Ottimizzazione dei profili di tensione nelle linee di trazione elettrica tramite sottostazioni reversibili

Nell’ambito della trazione ferroviaria, negli ultimi anni si sta ponendo grande attenzione al recupero dell’energia elettrica mediante la frenatura elettrica rigenerativa. In questo elaborato di tesi si cerca di analizzare e confrontare le diverse tecnologie necessarie per il recupero di questa energia. In particolare tramite un’approfondita ricerca bibliografica si è potuto conoscere i pregi e i difetti del recupero dell’energia mediante super-condensatori e batterie. In letteratura si trovano diverse soluzioni impiantistiche che prevedono l’installazione on-board di sistemi di accumulo, oppure l’installazione degli stessi nelle sottostazioni di conversione. In particolare si pone l’attenzione sul calcolo del peso e l’ingombro degli accumulatori in diversi sistemi elettrici, sia in ambito di trazione leggera che pesante. Alla luce dei calcoli effettuati si osserva che l’alimentazione on-board, sui veicoli di trazione, nonostante porti indubbi vantaggi, in alcuni casi è del tutto impraticabile per via del peso è dell’ingombro degli accumulatori che non potrebbero essere installati a bordo treno. Questo è maggiormente evidente nell’ambito della trazione pesante e nell’alta velocità, dove l’energia da recuperare è molto elevata. In questo lavoro di tesi si è quindi pensato di proporre un sistema di alimentazione di impianti ferroviari che possa consentire lo scambio dell’energia di frenata direttamente con la rete elettrica. Per poter consentire l’inversione del flusso di energia è necessario che le sottostazioni di conversione dell’energia siano reversibili. In letteratura si trovano diverse applicazioni di ponti reversibili nell’ambito dell’alta potenza, alcuni anche in ambito ferroviario. Mediante ricerca bibliografica vengono illustrate le principali caratteristiche di questi sistemi di conversione dell’energia. L’utilizzo di ponti bidirezionali oltre a portare vantaggio in termini di recupero di energia, introduce la possibilità di variare il valore della tensione di alimentazione. Quindi sono state eseguite delle simulazione atte a trovare delle applicazioni in cui si potesse applicare la variabilità della tensione. In particolare è stato studiato il problema della ripartizione del carico di due sottostazioni adiacenti. È noto infatti che due sottostazioni vicine, possono avere diagrammi di carico molto diversi nonostante la frequenza dei treni sia la stessa. Questo è dovuto prevalentemente alla morfologia del tracciato e alla presenza di salite e discese che possono variare fortemente gli assorbimenti dei convogli. Mediante le simulazioni è stato quindi impostato un problema di ottimizzazione che permettesse la determinazione di un valore di Δv ottimo, che consentisse la miglior ripartizione del carico. Nello specifico sono state proposte due diverse funzioni di fitness che se ottimizzate portano alla determinazione di un Δv da applicare alle sottostazioni. Sono stati discussi nel dettaglio i benefici apportati dall’utilizzo di questi algoritmi e gli aspetti energetici messi in gioco, in particolare sono state calcolate le perdite legate a questo tipo di controllo. Queste simulazioni sono state eseguite in due diverse configurazioni d’impianto, la prima prevede l’installazione di sole sottostazioni reversibili, la seconda invece, prevede l’installazione di una sottostazione non reversibile, mente la seconda viene mantenuta reversibile. Le considerazioni effettuate con l’analisi delle simulazioni hanno portato a capire le problematiche legate al recupero dell’energia e alla ripartizione del carico nei due diversi sistemi, portandoci a riflettere sulla fattibilità e sull’utilità delle due configurazioni. In ultimo sono stati discussi i vantaggi che si possono ottenere dal bilanciamento del carico, in particolare si è analizzato il problema dell’aging dei trasformatori delle sottostazioni di conversione.