Energy Optimal Operation of Electric Trains: Development of a Driver Advisory System

Ghaviha, N. (2016). Energy Optimal Operation of Electric Trains: Development of a Driver Advisory System. Licentiatsavhandling i energi och miljöteknik vid Mälardalens högskola.

Abstract

Elektriska traktionssystem i tåg är det mest energieffektiva alternativet inom transportsektorn, och dessutom har det lägst NOx- och CO2-utsläpp i jämförelse med andra transportsystem (exempelvis bussar, personbilar, flygplan, etc.). Å andra sidan är de relativt dyra, främst på grund av höga installations- och underhållskostnader för kontaktledningssystem, inklusive t.ex. luftledningar och transformatorstationer. Följaktligen är andelen elektrifierade linjer något högre än andelen icke-elektrifierade linjer. I Europa är endast 60 % av järnvägsnäten elektrifierade, och andelen är till och med mycket lägre i andra världsdelar.

Batteridrivna tåg representerar en ny generation av eltåg som kan nå rimliga kostnader samtidigt med låga CO2-utsläpp och låg energiförbrukning. För närvarande finns det bara två batteridrivna elektriska tåg utvecklade och båda tågen är passagerartåg med elektriska multipla enheter (EMUs). En EMU är ett elektriskt tåg med drivsystem i mer än en vagn, i motsats till lokomotiveltåg som har framdrivningssystemet centrerat till en enda vagn. Energihantering under driften av batteridrivna tåg är en viktig uppgift, och vid en energioptimal drift av tåget tillsammans med en optimerad användning av batterier ökar både driftstiden och livscykeln för batterierna.

Energioptimal drift tillämpas i tågdrift med hjälp av ett system som kallas förarrådgivning (eng. Driver Advisory Support, DAS). DAS är ett system som instruerar tågföraren om hur man kör tåget med minimal energiförbrukning.Syftet med denna forskning är att föreslå en algoritm för hastighetsprofilsoptimering av både vanliga EMU:er samt motsvarande batteridrivna. Den önskade algoritmen skall vara lämpad att användas som en bas för ett online-DAS med kort svarstid. Olika metoder föreslås i litteraturen för hastighetsprofilsoptimering av eltåg, och några även för hastighetsprofilsoptimering av batteridrivna elektriska tåg. De tågmodeller som används har oftast ett så kallat “notch”-system för kontrollering av dragkraft. Den föreslagna lösningen i detta forskningsprojekt är att använda diskret dynamisk programmering (DP) för att hitta den optimala hastighetsprofilen. Tillämpning av DP studeras för hastighetsprofilsoptimering av EMU:er både med ”notch”-system samt EMU:er med ett kontinuerligt glidhandtag för styrning av dragkraft. Problemet löses för både normala EMU:er och batteridrivna EMU:er.Resultaten av denna forskning visar att DP kan ge korrekta resultat inom rimlig tid. Vidare kan den föreslagna algoritmen användas som en bas för en DAS med snabb svarstid (realtid).