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Formation REMSNCF, Paris,Octobre 2013
“Energetic Macroscopic Representation”
1
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Dr. Tony LETROUVE, Dr. Walter LHOMME, Prof. Alain B OUSCAYROL
L2EP, University Lille1, MEGEVH network.
Tletrouve@gmail.com
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 2Plan
1. REM et SMC de la locomotive BB 63000
2. REM et SMC de la locomotive PLATHEE
3. Etudes effectuées et résultats de simulations
4. Conclusion et perspectives
Formation REMSNCF, Paris,Octobre 2013
“Energetic Macroscopic Representation”
3
REM et SMC de la locomotive Diesel-Electrique BB 63000
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 4
Wheels
DCM
Traction system
4x
100 kW
Système étudié : Locomotive Diesel-Electrique BB 63 000
Aux.
DCBus
Simplifications du système : Une MCC à aimant permanent remplace les 4 MCC à excitation série, Les auxiliaires sont négligés Le bus DC est considéré comme une source parfaite, Le système de génération n’est pas considéré.
610 kW
Moteur Diesel
DieselEngine
SM
Generation system
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 5
Wheels
DCM
DCBus
Busitot
Vbus
Bus DC
idcm
Vchop
mchop-ref
hacheur
Cdcm
Ωdcmedcm
idcm
DC machine
Fwh
vtrain
Roue
Cred
Ωred
Réducteur
vtrain
Freinsvtrain
Fbrakes-ref
Fbrakes
Ftot
Couplage
vtrain
Fres
Châssis
Env.
Env
Simplifications du système : Une MCC à aimant permanent remplace les 4 MCC à excitation série, Les auxiliaires sont négligés Le bus DC est considéré comme une source parfaite, Le système de génération n’est pas considéré.
REM de la Locomotive Diesel-Electrique BB 63000
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 6
DC bus
uC
itot
ich1
uC
choppers
ich2
uC
ich3
uC
ich4
uC
ich5
uC
ich6
uC
Ωgear
Tmach
itot
uC
Lch
Lch
Lch
Lch
Lch
Lch
Lfield iarm
uch6
uch
umach ich6 iL6
mch1
uch1
iL1
mch2
uch2
iL2
mch3
uch3
iL3
mch4
uch4
iL4
mch5
uch5
iL5
mch6
uch6
iL6
iL1
uch
iL2
uch
iL3
uch
iL4
uch
uch
iL5
iL6
uch
inductors
iL
uch
uch
ifeld
DC machine
ifeld
umach
fieldfieldmachchfieldfield iruuidt
dL −−=
emach
iarm
iarm
umach
armarmmachmacharmarm ireuidt
dL −−=
Tmach
Ωgear
Ω===
gearfieldmachmach
armmacharmfieldmachmach
ike
ikiikT 2
jLchchjchjLch iruuidt
dL ,,, −−=
==
jLjchjch
Cjchjch
imi
umu
,,,
,,
=∑=
6
1,
common
jjchtot
C
ii
u
[Mayet 2012]
REM de la partie traction de la Locomotive BB 63000
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 7
Fres
Env.
Ftot
wheel adaptation chassis
4
Twh
Ωwh
Fwh
vtrain vtrain
Ftract
gearbox brake
vtrain
vtrain
Brake
vtrain
Fbk
Fbk-ref
Tmach DC bus
uC
its
adaptation
4
Ωgear
uch
iarm emach mch
ich
uC
chopper DC machine
iarm
iarm_ref Fwh_ref Ftract_ref Ftot_ref uch_ref vtrain_ref Tgear_refTmach_ref kD
4
strategy
Commande de la partie traction de la Locomotive BB 63000
[Mayet 2012]
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 8
Wheels
4*DCM100 kW
DCBus
Aux.
