Smart power conditioners for electric railway power grids

Abstract

Railway transport presents itself as one of the greatest economic and social drivers of several nations in the world. Furthermore, it is considered the safest means of land transport, with the electric rail system being efficient and environmentally friendly. However, for the inclusion of more and larger electric locomotives, it is necessary to increase the capacity of the railway supply systems. This doctoral thesis intends to contribute to the development of power electronics solutions capable of increasing the capacity of railway supply systems. As such, a power electronics converter connected in a neutral section located between two traction power substations (TPS) is proposed. The proposed algorithm makes it possible to dynamically balance the average active powers of the two substations, mitigating overload problems. In the event of deceleration or braking of a locomotive on one side, it is possible to use the energy from this regenerative braking to assist another locomotive on the other side of the neutral section. Moreover, the proposed solution still presents the interface with a photovoltaic solar system and an energy storage system. In this way, it is possible to minimize energy dependence on the power grid, as well as to include renewable energy sources. The storage system also makes it possible to store surplus production or energy from regenerative braking for later use. The proposed solution is validated with the help of computer simulations considering a real implementation scale. The simulation model is based on cascaded multilevel modular converters, with each submodule also featuring solid-state transformers. Considering a reduced-scale prototype developed in the laboratory, computer simulations of the prototype are also presented and discussed. The document also presents a chapter that portrays all the steps taken for the implementation of the reduced-scale sectioning post-Rail Power Conditioner (sp-RPC) laboratory prototype. Once its implementation was completed, its experimental validation was carried out, proving the correct functioning of the system based on the proposed algorithm.

O transporte ferroviário apresenta-se como um dos maiores impulsionadores económicos e sociais de várias nações do mundo. Para além disso, é considerado como o meio de transporte terrestre mais seguro, sendo o sistema ferroviário elétrico eficiente e amigo do ambiente. Contudo, para a inclusão de mais e maiores locomotivas elétricas é necessário aumentar a capacidade dos sistemas de alimentação ferroviários. Esta tese de doutoramento pretende contribuir com o desenvolvimento de soluções de eletrónica de potência capazes de aumentar a capacidade dos sistemas de alimentação ferroviários. Como tal, é proposto um conversor de eletrónica de potência conectado numa secção neutra que se encontra entre duas subestações de tração de energia. A algoritmia proposta permite equilibrar as potências ativas médias das duas subestações de forma dinâmica, mitigando os problemas de sobrecarga. Na ocorrência de uma desaceleração ou travagem de uma locomotiva num dos lados, é possível utilizar a energia proveniente desta travagem regenerativa para o auxílio de marcha de outra locomotiva existente no outro lado da secção neutra. Não obstante, a solução proposta apresenta ainda a interface com um sistema solar fotovoltaico e um sistema de armazenamento de energia. Desta forma, é possível minimizar a dependência energética da rede elétrica, bem como incluir fontes de energia renovável. O sistema de armazenamento permite ainda armazenar o excedente de produção ou a energia proveniente de uma travagem regenerativa para posterior utilização. O conceito proposto é estudado com auxílio de simulações computacionais considerando uma escala de implementação real. O modelo de simulação é baseado em conversores modulares multinível em cascata, sendo que cada sub-módulo apresenta ainda transformadores de estado sólido. Considerando um protótipo de pequena escala desenvolvido em laboratório, simulações computacionais do protótipo são igualmente apresentadas e validadas. O documento apresenta ainda um capítulo que retrata todos os passos realizados para a implementação do protótipo laboratorial do sectioning post-Rail Power Conditioner (sp-RPC) de pequena escala. Uma vez finalizada a sua implementação, procedeu-se à sua validação experimental, comprovando o correto funcionamento do sistema com base na algoritmia proposta.