rem et smc de la locomotive hybride plathee formation - loco... · il1 mch2 uch2 il2 mch3 uch3 il3...

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.

[email protected]


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



3

REM et SMC de la locomotive Diesel-Electrique BB 63000


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



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


REM de la Locomotive Diesel-Electrique BB 63000



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



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]



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.





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.




Wheels

DCBus

610 kW

DieselEngine

SM

Generation system

Aux.



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.



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



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]



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]





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



15



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]



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



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]



//

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]



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]



21

Etudes effectuées et résultats de simulation



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


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



24

Conclusion et perspectives


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.



[Mayet 2013b]

Perspectives

Valider les modèles utilisés en

simulation grâce aux expérimentations

Perspectives



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



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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