Coordinated multi-level model predictive control of energy in electric railway traction systems : doctoral thesis - Novak, Hrvoje; Vašak, Mario (Zagreb : H. Novak ; Faculty of electrical engineering and computing, 2019)
Railway transport systems are complex technical systems that consume significant amounts of energy and are suitable for advanced energy management approaches to make them more proactive participants in the next generation electrical smart grids. A railway energy management system based on hierarchical coordination of traction substation energy flows and on-route trains energy consumption is proposed in the thesis. The railway system is divided into energy-efficient individual trains energy consumption management as lower level, and the price-efficient traction substation energy flows management as higher level. Lower, trains energy consumption level jointly optimizes the on-route energy consumption of each individual train while respecting the route constraints and timetables, while the higher, energy flows management level balances the energy flows between accelerating trains energy consumption, decelerating trains energy production, local energy storages and energy taken from the grid. The levels are then coordinated through parametric hierarchical model predictive control with the main goal of additionally increasing the energy efficiency and decreasing the operational costs of the overall system. Through interactions with the utility power grid on the higher level, the system is able to provide ancillary services and respond to various grid requests. At the same time, lower level trains driving profiles are adjusted to attain the minimal cost of system operation with timetables and on-route constraints respected.
The approach of hierarchical decomposition and coordination is not only limited to railway systems but is suitable for application to many different complex systems such as buildings or water distribution systems, whose comprehensive consideration in a single control system makes it challenging for real-time implementation.
The proposed methodology is validated with an extensive case study analysis. Validation environment and simulation scenarios are put together following the guidance of industry experts such that relevant phenomena are included and realistic system behaviour is achieved.
Keywords: piecewise-affine train model; energy-efficient train traction control; energy storage systems; cost-efficient traction substation energy flows control; railway system energy management; multi-parametric model predictive control; critical regions; hierarchical coordination.
Značajni potrošači energije nerijetko su u svojoj biti složeni tehnički sustavi kojima je izazovno upravljati. Istovremeno osiguravanje uvjeta za pravilno odvijanje unutarnjih procesa takovih sustava te poštivanje zahtjeva za razmjenu energije s energetskim distribucijskim i/ili prijenosnim mrežama uz zadovoljenje odgovarajućih ekoloških standarda otežava razmatranje svih interakcija u jednom upravljačkom problemu. Stoga se često nastoji koristiti distribuirane ili hijerarhijske upravljačke pristupe u kojim se zasebno razmatraju manji podsustavi, otvarajući tako mogućnost njihova jednostavnijeg upravljanja u skladu sa zajedničkim ciljem cijelog sustava.
Željeznički transportni sustavi primjer su takvih složenih tehničkih sustava koji u svakodnevnom radu troše značajne količine energije te su pogodni za primjenu naprednih sustava gospodarenja energijom kako bi ih se transformiralo u proaktivne sudionike naprednih elektroenergetskih mreža. željeznički sustav, iz aspekta upravljanja, može se podijeliti na energetski učinkovitu razinu upravljanja potrošnjom pojedinog vlaka (donja razina), te cjenovno učinkovitu razinu upravljanja tokovima energije elektrovučne podstanice (gornja razina). Donja razina potrošnje energije vlakova optimira potrošnju svih vlakova uz poštivanje ograničenja i voznog reda, dok gornja razina uravnotežuje tokove energije između potrošnje vlakova u ubrzanju, proizvodnje energije vlakova u kočenju, spremnika za pohranu energije te energije razmjene s elektroenergetskom mrežom. Razine se potom međusobno usklađuju pomoću višeparametarskog hijerarhijskog modelskog prediktivnog upravljanja s glavnim ciljem dodatnog povećanja energetske učinkovitosti i smanjenja troškova rada cjelokupnog sustava. Kroz međudjelovanje s elektroenergetskom mrežom na višoj razini, sustav je u mogućnosti pružiti pomoćne usluge i udovoljiti različitim zahtjevima operatera elektroenergetskog sustava.
Pristup hijerarhijske dekompozicije i koordinacije nije ograničen samo na primjenu u željezničkim transportnim sustavima, već je pogodan i za upotrebu u drugim složenim sustavima poput zgrada ili vodoopskrbnih sustava čiji se rad također može podijeliti na više povezanih podsustava.
Predložena metodologija potvrđena je opsežnom analizom studije slučaja. Validacijsko okruženje i simulacijski scenariji sastavljeni su uz konzultacije s Industrijskim savjetodavnim odborom projekta 3CON -- Control-based Hierarchical Consolidation of Large Consumers for Integration in Smart Grids, te su uzeti u obzir mnogi relevantni čimbenici i postignuto je realno ponašanje sustava.
Ključne riječi: po dijelovima afini model vlaka; energetski učinkovito upravljanje vučom vlaka; spremnici električne energije; cjenovno učinkovito upravljanje tokovima energije elektrovučne podstanice; gospodarenje energijom u željezničkim elektrovučnim sustavima
Bibliografija str. 105-113.