RT Dissertation/Thesis
T1 Analysis, simulation and operation of advanced converter-based electrical railway power supply systems for high-speed lines
A1 Serrano Jiménez, Daniel
AB Railway is a key player in the construction of more efficient and environmentally friendly transport systems. Within the different railway modalities, high-speed lines seem to be attracting special attention due to their velocity, reliability, safety and comfort. At present, these lines are typically electrified by means of conventional transformer-based substations that must be connected to utility grids with high short circuit capacity because of their high energy consumption and their single-phase nature. This fact involves a significant increase in the cost of the electrical installation that seriously limits their advancement. In this situation, researchers are proposing new electrical power supply systems based on modern electronic power converters capable of minimizing the principal drawbacks of conventional transformer-based configurations. One of the most promising ones are the so-called advanced systems that combines the use of reversible and totally controllable converter substations with a continuous catenary scheme. These systems enable not only to balance the load, and thus reducing the short circuit capacity of the utility grid needed, but also to perform an optimal control of the power flows within the railway grid. This latter aspect involves a real qualitative leap in railway electrification that allows to align them with the current electrical power system transformation towards smart grids. The development of simulation tools becomes therefore a crucial factor for the progress of these new electrical power supply configurations. Railway simulation is a complex task due to the singular characteristics presented in these systems that has been aggravated with the new difficulties brought by the advanced schemes. In this context, the thesis proposes a new simulation tool capable of determining with great detail the operation of both conventional transformer-based and advanced converter-based configurations. Using a decoupled model, the tool is divided into two parts. The first part is devoted to the simulation of the traffic system. It determines the consumption and position of the trains over the time considering the topographic profile of the line, the kinematic limitations of the sections and the dynamic characteristics of the motor and the brake. The second part is devoted to the electrical system simulation. It determines the voltage and current distributions of the conductors, as well as the power flows of both railway grid and electrical grid. To this end, a multiphase power flow based on a modified nodal analysis has been implemented, that includes a mathematical representation capable of integrating the AC and the DC equations. Finally, the power flow has been solved using the complete version of the Newton-Raphson method and a new initialization procedure has been proposed. The next topic addressed in the thesis has been the study the operation of the advanced systems. In contrast to conventional transformer-based ones, the operation of the advanced systems is determined by the type of control implemented. In this respect, the thesis has developed a control strategy based on the droop approach and valid for both alternating current and direct current. This strategy distributes the electrical power according to the distance between the trains and the substations, but it is capable of increasing or decreasing the degree of cooperation between traction substations depending on the conditions of the utility grid without the need of communication between their elements. In the case of alternating current, it is necessary a communication system that synchronizes the angles of the converters. Finally, the effectiveness of the control strategy has been validated by the simulation tool previously described and compared with the operation of the conventional transformer-based systems for a simple electrical scheme. Finally, the simulation of a complete high-speed line has been carried out, specifically the Spanish line connecting the cities of Madrid and Valencia. This analysis has made it possible firstly to verify the robustness of the simulation tool and the effectiveness of the control system for larger and more complex systems. Secondly, it has allowed to analyze the feasibility and potential of advanced converter-based systems over conventional transformer-based systems for the electrification of high-speed lines.
AB El ferrocarril es un actor clave en la construcción de sistemas de transporte más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Dentro de las diferentes modalidades de ferrocarril, las líneas de alta velocidad parecen estar atrayendo una especial atención debido a su rapidez, fiabilidad, seguridad y confort. En la actualidad, estas líneas están normalmente electrificadas mediante subestaciones transformadoras que por su alto consumo y su carácter monofásico deben ser conectadas a redes eléctricas con potencia de cortocircuito altas. Este hecho implica un aumento significativo del coste de la instalación eléctrica que limita seriamente su avance. Ante esta situación, los investigadores están proponiendo nuevos sistemas de alimentación eléctrica basados en modernos convertidores electrónicos de potencia capaces de minimizar las principales limitaciones de las configuraciones convencionales basadas en transformadores. Uno de los más prometedores son los denominados sistemas avanzados que utilizan una combinación de subestaciones convertidoras reversibles y totalmente controlables junto con un esquema de catenaria continua. Estos sistemas permiten no sólo equilibrar completamente la carga, y por tanto reducir la potencia de cortocircuito necesaria de la red, sino también realizar una gestión óptima de los flujos de potencia dentro de la red ferroviaria. Este último aspecto supone un verdadero salto cualitativo dentro de la electrificación ferroviaria que permiten alinearlos con la tendencia actual dentro de los sistemas eléctricos de potencia hacia redes inteligentes. La simulación de los sistemas ferroviarios se convierte por tanto es un aspecto determinante para el desarrollo de estas nuevas configuraciones. Se trata de una tarea compleja debido a las características singulares de los sistemas ferroviarios a las que se deben sumarse las dificultades planteadas por los sistemas avanzados. En este contexto, se ha desarrollado una herramienta de simulación capaz de determinar con gran nivel de detalle el funcionamiento tanto de las configuraciones convencionales basadas en transformadores como de las avanzadas basadas en convertidores. Utilizando un modelo desacoplado, la herramienta se divide en dos partes.La primera parte se encarga de la simulación del tráfico ferroviario, mediante la cual se determina el consumo y posición de los trenes de a lo largo del tiempo teniendo en cuenta el perfil orográfico de la línea, las limitaciones cinemáticas de las secciones y las características dinámicas del motor y freno. La segunda parte se encarga del sistema eléctrico calculando las distribuciones de tensión y corriente de los conductores, así como los flujos de potencia tanto de la red ferroviaria como de la red eléctrica. Para ello se ha implementado un flujo de potencia polifásico basado en un análisis nodal modificado con una formulación capaz de integrar las ecuaciones de corriente continua y alterna. Finalmente, el flujo de potencia se ha resuelto utilizando la versión completa del método de Newton-Raphson y se ha propuesto un nuevo procedimiento de inicialización. El siguiente tema abordado en la tesis ha sido la operación de los sistemas avanzados. A diferencia de los sistemas convencionales basados en transformadores, la operación de los sistemas avanzados viene determinada por el tipo de control implementado. En este aspecto, se ha desarrollado una estrategia de operación basada en el concepto de droop y valida tanto para corriente alterna como corriente continua. Esta estrategia distribuye la potencia de acuerdo con la distancia entre los trenes y las subestaciones, pero a la vez es capaz de aumentar o disminuir el grado de cooperación dependiendo de las condiciones de la red sin necesidad de comunicación entre las subestaciones. En el caso de corriente alterna, es necesario, sin embargo, un sistema de comunicación que sincronice los ángulos de los convertidores. Finalmente, la efectividad de la estrategia de control ha sido validada mediante la herramienta de simulación anteriormente descrita y comparada con la operación de los sistemas convencionales basados en transformadores para un esquema eléctrico sencillo. Finalmente, se ha realizado la simulación de una línea de alta velocidad completa, concretamente la línea española que una las ciudades de Madrid y Valencia. Este análisis ha permitido en primer lugar comprobar la robustez de la herramienta de simulación y la efectividad del sistema de control ante sistemas más grandes y complejos. En segundo lugar, ha permitido analizar el factibilidad y potencial de los sistemas avanzados basados en convertidores frente a los sistemas convencionales basados en transformadores en la electrificación ferroviaria de líneas de alta velocidad.
YR 2018
FD 2018
LK http://hdl.handle.net/10016/28131
UL http://hdl.handle.net/10016/28131
LA eng
DS e-Archivo
RD 30 abr. 2024