BADANIA LABORATORYJNE SUPERKONDENSATOROWEGO ZASOBNIKA ENERGII PRZEZNACZONEGO DO OGRANICZANIA STRAT W SIECIACH TRAKCYJNYCH

Transkrypt

1 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 173 Piotr Chudzik, Andrzej Radecki, Rafał Nowak Politechnika Łódzka, Łódź BADANIA LABORATORYJNE SUPERKONDENSATOROWEGO ZASOBNIKA ENERGII PRZEZNACZONEGO DO OGRANICZANIA STRAT W SIECIACH TRAKCYJNYCH LABORATORY TESTS OF SUPERCAPACITOR ENERGY STORAGE DESIGNED FOR ENERGY LOSS REDUCTION IN TRACTION NETWORKS Strezczenie: W artykule przedtawiono trukturę tanowika badawczego przeznaczonego do prowadzenia badań nad algorytmami terowania uperkondenatorowymi zaobnikami energii, toowanymi w pojazdach trakcyjnych dla podnieienia prawności energetycznej ich układów napędowych. Opiano problematykę ograniczania trat przeyłowych i trat powtających na kutek braku możliwości oddania do ieci energii odzykanej podcza hamowania dynamicznego układu napędowego. Zaproponowano wykorzytanie do badań nad algorytmami terowania zaobnikiem rzeczywitych danych pomiarowych, zarejetrowanych podcza jazdy tramwajów i trolejbuów w kilku polkich miatach. Przedtawiono metodę identyfikacji parametrów ieci trakcyjnej i zamiezczono przykładowe wyniki obrazujące zmienność parametrów układów zailania pojazdu w funkcji czau na kutek obecności na tym amym odcinku zailania innych pojazdów. Opiano budowę tanowika badawczego oraz omówiono zaady działania pozczególnych jego części kładowych. W artykule zotał przedtawiony zakre badań możliwych do wykonania z wykorzytaniem opracowanego tanowika laboratoryjnego oraz zamiezczono przebiegi wybranych prądów i napięć obrazujące działanie urządzenia. Abtract: In thi article a laboratory tet-tand deigned for development and tudy of traction power loe optimization algorithm of ultracapacitor control wa preented. Decribed in article a laboratory tet-tand allow to model a traction power grid with motor drive load and controlled uper-capacitor energy torage. It wa propoed to ue real meaurement recorded in traction vehicle on their typical working profile to ue for identification of traction power grid parameter and drive load. Waveform howing a working tate of modeled grid traction with drive load wa included in article Słowa kluczowe: traty energii, napęd trakcyjny, zaobnik uperkondenatorowy Keyword: energy loe, electric vehicle traction drive, ultracapacitor energy-torage device 1. Wtęp Wpółczenym układom napędowym pojazdów trakcyjnych tawia ię coraz wyżze wymagania dotyczące ozczędności energii. Jednym ze poobów obniżenia trat jet toowanie zaobników uperkondenatorowych, które pozwalają na magazynowanie energii wytwarzanej podcza hamowania dynamicznego. Energia ta w pojeździe bez zaobnika, na kutek ograniczonej możliwości oddawania prądu do ieci, w dużej części mui być wytracona na rezytorach hamowania. Zauważalną korzyścią płynącą ze toowania zaobnika jet również ograniczenie amplitudy prądów zailania pojazdu płynących podcza intenywnego rozruchu i hamowania. Mniejze prądy rozruchowe korzytnie wpływają na żywotność elementów obwodu zailania pojazdu oraz powodują, że zmniejzają ię traty przeyłowe w ieci zailającej. Dokładne określenie korzyści energe- tycznych płynących z lokalnego gromadzenia energii jet jednak dość złożonym zagadnieniem, ponieważ wymaga znajomości parametrów i truktury całej ieci wraz z pojazdami, które aktualnie biorą udział w wymianie energii. Trudna jet również bezpośrednia ocena efektywności działania toowanych algorytmów. Aby umożliwić, porównanie różnych metod terowania zaobnikiem w warunkach jak najbardziej odpowiadających rzeczywitym autorzy artykułu zbudowali tanowiko laboratoryjne, kładające ię z modelu toru zailania odzwierciedlającego zachowanie rzeczywitej ieci trakcyjnej, układu zaobnika energii i modelu pojazdu trakcyjnego.