Busitot
Vbus
ichop
Vchop
4
Adapt.
ichop
Vchop
4
Adapt.
idcm
Vchop
mchop-ref
Cdcm
Ωdcmedcm
idcm Fwh
vtrain
Cred
Ωred vtrain
Freinsvtrain
Fbrakes-ref
Fbrakes
Ftot vtrain
Fres
Env.
REM de la Locomotive Diesel-Electrique BB 63000
Simplifications du système : Une MCC à aimant permanent remplace les 4 MCC à excitation série, Les auxiliaires sont négligés Le bus DC est considéré comme une source parfaite, Le système de génération n’est pas considéré.
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 9
itot
Vbus
AuxVbus
iaux
Ajout des auxiliaires électriques et du condensateu r de bus
itot
Vbus
ichop
Vchop
4ichop
Vchop4
idcm
Vchop
mchop-ref
Cdcm
Ωdcmedcm
idcm Fwh
vtrain
Cred
Ωred vtrain
Freinsvtrain
Fbrakes-ref
Fbrakes
Ftot vtrain
Fres
Env.
Wheels
4*DCM100 kW
DCBus
Aux.
Simplifications du système : Une MCC à aimant permanent remplace les 4 MCC à excitation série, Les auxiliaires sont négligés Le bus DC est considéré comme une source parfaite, Le système de génération n’est pas considéré.
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 10
Wheels
DCBus
610 kW
DieselEngine
SM
Generation system
Aux.
Simplifications du système : Une MCC à aimant permanent remplace les 4 MCC à excitation série, Les auxiliaires sont négligés Le bus DC est considéré comme une source parfaite, Le système de génération n’est pas considéré.
REM de la Locomotive Diesel-Electrique BB 63000
4*DCM100 kW
itot
Vbus
AuxVbus
iaux
itot
Vbus
ichop
Vchop
4ichop
Vchop4
idcm
Vchop
mchop-ref
Cdcm
Ωdcmedcm
idcm Fwh
vtrain
Cred
Ωred vtrain
Freinsvtrain
Fbrakes-ref
Fbrakes
Ftot vtrain
Fres
Env.
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 11
chopper & inverter //
uc
uc
ir sm
is sm
ird
vrd
us
is1,2
mch
mrec
θsm
vsdq
isdq
vrsd
irsd
irsd
ersd
vsq
isq
isq
esq
Tsm
Ωsh
WRSM
DC bus
uc
ism
ICE
TICE
Ωsh
TICE_ref
Fuel consumption map
+= smssmrsm
c
iii
u common
( )
=+Ω=Ω−=
=
sqksmdsm
rdsrsdsdshsq
shsqsqsd
rd
iXpT
iMiLpe
iLpe
e
η
0
ICEsmshshshsh TTdt
dJf −=Ω+Ω
ird
uc
ism
ir sm
is sm
is1
is2 us12
us13
vrd
Ωsh
Tsm
Ωsh
TICE
DC bus
chopper & Inverter
synchronous machine
ICE
[Mayet 2013a]
Modèle et représentation dynamique de la génératric e
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 12
θsm
chopper & inverter //
DC bus
uc
ism
ICE
uc
uc
ir sm
is sm
ird
vrd
us
is1,2
vsdq
isdq
vrsd
irsd
irsd
ersd
vsq
isq
isq
esq
Tsm
TICE Ωsh
Ωsh
TICE_ref
mch
mrec
WRSM
is sm
Tsm_ref
irsd_ref
isq_ref vsq_ref
vrsd_ref
vsdq_ref us_ref
vrd_ref
KD1,2
Ωsh_ref
strategy ism_ref
Modèle et représentation dynamique de la génératric e
[Mayet 2013a]
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 13
DC bus
uc
ism
ICE
Tsm
TICE Ωsh
Ωsh
TICE_ref
Tsm_ref
strategy ism_ref
Ωsh_ref
Hypothèse:
Les dynamiques rapides (électriques) sont négligées
La commande en couple de la machine est considérée comme
parfaitement réalisée
refsmsmsmc
smc
cksm
shsmsm TT
iu
iuk
u
Ti _ and
0 when1
0 when1 with =
<−≥
=Ω=η
Modèle et représentation quasi-statique de la génér atrice
[Mayet 2013a]
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 14
Simplifications du système : Une MCC à aimant permanent remplace les 4 MCC à excitation série, Les auxiliaires sont négligés Le bus DC est considéré comme une source parfaite, Le système de génération n’est pas considéré.
