طراحی ذخیره‌ساز ابرخازنی و کنترل بهینه آن به‌منظور صرفه‌جویی انرژی در سیستم قطارشهری

نویسندگان

دانشگاه صنعتی شاهرود - دانشکده مهندسی برق و رباتیک

چکیده

در این مقاله یک سیستم ذخیره‌ساز انرژی بر پایه ابرخازن، برای ذخیره‌سازی انرژی بازتولیدی پیشنهاد می‌شود. این سیستم ذخیره‌ساز، شامل یک ابرخازن و دو مبدل DC-DC نیم‌پل دوسویه است. با توجه به‌این‌که شبکه مترو شامل یک مسیر رفت و یک مسیر برگشت است با استفاده از این سیستم ذخیره‌ساز پیشنهادی امکان تبادل انرژی بین خطوط رفت و برگشت میسر می‌شود. همچنین به‌دلیل استفاده از یک تجهیز ذخیره‌کننده برای هر دو مسیر از لحاظ هزینه‌های جاری و کاهش تلفات مقرون‌به‌صرفه است. بنابراین، هدف اصلی این مقاله طراحی سیستم ذخیره‌ساز و نیز تعیین پارامترهای کنترلی آن با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات با هدف صرفه‌جویی انرژی در شبکه مترو است. شبیه‌سازی‌ها در نرم‌افزار MATLAB/Simulink و بر اساس داده‌های واقعی قطار شهری مشهد انجام شده است. شبیه‌سازی در دو حالت با و بدون در نظر گرفتن سیستم ذخیره‌ساز انرژی انجام شده است. برخی از پارامترهای عملکردی شامل ولتاژ باس و جریان پست‌ها در این دو حالت به‌دست آمده است. مقایسه نتایج شبیه‌سازی، کارآمدی سیستم ذخیره‌ساز پیشنهادی را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Supercapacitor Storage Design and Optimal Control of it for Energy Saving in Urban Rail Transit System

نویسندگان [English]

  • E. Rahimi
  • A. Dastfan
Faculty of Electrical and Robotic Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

In this paper, an energy storage system is proposed for saving regenerative braking energy based on supercapacitor. This storage system includes a supercapacitor and two bidirectional half-bridge DC-DC converters. Since the metro network includes a forward path and a backward path, by using this proposed storage system it is possible to exchange energy between forward and backward lines. Also, it is affordable in terms of operating costs and reduction of losses because of using one storage devices for both paths. Therefore, the main purpose of this paper is designing storage system and also determination of its control parameters using Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm with the objective of energy saving in metro network. Simulations has been done in MATLAB / Simulink software and based on actual data of Mashhad urban railway. The simulation has been done in two modes, with and without energy storage system. Some operational parameters including bus voltage and currents of substations have been obtained in these two modes. Comparison of simulation results shows the effectiveness of the proposed method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • supercapacitor
  • energy storage system
  • railway transport network
  • energy saving
  • optimization methods