2 174 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 2. Rola zaobników uperkondenatorowych w układach zailania pojazdów trakcyjnych Napędy elektryczne tramwajów i trolejbuów zailane ą za pomocą ieci trakcyjnych, które w więkzości polkich miat ą ieciami bez zdolności zwracania energii oddawanej przez pojazdy do ieci energetycznej. Taki tan rzeczy powoduje, że oddawanie energii hamowania jet możliwe tylko pod warunkiem obecności na danym odcinku ieci pojazdu, który jet w tanie ją konumować. Jeżeli nie znajdzie ię taki pojazd, nadmiar energii zotaje bezpowrotnie wytracony na rezytorach hamowania. Udział tego typu trat w ogólnym bilanie energii zależy od wielu czynników. Jednym z ważniejzych jet natężenie ruchu pojazdów na danym obzarze. W dużych miatach i aglomeracjach (Warzawa, Poznań, Śląk) w godzinach zczytu oddawanie energii do ieci nie prawia takich problemów, jak w małych miatach takich jak Elbląg czy Grudziądz, gdzie częto na danej ekcji zailania znajduje ię tylko jeden pojazd. Na znaczenie trat powtających podcza hamowania w ogólnym bilanie energii ma również wpływ udział nowych napędów z możliwością zwrotu energii w tounku do pojazdów tarego typu, które nie poiadają takiej zdolności (105N- do dziiaj jeden z najpopularniejzych pojazdów w polkich miatach). Różne jet znaczenie możliwości oddawania energii w przypadku napędów trolejbuów i tramwajów. W tych pierwzych, na kutek wyraźnie wyżzych trat związanych z oporami ruchu ilość nadmiarowej energii jet o wiele niżza i prawia, że przy obecnych cenach zaobników i ich żywotności ozczędzanie energii pozykanej podcza hamowania nie jet uzaadnione ekonomicznie [1]. Stoowanie zaobników uperkondenatorowych, poza zdolnością magazynowania energii odzykanej podcza hamowania, nieie ze obą korzyść polegającą na znacznym ograniczeniu zczytowych prądów pobieranych z ieci trakcyjnej lub oddawanych do niej podcza intenywnego rozruchu i hamowania. Duże amplitudy tych prądów przypiezają zużycie elementów obwodów zailania pojazdów oraz wywołują traty przeyłowe. Ze względu na zależność trat na rezytancji przewodów od kwadratu amplitudy prądu możliwe jet ograniczenie tych trat poprzez zmniejzenie amplitudy dzięki zatoowaniu zaobnika energii. Ograniczanie trat przeyłowych poprzez załączanie zaobnika nie może być jednak realizowane w oderwaniu od trat amego układu przekztałtnik - zaobnik, który umożliwia wpółpracę układu z baterią uperkondenatorów. Straty powtające podcza ładowania i rozładowania zaobnika wynikają z niezerowych rezytancji wewnętrznych ogniw i trat powtających w elementach energoelektronicznych. Ich wartości ą zależne od amplitudy prądu zaobnika i aktualnego napięcia na baterii. Straty te ą tym wyżze im bateria ma mniejze napięcie ponieważ ten am prąd zaobnika oiąga ię zarówno w przetwornicy podwyżzającej jak i obniżającej, koztem wyżzego prądu baterii. Taki charakter trat powoduje, że zaobnik wraz z obniżaniem napięcia zmniejza woją prawność, co powoduje konieczność uwzględnienia tego faktu w algorytmach terowania minimalizujących traty. 3. Stanowiko laboratoryjne do badania algorytmów minimalizacji trat energii w pojazdach trakcyjnych z zaobnikami energii Model toru zailania + _ Model napędu P(t) Zaobnik uperkondenatorowy DC DC Ry. 1. Schemat blokowy tanowika laboratoryjnego do badania algorytmów terowania zaobnikowymi napędami trakcyjnymi Sformułowanie zaad terowania zaobnikiem zapewniających ograniczenie trat energii w całym układzie: podtacja ieć trakcyjna pojazd jet zadaniem złożonym, ponieważ na charakter trat ma wpływ wiele elementów niezależnych od tanu pojazdu, takich jak aktualne napięcie ieci, obecność innych pojazdów na tym amym odcinku zailania, czy brak możliwości przewidzenia zdarzeń, które w najbliżzym czaie będą miały wpływ na zachowanie pojazdu. W celu określenia wpływu pozczególnych czynników na ogólne traty napędu wykonano analizę danych pomiarowych pozykanych w kilku polkich miatach, a zebrane.

3 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 175 dane pomiarowe wykorzytano jako zbiór ygnałów wejściowych dla tanowika badawczego. Na ry 1. zamiezczono chemat blokowy tanowika. Głównymi jego częściami kładowymi ą: układy modelujące ieć trakcyjną i napęd oraz układ zaobnika energii z baterią uperkondenatorów wypoażony w przekztałtnik umożliwiający ładowanie i rozładowywanie baterii Model toru zailania pojazdu trakcyjnego Wartości trat przeyłowych zależą przede wzytkim od rezytancji ieci trakcyjnej, która wykazuje tendencję do zmiany w zerokim zakreie w zależności od lokalizacji podtacji. Na wartość trat przeyłowych mają wpływ inne pojazdy, które znajdują ię na wpólnym odcinku zailania. Sytuacja najmniej korzytna, pod względem trat przeyłowych, powtaje gdy dwa pojazdy oddalone od podtacji jednocześnie pobierają moc lub jednocześnie ją oddają. Może ię zdarzyć, że na odcinku o dużej rezytancji ieci w niewielkiej odległości od iebie jeden pojazd hamuje, a drugi ruza. W takiej ytuacji rezytancja związana ze tratami przeyłowymi jet znikoma zarówno dla jednego jak i drugiego pojazdu, dzięki czemu przeyłanie energii między pojazdami jet bardzo efektywne. Aby możliwe było dokonanie oceny efektywności różnych algorytmów terowania obniżających traty przeyłowe, konieczne było wykonanie badań w powtarzalnych warunkach tetu. W tym celu opracowane zotało tanowiko laboratoryjne umożliwiające modelowanie ieci trakcyjnej w taki poób, w jaki jet ona widziana od trony pojazdu. Przyjęto, że ieć będzie reprezentowana jako źródło napięcia ze zmienną wartością iły elektromotorycznej, zadaną programowo jako funkcja czau oraz kończoną, również zadaną jako funkcja czau, wartością rezytancji zeregowej. Mierzone wartości napięcia ieci trakcyjnej na pantografie i prądu pobieranego przez pojazd zotały przetworzone na wielkości napięcia zatępczego idealnego źródła napięciowego i jego rezytancji zeregowej. Na ry. 2 przedtawiono przykładowy przebieg zarejetrowanego napięcia ieci trakcyjnej i prądu pobieranego przez pojazd podcza jazdy w ruchu miejkim. Ry. 2. Przykładowy przebieg napięcia ieci i pobieranego przez pojazd prądu Przyjęcie uprozonego modelu obwodu zailania pojazdu jako idealnego źródła napięcia z zeregową rezytancją, które miałoby reprezentować podtację wraz z wpływem pojazdów znajdujących ię w okolicy, prowadza ię do wyznaczenia zatępczej iły elektromotorycznej i zatępczej rezytancji zeregowej. Ze względu na złożony charakter danych pomiarowych, uzykanie jednoznacznej informacji o pozukiwanych wielkościach jet częto niemożliwe. Można podjąć próbę rozwiązania tego zadania wykonując analizę danych zebranych w trakcie typowych przejazdów uwzględniających rozruch, hamowanie oraz jazdę wybiegiem. Dane te wyznaczają trajektorie prądowo-napięciowe, które zotały przedtawione na ryunku 3. Do etymacji parametrów ieci trakcyjnej (jej napięcia oraz rezytancji zeregowej) zotały przyjęte wyelekcjonowane zakrey pomiarów prądowo-napięciowych z trajektoriami układającymi ię w wyraźne trendy liniowe. Pozwala to założyć, że ą one wynikiem głównie padku napięcia na rezytancji zeregowej ieci trakcyjnej (ry.4). Oznacza to również, że zaburzenie napięcia ieci wprowadzane przez inne pojazdy, bądź będące efektem zmiany napięcia podtacji jet w analizowanym okreie tałe.