REM de la Locomotive Diesel-Electrique BB 63000
Vbus
igeneΩarb
Cms
Cmth
Ωarb
Mthitot
Vbus
AuxVbus
iaux
itot
Vbus
ichop
Vchop
4ichop
Vchop4
idcm
Vchop
mchop-refCms-ref
Cdcm
Ωdcmedcm
idcm Fwh
vtrain
Cred
Ωred vtrain
Freinsvtrain
Fbrakes-ref
Fbrakes
Ftot vtrain
Fres
Env.
Wheels
DCBus
610 kW
DieselEngine
SM
Generation system
Aux.
4*DCM100 kW
Formation REMSNCF, Paris,Octobre 2013
“Energetic Macroscopic Representation”
15
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 16Contexte et objectif de la locomotive PLATHEE
SNCF has developed a demonstrator of a
new hybrid locomotive1
First energy managements have been
developed in heuristic way2
Problematic : even if electric railway transportation is often used, diesel-
electric locomotives are still used for non-electrified segment and specific tasks
(switching, shunting, assistance operation…).
[AKLI 2007] [JAAFAR 2009]
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 17
Traction
SM
Wheels
DCM4*100 kW
Aux.
Génératrice
610 kW
DCBus
DieselEngine
Système de stockage
215 kW
Moteur DieselBat. 1 160 NiCd batteries
(194 kWh)
1 600 Scaps (6,94 kWh)Moteur DieselSuperCap.
Stratégie de gestion
de l’énergie
Architecture de la locomotive PLATHEE
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 18
mch2,j.
vch2,j
ich2,j
is2,j
ubt tot,j mch1j,.
vch1,j
is1,j
is1,j
ubt tot,j
mch3,j.
vch3,j
is3,j
is3
ubt tot,j
imod bt,j
uc
ich1,j
ich3,j
uc
uc
uc
is2,j
// smoothing inductor choppers //
Bat.
Bat.
Bat.
Bat.
Bat.
ubt tot,j
ibt,j
series
DC busuc
ibt DC
=∑=
3
1,,
, common
qmjsjbt
jtotbt
ii
u
mjchjtotbtmjsindmjsind vuidt
dLiR ,,,, −=+
=∑=
3
1,,mod
common
mmjchjbt
c
ii
u
smoothing Inductors
uc
ubt tot,j
ibt,j
is1,j
is2,j
is3,j
ich1,j
ich2,j
ich3,j
imod bt,j
uch1,j
uch2,j
uch3,j
choppers
DC bus
bats
Modèle dynamique d’un système de stockage
[Mayet 2013a]
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 19
//
mch.
vch
ich
is
ubt tot imod bt
uc uc
is
3 3
// smoothing inductor choppers //
4 DC bus uc
ibt DC
290 Bat.
ubt
ibt
ubt tot
ibt
series
Hypothèses:
Toutes les cellules des batteries, les inductances et les modules ont les mêmes
comportements Les éléments de couplage sont remplacés par des éléments
d’adaptation.
imod bt_ref
4
ibt DC_ref ich_ref
3
is_ref
vch_ref
Modèle dynamique simplifié d’un système de stockage
[Mayet 2013a]
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 20
Hypothèses:
Toutes les cellules des batteries, les inductance et les modules ont les même
comportement Les éléments de couplage sont remplacés par des éléments
d’adaptation.
