ابرخازن و نقش آن در ذخیره انرژی سیستم های مترویی

ابر خازن و نقش آن در ذخیره انرژی سیستم های مترویی

دراین بخش با هدف مدل سازي و شبيه سازي قطار الكتريكي هيبريدي  به کمک ابرخازن ها و به منظور يافتن روش ها و متد هاي كنترلي اين وسايل انجام شده است و براي رسيدن به اين موضوعات و مباحث گوناگوني مورد بررسي قرار گرفته است.در مورد بهبود مصرف انرژي وسايل نقليه سنگين با استفاده از ابرخازن هاي با قدرت بالا در قطارهاي برقي تمركز مي نمايد.كارهاي انجام شده قبلي بهبود 15درصدي در وسايل نقليه كوچكتر را نشان ميدهد اما شبيه سازي هاي انجام شده در وسايل نقليه بزرگتر قابليت بهبود بالاتري را نشان مي دهد.مراحل تحقيق و بررسي مدلسازي و شبيه سازي ميزان توان انرژي مورد نياز بر قطارهاي خط  2متروي تهران تمركز دارد.

کاربرد ابر خازن

قابليت توان فوق العاده يك ابرخازن، عمر طولاني و دوام بالا براي كاهش توان هاي بزرگ گذرا، كاربرد ابرخازن ها را در وسايل نقليه ريلي و مترو بسيار مناسب مي كند.براي اين منظور با استفاده از تكنيك هاي مدلسازي وسايل نقليه و اطلاعات حاصل از نرم افزار Advisorو اطلاعات مربوط به قطارهاي خط 2 مترو تهران براي شناسايي و اندازه گيري پارامترهاي سیستم حاصل شد. يك مدل يك چهارم از يك واگن با ظرفيت بار كامل شامل يك موتور تركشن DC،132KV  تجهيز شده با ماژول هاي ابر خازن شبيه سازي شده بر اساس اطلاعات شركت MAXWELLبه ظرفيت 840Ahمي باشد.

به عنوان سيكل حركتي، حركت قطار مابين 1 ايستگاه  K2الي O2  (ايستگاه­هاي مابين امام علي تا بهارستان) با سرعت ماكزيمم km/h70 و با در نظر گرفتن مشخصات شيب و فراز و قوس خط مورد استفاده قرار گرفته است.شبيه سازي بيانگر بهبود راندمان كاهش انرژي موثري مي باشد.

• تاريخچه پيدايش وسايط نقليه هيبريد

تاريخچه پيدايش وسايط نقليه هيبريد به سالهاي قبل از 1900باز مي­گردد اما به طور عمده علاقه مندي به آنها در 15الي 20سال اخير گسترش يافته است.لفظ وسايل نقليه هيبريد عموما به وسايل نقليه با يك موتوراحتراق داخلي و يك موتور/ ژنراتور الكتريكي  (EM/G)اشاره مي كند. يك مساله مهم براي گسترش آنها هماهنگي بين چند منبع توان و مبدل ها وكنترل توزيع توان بين مسير الكتريكي و مسير مكانيكي است.

هدف هاي اصلي سيستم مديريت انرژي در تامين توان مورد نياز راهبر، ثابت نگه داشتن شارژ باتري، بهينه سازي راندمان وسيله نقليه و مصرف سوخت آلاينده ها خلاصه مي شود. در حال حاضر باتري­ها اولويت اول منابع ذخيره انرژي در وسایل نقليه هستند و افزودن 15 درصد به رنج تمام الكتريكي خوردو هيبريدي قيمت ذخيره را تقريبا 2 برابر مي كند.