4 176 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) Ry. 3. Trajektorie prądowo-napięciowe napędu zarejetrowane podcza typowej jazdy ulicznej tramwaju Ry. 5. Interpolacja liniowa trajektorii prądowo-napięciowej wykorzytana do wyznaczenia rezytancji zeregowej i napięcia ieci trakcyjnej Ponieważ obie te wielkości zmieniają ię w czaie w tounkowo zerokich granicach układ modelujący ieć zotał zrealizowany jako terowane źródło napięciowe, na którego zacikach utrzymywana jet wartość napięcia będąca funkcją zadanego w potaci funkcji czau napięcia U SEM, rezytancji ieci (zadanej funkcją czau) oraz pobieranego przez pojazd prądu. U Wy ( t) = U ( t) I ( t)* R( t) (1) SEM Uprozczony chemat ideowy układu zamiezczono na ryunku 6. Wy Ry. 4. Trajektorie z wyelekcjonowanymi obzarami o więkzym prawdopodobieńtwie wytępowania pomiarów rejetrowanych ze tałym okreem impulowania i nanieionymi liniami pozwalającymi na wyodrębnienie parametrów ieci Można zatem na podtawie jednej takiej trajektorii wyznaczyć jednocześnie oba pozukiwane parametry: napięcie ieci trakcyjnej niezaburzone przez obciążenie oraz rezytancję zeregową ieci. Wyznaczone parametry dla analizowanych przypadków zależne były od warunków pracy napędu i dla dwóch badanych ytuacji (Ry.5) wynoiły odpowiednio R=387mΩ U L =679V oraz R=433mW U L =752V. Zatoowanie metody przedtawionej powyżej do analizy danych pomiarowych, prowadzi do otrzymania zbioru danych reprezentujących chwilowe wartości zatępczego napięcia i rezytancji ieci. Sieć zailająca ~ = Układ terowania modelu ieci Ry. 6. Struktura modelu toru zailania + Wyjście układu Na ryunku 7 zamiezczono przykładowe przebiegi czaowe prądów i napięć na zacikach układu modelu ieci trakcyjnej na tle parametrów wejściowych modelu: napięcia zatępczego U SEM i rezytancji ieci R S. Układ regulacji napięcia wyjściowego modelu ieci poprawnie realizuje woje zadanie w przypadku zmian prądu obciążenia i programowej zmiany zadanego napięcia idealnego źródła zailania U SEM, pod warunkiem ograniczenia tromości tych zmian do wartości, które nie wymagają przekroczenia wartości makymalnych prądu w układzie. -

5 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 177 U SEM U WY R SIECI I OBC Ry. 7.Przebiegi zadanego napięcia zatępczego źródła U SEM, napięcia wyjściowego układu U WY, zadanej rezytancji ieci R SIECI i prądu wyjściowego I WY 3.2. Superkondenatorowy zaobnik energii Model laboratoryjny zaobnika zbudowano zgodnie z kontrukcją rzeczywitego urządzenia w pomniejzonej kali. Składa ię z baterii 10 zeregowo połączonych ogniw LSUM 016R8L o pojemności 56F każda i umarycznym napięciu 150 V. Wy+ Bateria uperkondenatorów Wy- Układ terowania zaobnikiem. Część energoelektroniczną zaobnika tanowi dwukierunkowa przetwornica DC/DC z układami regulacji prądu i nadzoru nad napięciami ogniw. Algorytm terowania urządzeniem zotał podporządkowany regulacji prądu zadanego zaobnika i umożliwia użycie go do badania algorytmów terowania wymianą energii między iecią, napędem i zaobnikiem, które pozwalają na minimalizację trat energii w przewodach ieci trakcyjnej poprzez ograniczanie amplitud tych prądów. 4. Podumowanie Przedtawione rozwiązanie modelu układu zailania pojazdu przyjmuje znaczne uprozczenia zjawik zachodzących w rzeczywitości, ale pozwala na weryfikację algorytmów terowania zaobnikowym pojazdem trakcyjnym w tanach zbliżonych do rzeczywitych, ze zczególnym uwzględnieniem tanów dynamicznych. Zaletą rozwiązania jet możliwość wykonywania badań porównawczych dla różnych metod terowania zaobnikiem poprzez zapewnienie każdorazowo powtarzalnych warunków zailania napędu. Taka właściwość jet zczególnie cenna ze względu na potrzebę pozukiwania rozwiązań algorytmów terowania obejmujących pracę napędu w warunkach zmieniających ię w czaie w nieprzewidywalny poób. 5. Literatura [1]. Kobo W., Ciąćka M., Chudzik P., Trolejbuowy napęd trakcyjny z zaobnikiem uperkondenatorowym; Zezyty Problemowe - Mazyny Elektryczne nr 2(95), 2012, wyd. BOBRME KOMEL, [2]. Radecki A., Chudzik P.; Optymalizacja trat energii w torze zailania napędu trakcyjnego z zaobnikiem uperkondenatorowym; Zezyty Problemowe - Mazyny Elektryczne nr 2(94), 2012, wyd. BOBRME KOMEL, [3]. Gizińki P., Gizińki Z.: Kondenatorowy zaobnik energii dla pojazdów trakcji elektrycznej Czaopimo Techniczne. Elektrotechnika Nr R. 104, z. 1-E, Wydawnictwo PK, Kraków 2007, Informacje dodatkowe Praca naukowa oraz badania finanowane z projektu MNiSW nr N N nt. "Optymalizacja zużycia energii w trakcyjnych układach napędowych z wykorzytaniem zaobników uperkondenatorowych" - kierownik projektu dr inż. Piotr Chudzik. Ry. 8. Struktura układu zaobnika