مراجع

[1] جمشید آقایی، سید احسان باقری، سجاد شفیعی، طاهر نیکنام و سید محسن باقری، «بررسی پاسخ‌گویی شبکه توزیع هوشمند به عملکرد خودروهای الکتریکی هیبریدی قابل اتصال به شبکه»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز, جلد47، شماره1، صفحات 20-11، 1396.
[2] Z. Gao, J. Fang, Y. Zhang, L. Jiang, D. Sun and W. Guo, “Control     of urban rail transit equipped with ground-based supercapacitor for energy saving and reduction of power peak demand,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 67, pp. 439-447, 2015.
[3] R. Teymourfar, B. Asaei and H. Iman-Eini, “Stationary super-capacitor energy storage system to save regenerative braking energy in a metro line,” Energy Conversion and Management, vol. 56, pp. 206-214, 2012.
[4] M. Steiner, M. Klohr and S. Pagiela, “Energy storage system   with ultracaps on board of railway vehicles,” Power Electronicsand Applications, European Confereenc, pp. 1-10, 2007.
[5]  سعید احمدی، علی دستفان، «صرفه‌جویی در مصرف انرژی الکتریکی سیستم قطار شهری با استفاده از الگوی سرعت مناسب»، نهمین کنفرانس بین المللی برق, 1393.
[6] A. González-Gil, R. Palacin, P. Batty and J. Powell, “A systems         approach to reduce urban rail energy consumption,” Energy          Conversion andManagement, vol. 80, pp. 509-524, 2014.
[7] X.-l. Chen, D.-q. Liang and W.-d. Zhang, “Braking energy     recovery for electric traction based on super-capacitor and bidirectional dc-dc converter,” 7th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC), vol.2, pp. 879-883, 2012.
[8] A. González-Gil, R. Palacin and P. Batty, “Sustainable urban rail   systems: strategies and technologies for optimal management of regenerative braking energy,” Energy conversion and management, vol. 75, pp. 374-388, 2013.
[9] T. Albrecht, “Reducing power peaks and energy consumption in rail transit systems by simultaneous train running time control,” Power Supply, Energy Management and Catenary Problems, pp. 3, 2004.
[10] A. Nasri, M. F. Moghadam and H. Mokhtari, “Timetable optimization for maximum usage of regenerative energy of braking in electrical railway systems,” Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion (SPEEDAM), pp. 1218-1221, 2010.
[11] D. Cornic, “Efficient recovery of braking energy through a reversible dc substation,” Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS), pp. 1-9, 2010.
[12] R. Barrero, X. Tackoen and J. Van Mierlo, “Improving energy efficiency in public transport: stationary supercapacitor based energy storage systems for a metro network,” Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-8, 2008.
[13] F. Foiadelli, M. Roscia and D. Zaninelli, “Optimization of storage devices for regenerative braking energy in subway systems,” Power Engineering Society General Meeting, 2006.
[14] F. Ciccarelli, Energy Management and Control Strategies for the Use of Supercapacitors Storage Technologies in Urban Railway Traction Systems, Ph.D. Thesis, 2014.
[15] F. Ciccarelli, D. Iannuzzi, K. Kondo and L. Fratelli, “Line-voltage control based on wayside energy storage systems for tramway networks” IEEE Transactions on Power Electronics, vol.31, no.1, pp. 884-899, 2016.
[16] F. Ciccarelli, D. Iannuzzi and P. Tricoli, “Control of metro-trains equipped with onboard supercapacitors for energy saving and reduction of power peak demand,” Transportation Research Part C: Emerging Technologies, vol. 24, pp. 36-49, 2012.
[17] D. Iannuzzi and P. Tricoli, “Supercapacitor state of charge control based on changeover finite state controller for metro-train applications,” in International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), pp. 550-556, 2011.
[18] Z. Yi-cheng, W. Lu-lu, Z. Xue-jun and L. Hai-quan, “Design of supercapacitor-based energy storage system for metro vehicles and its control rapid implementation,” in Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-4, 2008.
[19] S. Ahmadi and A. Dastfan, “Energy saving in urban railway using speed profile optimization,” 2016 24th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), PP. 1076-1081, 2016.
[20] X. Shen, S. Chen, G. Li, Y. Zhang, X. Jiang and T. T. Lie, “Configure methodology of onboard supercapacitor array for recycling regenerative braking energy of URT vehicles,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 49, pp. 1678-1686, 2013.
[21] Supercapacitordatasheet,Maxwellsite:http://www.maxwell.com/
Products/ultracapacitors/k2-3-series/documents.
[22] K. D. Pham, R. S. Thomas, and W. E. Stinger JR, “Operational and safety considerations for light rail dc traction    electrification system design,” Experience, Economics, and Evolution, pp. 650, 2003.
[23] N. Mohan and T. M. Undeland, Power Electronics: Converters, Applications, and Design: John Wiley & Sons, 2007.
[24] R. Todd, D. Wu, J. dos Santos Girio, M. Poucand and A. Forsyth, “Supercapacitor-based energy management for future aircraft systems,” in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),Twenty-Fifth Annual IEEE, pp. 1306-1312, 2010.
[25]  سید محمدرضا موسوی، محمد خویشه، احسان ابراهیمی و فلاح محمدزاده، «دسته‌بندی اهداف سوناری توسط الگوریتم بهینه‌ساز ازدحام ذرات با گروه‌های مستقل»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز, جلد47، شماره1، صفحات 274-263، 1396.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار