Cung cấp điện kéo cho đường sắt đô thị
Cung cấp điện kéo cho đường sắt đô thị – Traction Power Supply
1. Khái niệm hệ thống cung cấp điện kéo
- Traction Power Supply (TPSS) là hệ thống cung cấp điện chuyên dụng để cấp năng lượng trực tiếp cho tàu điện (đầu máy/toa xe), vận hành trên mạng điện xoay chiều hoặc một chiều
- Dùng trong metro, tram, tàu điện mặt đất, đường sắt đô thị – đảm bảo tàu chạy ổn định, an toàn và hiệu quả.
2. Cấu trúc – thành phần chính của TPSS
TPSS thường gồm hai phần cấp điện chính:
- Main Substation (MS): trạm biến áp cấp điện trung thế (AC35–110 kV) từ lưới điện quốc gia.
- Traction Substation (TS): trạm chuyển đổi:
- Máy biến áp → thiết bị chỉnh lưu (rectifier) – tạo ra điện DC.
- DC switchgear, MCCB, voltage limiting device.
- Có tích hợp hệ thống tái thu hồi năng lượng phanh, lưu trữ (supercapacitor, pin)
- Hệ thống SCADA/GSM/4G giúp giám sát và điều khiển thông minh .
Ví dụ: lưới 33 kV → biến áp → 1.5 kV DC cho tàu điện (như Shanghai Metro)
3. Điện áp sử dụng – AC vs. DC
- DC thấp áp (750 – 3000 V): phổ biến trong metro, tram; ưu điểm điều khiển dễ dàng, hiệu quả phanh tái sinh, hạn chế nhiễu đường ray .
- HV DC (High‑Voltage DC Traction Power Supply, HDTPS): dùng mạng lưới DC cao áp từ trung tâm đến TS, giảm thất thoát, nhiễu, tăng hiệu quả tái sinh
- AC 25 kV: dùng trên đường sắt tốc độ cao/suburban, ít dùng cho metro.
4. Tái sinh năng lượng phanh
- Tàu phanh tích năng lượng điện đưa ngược vào lưới DC/AC, tiết kiệm khoảng 30–35 % tổng năng lượng.
- Một số metro như Barcelona còn dùng năng lượng tái sinh để sạc xe điện bên ngoài nhà ga – giảm chi phí điện hóa đáng kể .
5. Giải pháp thông minh – quản lý hiệu quả năng lượng
- Hệ thống TPSS tích hợp 4G/SCADA để giám sát và điều khiển từ xa .
- Tích hợp lưu trữ năng lượng hỗ trợ cân bằng tải, giảm dòng đỉnh, ổn định điện áp .
- Tích hợp pin/MVDC + điện tái sinh giúp giảm tiêu hao và phát thải.
6. Mô hình thiết kế & tính toán
- Thiết kế dựa trên:
- Lộ trình, mật độ tàu, ứng suất điện áp
- Cân bằng cung – cầu điện theo giờ cao điểm/giờ thấp
- Chuẩn quốc tế: IEEE P1653.2, EN 50163, IEC 60850
- Phân tích tính toán tải AC/DC, mất mát, tin cậy vận hành qua mô phỏng .
7. Vấn đề tin cậy & bảo trì
- Trạm kéo phải đảm bảo tiếp nguồn chéo (cross-district supply), có độ tin cậy rất cao, khớp với yêu cầu hoạt động metro thời gian thực .
- Cần phân tích điểm yếu, chu kỳ bảo dưỡng định kỳ, thay mới các thiết bị giữ điện áp ổn định .
Kết luận – Xu hướng phát triển tương lai
- Dự án metro đẩy mạnh tích hợp:
- Lưu trữ năng lượng + tái sinh phanh để giảm chi phí và tổn hại môi trường.
- Điều khiển và giám sát thông minh, nâng cao tin cậy và bảo trì.
- Hệ thống HDTPS/DC trung áp trở thành giải pháp hiệu quả cho metro lớn, cải thiện hiệu suất truyền dẫn và giảm tổn thất.
- Xu hướng tích hợp năng lượng tái sinh với môi trường (solar, EV-charging), hướng tới phát triển xanh, bền vững – như Barcelona, Chennai, Shanghai
