Desenvolvimento de conversores modulares e multinível para recuperação da energia da travagem regenerativa em sistemas ferroviários

Abstract

Desde o início do século XXI que se verifica uma aposta contínua na investigação e desenvolvimento tecnológico do sistema elétrico ferroviário. Esta aposta deve-se à eficácia dos sistemas ferroviários em reduzir as emissões de carbono para a atmosfera e à diminuição do consumo energético, procurando dar resposta ao aumento crescente da mobilidade populacional e à evolução exponencial das cidades em desenvolvimento. Desta forma, pretende contribuir-se com o desenvolvimento tecnológico de soluções de eletrónica de potência que permitam funcionalidades acrescidas aos sistemas elétricos ferroviários. Na presente dissertação de mestrado é descrito o Desenvolvimento de Conversores Modulares e Multinível para Recuperação da Energia da Travagem Regenerativa em Sistemas Ferroviários. O sistema desenvolvido é caracterizado por uma interface entre um local de armazenamento de energia, nomeadamente baterias, e o sistema elétrico ferroviário. Esta interface é realizada através de um conversor CC-CC e um conversor CC-CA. O conversor CC-CC é responsável por controlar a corrente de carga e descarga das baterias e regular o barramento CC. Por sua vez, o conversor CC-CA é encarregue de sintetizar uma corrente sinusoidal em fase ou em oposição de fase com a componente fundamental da tensão da catenária, de forma a receber ou a injetar energia no ponto de acoplamento do sistema desenvolvido. Considerando o tipo de aplicação, onde as tensões da catenária são elevadas, utilizou-se um conversor CC-CA composto por vários módulos de eletrónica de potência ligados em série, constituindo assim um conversor em cascata modular e multinível. Para a realização deste projeto de dissertação foi necessário, numa fase inicial, o estudo do sistema ferroviário e dos elementos armazenadores de energia. Após isso, analisou-se os conversores de eletrónica de potência e os algoritmos de controlo admissíveis. De seguida, foi fundamental a simulação computacional do sistema proposto. Validado o sistema em ambiente de simulação, procedeu-se ao desenvolvimento de todo o hardware necessário para um protótipo laboratorial, desde o design, soldagem e teste das placas necessárias, até aos circuitos de potência. Por fim, validou-se o sistema através da obtenção de resultados experimentais com o protótipo desenvolvido.

Since the beginning of the 21st century, there has been a continuous commitment to research and technological development of the railway electricity system. This commitment is due to the efficiency of the railway systems in reducing carbon emissions into the atmosphere and reducing energy consumption on a world scale, presenting itself as a solution to the growing increase in mobility and the exponential growth of developing cities. In this way, it is intended to contribute to the technological development of power electronics solutions that allow added functionalities to the railway electrical systems. In this MSc dissertation is described the Development of Modular Multilevel Converters for Recovery of Regenerative Braking Energy in Railway Systems. The developed system is characterized by an interface between an energy storage location, namely batteries, and the railway electrical system. This interface is performed through a DC-DC converter and a DC-AC converter. The DC-DC power converter is responsible for controlling the charging and discharging current of the batteries and regulating the DC-bus. In turn, the DC-AC power convert is responsible for synthesizing the sinusoidal current in phase or in opposition to the fundamental component of the catenary voltage, to receive or inject energy into the coupling point of the developed system. Considering the type of application, where the catenary voltages are high, a DC-AC power converter was used consisting of several power electronics modules connected in series, thus constituting a modular and multilevel cascaded converter. To carry out this dissertation project, it was necessary, at an early stage, to study the railway system and the energy storage elements. After that, it was analyzed the power electronics converters and the admissible control algorithms. Then, the computational simulation of the proposed system was fundamental. Once the system was validated in a simulation environment, all the necessary hardware for a laboratory prototype was developed from designing, welding, and testing the necessary electronic boards to the power circuits. Finally, the system was validated by experimental results obtained with the developed prototype.