 

 آشنايي با وسايل نقليه هيبريد

چالش اصلي در طراحي وسايل نقليه الكتريكي هيبريدي چگونگي مديريت چند منبع انرژي است كه به سيكل حركت، حجم منبع ذخيره انرژي، اندازه موتور الكتريكي و مديريت باتري بستگي دارد. هدف نهايي بيشينه نمودن راندمان كلي سيستم حركتي است در حالي كه كارايي قابل قبولي درزمينه شتاب گيري، پاسخ ديناميكي، سرعت، راحتي و غيره ارائه داده باشد

مدل سيستم ذخيره كننده انرژي

مدل ابرخازن مهمترين جزء مدلسازي قطار هيبريدي است. تغييرات اندك در پارامترهاي اين مدل ابرخازن مي تواند اثرات بزرگي روي كارايي سيستم هيبريد و در نتيجه ذخيره انرژي بگذارد. در اين بخش مدل به كار رفته در اين مطالعه و مدل پيشنهادي Maxwellو براساس اطلاعات شركت Maxwellارائه مي شود عموماً يك ابرخازن توسط يك مدار RCساده چنانچه در شكل زير نشان داده شده است مدل مي شود اين مدل شامل مولفه خازني اصلي و همچنين مولفه مقاومت سري معادل يا ESRمي باشد.

براي مدل كردن مدار ساده استفاده از مقادير ثابت براي مولفه هاي خازني و مقاومتي ممكن است كافي به نظر برسد. با اين حال در موارد بسيار گذرا ممكن است اين مدل به قدر كافي دقيق نباشد. رابطه زير انرژي ذخيره شده در خازن را نشان ميدهد.

مدار Maxwell

اين رابطه و قوانيني مانند قانون اهم و تلفات توان براي محاسبات انرژي، توان و حالت شارژ SOCخازن به كار رفته است. اين مدل از جدولهاي مراجعه دو بعدي براي ظرفيت و مقاومت شارژ و تخليه خازن كه توسط جريان و دما نگاشت شده اند استفاده مي كنند. مقادير مورد نياز براي محاسبات و مدلسازي از اطلاعات در دسترس شركت Maxwellاخذ شده­اند. با استفاده از اين اطلاعات مدل ساده و دقيقي براي محاسبه پارامترهاي خازن مانند دماي خازن، ولتاژ مدار باز و SOCدر محيط Simulink ايجاد گرديده است.

مدلي با جزييات بيشتر كه توسط Maxwellتوليد شده است اين شركت يكي از بزرگترين توليد كننده هاي ابرخازن، اسناد فني­اي را براي مدلسازي جزئيات الكتريكي و گرمايي خازن BoostCap توليد اين شركت، در دست انتشار دارد و توسط چندين تست مورد تاييد قرار گرفته است. در حاليكه مدل بكار رفته در اين مطالعه از يك مدار معادل مقاومتي خازني استفاده مي كند، مدل Maxwellشامل چندين مقاومت و يك سلف به همراه مقاومت هاي جانبي كه در يك پك ابرخازن وجود دارد، است.

در مدل Maxwellظرفيت C وسط يك جدول دو بعدي كه با توجه به ولتاژ و جريان معرفي شده است قرار داده مي شود.اطلاعات لازم براي ساختن اين مدل براي شبيه سازي بسيار حياتي است چرا كه ظرفيت اصلي به شدت به ولتاژ وابسته است.نمونه اي از اين وابستگي را در جدول زير مشاهده مي­كنيم.

شبيه سازي

در اين بخش شبيه سازي ها با استفاده از مدلهاي ارائه شده در بخش هاي قبلي و توسط اطلاعات

موجود در مورد سير و حركت قطار آورده مي شود. همانطور كه قبلا گفته شده در اين مطالعه از

مشخصات خط متروي 2 تهران ايستگاه­هاي ما بين O2تا  K2(حسن آباد تا دروازه شميران) استفاده

شده است. مشخصات خط 2 مترو تهران ما بين ايستگاههاي K2تا  O2قسمت فوقاني، سرعت بر

حسب زمان، قسمت مياني در صد شيب بر حسب مسافت، قسمت پاييني درجه قوس بر حسب

مسافت پس از ارائه و اعمال نيروهاي متفاوت به سيستم و تحليل آن خروجي به صورت هاي زير

نشان داده شده است.