La commande en courant des hacheurs est considérée parfait.
imod bt_ref
4
ibt DC_ref
//
imod bt
uc
chopper
4 DC bus uc
ibt DC
290 Bat.
ubt
ibt
ubt tot
ibt
series
refbtbtbtc
btc
totbtkeqch
cbtbt ii
iu
iuk
u
uii _modmod
mod
modmod and 0 when1
0 when1 with =
<−≥
==η
Modèle statique d’un système de stockage
[Mayet 2013a]
Formation REMSNCF, Paris,Octobre 2013
“Energetic Macroscopic Representation”
21
Etudes effectuées et résultats de simulation
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 22
SM
Wheels
DCM4*100 kW
Aux.
Génératrice TractionDCBus
ICE
Système de stockage
215 kW
Bat. 1 160 NiCd batteries (194 kWh)
1 600 Scaps (6,94 kWh)Supercond.
Stratégie de gestion
de l’énergie
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 23Comparaison des différents modèles
Temps de simulation divisé par 22 avec une précision de 99,5%
Plus avantageux pour une étude énergétique
Pas de constante de
temps rapide
Rendement constant:
peut être amélioré en
mettant une table de
pertes
Moins d’éléments de
stockage
Formation REMSNCF, Paris,Octobre 2013
“Energetic Macroscopic Representation”
24
Conclusion et perspectives
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 25Conclusion
Conclusion
REM et structure de commande systématique de la locomotive BB 63000 :
• Modification des hypothèses.
REM et structure de commande systématique de la locomotive PLATHEE :
• Définition des entrées de la stratégie : facilite son établissement.
Comparaison entre les différents modèles de simulation réalisées :
• Obtention du modèle qui convient le plus à une étude énergétique.
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 26
[Mayet 2013b]
Perspectives
Valider les modèles utilisés en
simulation grâce aux expérimentations
Perspectives
REM et SMC de la locomotive hybride PLATHEE
Formation REM, SNCF Paris, Octobre 2013 27
Perspectives
Effectuer une simulation HIL (Hardware-In-the-Loop) de type signal,
Développer et tester des nouvelles stratégies de gestion de l’énergie.
Perspectives
« Hardware-In-the-Loop Simulation » : Anglicisme signifiant émulation temps réel, incorporation d’une partie physique dans la boucle de simulation.
Système
Commande
Système
Commande Commande
Système
Commande
Simulation Signal HIL Simulation
Power HIL Simulation Prototype
Système
Formation REMSNCF, Paris,Octobre 2013
“Energetic Macroscopic Representation”
28
Merci de votre attention[AKLI 2007] Akli, C.R.; Sareni, B.; Roboam, X.; Jeunesse, A. « Energy management and sizing of a hybrid locomotive » EPE,
Aalborg, Denmark, September 2-5, 2007.
[JAAFAR 2009] Jaafar, A.; Akli, C.R.; Sareni, B.; Roboam, X.; Jeunesse, A. « Sizing and energy management of a hybrid
locomotive based on flywheel and accumulators » IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 58 no 8, pp. 3947 - 3958,
October, 2009.
[BAERT 2011]Baert, J.; Pouget, J.; Hissel, D.; Pera, M.C. « Energetic Macroscopic Representation of a hybrid railway
powertrain » IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Chicago, U.S.A, September 6-9, 2011.
[MAYET 2012] Mayet, C. ; Mejri, M. ; Bouscayrol, A. ; Pouget, J. ; Riffonneau, Y. « Energetic Macroscopic Representation and
inversion-based control of the traction system of a hybrid locomotive » IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference
(VPPC), 2012.
[MAYET 2013 a] Mayet, C. ; Bouscayrol, A. ; Pouget, J. ; Lhomme, W. ; Letrouvé, T. « Different models of an energy storage
subsystem for a hybrid locomotive » 15th Conference on Power Electronics and Applications, 2013.
[MAYET 2013 b] Mayet, C. ; Pouget, J. ; Bouscayrol, A. ; Lhomme, W. « Influence of an energy storage system on the energy
consumption of a diesel electric locomotive » IEEE Transactions on Vehicular Technology, Issue: 99, 2013.
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