm trên mô hình mô phỏng đoàn tàu 
của tuyến đường sắt Cát Linh – Hà Đông. Kết quả mô phỏng đã chứng minh tính khả thi và 
tính hiệu quả của thuật toán khi áp dụng cho các ứng dụng trong phân tích quá trình năng 
lượng trên mạng điện đường sắt, cũng như cho các giải pháp thu hồi, tích trữ năng lượng cho 
các tuyến giao thông điện. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. S. Chenh et al., Quasi-Static decoupled load flow modelling of a power supply network with AC-
DC converters applied to light rail system, in 2007 European Conference on Power Electronics and 
Applications. 2007: Aalborg, Denmark. https://doi.org/10.1109/EPE.2007.4417602 
[2]. M. Popescu, A. Bitoleanu, A Review of the Energy Efficiency Improvement in DC Railway 
Systems, Energies, 12 (2019) 1092-1117. https://doi.org/10.3390/en12061092 [3]. Bae, C.H., et al., A 
Study of capacity calculation of regenerative inverter for 1500v dc traction system, WIT Transactions 
on The Built Environment, 88 (2006) 757-766. https://www.witpress.com/elibrary/wit-transactions-
on-the-built-environment/88/16676 
[4]. C.-h. Bae, et al., Calculation of regenerative energy in DC 1500V electric railway substations, in 
7th Internatonal Conference on Power Electronics. 2007: Daegu, South Korea. p. 801-805, 2007. 
https://doi.org/10.1109/ICPE.2007.4692497 
[5]. P. Arboleya, G. Diaz, M. Coto, Unified AC/DC power flow for traction systems: a new concept, 
IEEE Transactions on Vehicular Technology, 61 (2012) 2421-2430. 
https://doi.org/10.1109/TVT.2012.2196298 
[6]. W.Liu, Q. Li, M. Chen. Study of the simulation of DC traction power supply system based on 
AC/DC unified Newton-Raphson method, in 2009 International Conference on Sustainable Power 
Generation and Supply, Nanjing, China, 2009. https://doi.org/10.1109/SUPERGEN.2009.5348365 
[7]. b. mohamed, p. arboleya, c. gonzalez-moran, modified current injection method for power flow 
analysis in heavy-meshed dc railway networks with nonreversible substations, IEEE Transactions on 
Vehicular Technology, 66 (2017) 7688-7696. https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2687061 
[8]. R.A. Jabr, I. Dzafic, Solution of DC railway traction power flow systems including limited 
network receptivity, IEEE Transactions on Power Systems, 33 (2018) 962-969. 
https://doi.org/10.1109/TPWRS.2017.2688338 
 208 
 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 196-209 
[9]. T. Kulworawanichpong, Multi-train modeling and simulation integrated with traction power 
supply solver using simplified Newton-Raphson method. Journal of Modern Transportation, 23 (2015) 
241-251. https://doi.org/10.1007/s40534-015-0086-y 
[10]. H. Alnuman, D. Gladwin, M. Foster, Electrical modelling of a dc railway system with multiple 
trains, Energies, 11 (2018) 3211-3231. https://doi.org/10.3390/en11113211 
[11]. M. Khodaparastan, A. Mohamed, Modeling and simulation of regenerative braking energy in DC 
electric rail systems, in 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). Long 
Beach, CA, USA. p. 1-6, 2018. https://ieeexplore.ieee.org/document/8450133/ 
[12]. M. Khodaparastan et al., Modeling and simulation of dc electric rail transit systems with wayside 
energy storage, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 68 (2019) 2218 - 2228. 
https://doi.org/10.1109/TVT.2019.2895026 
[13]. W. Jefimowski, A. Szelag, T The multi-criteria optimization method for implementation of a 
regenerative inverter in a 3 kV DC traction system, Electric Power Systems Research, 161 (2018) 61-
73. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.03.023 
[14]. Dự án thiết kế xây dựng tuyến đường sắt đô thị Hà Nội - Tuyến Cát Linh Hà Đông, phần 2 Tổng 
hợp, quyển 2 Quản lý vận hành và khai thác chạy tàu, 2013. 
[15]. TB/T 1407.1-2018 Railway train traction calculation-Part 1: Trains with locomotives 2018. 
 209