 

مقایسه توان در حالت های مختلف

پس از ارائه و اعمال نيروهاي متفاوت به سيستم و تحليل آن خروجي به صورت هاي زير نشان داده شده است

شكل هاي فوق به ترتيب سرعت موتور تراكشن و توان مورد نياز آن را نشان مي دهند كه همان تواني است كه بايد توسط ريل سوم و ابرخازن تامين گردد. در شكل هاي زير نشان داده مي شود كه چه بخشي از توان را ابرخازن و چه مقدار از آن را شبکه تامین می کند

توان­هاي منفي بيانگر توان برگشت داده شده در حالت ترمزي مي باشند كه اين توان صرف شارژ نمودن خازن مي گردد.بنا بر اين اين بخش از توان به نمودار شبكه راه پيدا نمي كند. مي توان به عنوان هدف هاي آينده ، كنترل شارژ خازن را در نظر گرفت تا به عنوان مثال در ابتداي حركت از هر ميزان شارژ مشخصي در آن موجود باشد تا از آن به عنوان قابليت اطمينان بيشتر در زمان بي برق شدن ريل سوم و همچنين بافري براي ولتاژ شبكه استفاده گردد

با احتساب مقادير پاياني، انرژي تامين شده توسط ابر خازن برابر 1380وات ساعت و انرژي كل برابر 3830وات ساعت به دست مي آيند. بنابراين مقدار 36درصد كل انرژي ذخيره شده و بازيابي شده توسط ابر خازن تامين شده و بقيه انرژي شود. مورد نياز از ريل سوم رسانده می شود.

استفاده از بيشترين ظرفيت خازن

براي كمينه سازي مصرف انرژي قطار كه هدف اين مطالعه مي باشد، توان هزينه اي گوناگوني

مورد بررسي قرار گرفته است. همچنين بهينه سازي بر اساس دو هدف متفاوت نيز بررسي گرديد.

در ابتدا هدف استفاده از بيشترين ظرفيت توان خازن براي تامين توان مورد نياز، قرار گرفته است

كه با تعريف حالت شارژ خازن socو تعريف قيود سيستمي و تابع هزينه مناسب و با استفاده از

برنامه ريزي پويا پياده سازي شده است.

0.5 ≤ SOC ≤ 1محدود شده است. با متناسب بودن SOCبا ولتاژ ، بيشينه و كمينه ولتاژ مجاز

 

هر سلول ابرخازن 128و 64 ولت خواهد بود. محدوديت هاي تواني ابر خازن به ميزان SOCجاري

و پارامتر هاي يك ابرخازن بستگي دارد لذا ولتاژ ماكزيمم و برابر 128ولت براي هر سلول مي باشد.

جريان ابرخازن توسط ماكزيمم جريان مجاز قابل تحمل آن محدود مي­شود. محدوديت گشتاور موتور

به سرعت جاري موتور وابسته است كه اين محدوديت در شكل راندمان موتور قابل نمايش است.

با انجام شبيه سازي هاي گوناگون نرخ مصرف در قطار به طرز محسوسي تغيير كرده و توان مصرفي

از شبكه بسته به ميزان شارژ اوليه خازن متفاوت مي باشد.به عنوان مثال با در نظر گرفتن شارژ اوليه

ابرخازن برابر 0.8نتيجه شبيه سازي انجام گرفته آورده شده است.

جمع بندي و نتيجه گيري

با استفاده از روابط حاكم بر سيستم و در نظر گرفتن ساختار مورد نظر مدلي ساده براي قطار

هيبريد ارائه شد. لازم به ذكر است اين مدل با توجه به هدف اين مطالعه به دست آمده است

و در مواردي جهت ساده كردن مسائل از در نظر گرفتن برخي تجهيزاتي كه در عمل در قطار به

كار مي روند مانند مبدل ها صرف نظر گرديده است. همچنين تكنولوژي هاي ذخيره سازي انرژي

به صورت خاصه معرفي و مقايسه گرديد و با مروري بر تحقيقات و منابع در رابطه با بهينه سازي

انرژي در قطارهاي الكتريكي و هيبريدي پيش زمينه اي براي گسترش بحث ايجاد شده است