Voltage oriented control of an innovative bidirectional 3 kV railway ESS using parallel three-level NPC converters

Inside a traditional Electric Substation (ESS), the conversion group is usually made of a three-winding transformer which supplies diode rectifiers in order to perform the AC to DC energy conversion; this canonic configuration and devices introduce different limitations, especially due to the unidirectional power flow and the impossibility to manage the voltage level and power demand. Three-phase active rectifiers are a feasible solution to go beyond these limits, especially in railway applications: bidirectional power transfer capability, regenerative braking and unit power factor operation will be discussed in this thesis, also considered desirable features in order to reach power quality requirements on the grid-connected converters. The study is developed as support of a project with reference to an existing electric substation for urban railway application located in Villanova (FC), Italy. The project involves Politecnico di Milano and companies like: ABB, Alpiq, RFI, Bombardier, Ansaldo-Hitachi. This thesis particularly focuses on the analysis and design of the control system structure: the Voltage Oriented Control (VOC) is one of the methods based on high performance dq coordinates which satisfies the goals to achieve. This control strategy has been discussed, designed and adapted to the examined application and then implemented and simulated in MatLAB Simulink software. Four feedforward decoupled current controllers and a DC-link voltage controller are realized along with a Pulse Width Modulation (PWM) scheme to control the output voltage at the dc-bus. A simulator of such bidirectional substation will be provided and available to test different scenarios according to the load demand required. Some tests will be performed as examples.

All'interno di una sottostazione elettrica tradizionale (ESS), il gruppo di conversione è solitamente costituito da un trasformatore a tre avvolgimenti il quale alimenta i raddrizzatori a diodi posti a valle, in modo tale da realizzare la conversione di energaia dalla forma alternata a quella continua; questa configurazione classica, insieme ai componenti che la costituiscono, introduce diversi limiti tra cui l'impossibilità di controllare la tensione raddrizzata e l'incapacità di gestire un flusso di potenza bidirezionale. I raddrizzatori trifase attivi rappresentano una possibile soluzione per ovviare ai suddetti limiti, specialmente nel campo della trazione ferroviaria: caratterisctiche quali capacià di trasferire potenza con un flusso bidirezionale, frenatura rigenerativa e condizione di fattore di potenza unitario saranno discussi all'interno di questa tesi oltre che rappresentare condizioni necessarie per il raggungimento di requisiti minimi riguardanti la qualità dell'energia in presenza di convertitori connessi alla rete. Lo studio è sviluppato a supporto di un progetto relativo ad una sottostazione urbana esistente, sita a Villanova (FC). Il progetto coinvolge il Politecnico di Milano e altre aziende specializzate nel settore tra cui ABB, Alpiq, RFI, Bombardier, Ansaldo-Hitachi. Il lavoro di tesi è focalizzato sull'analisi e progettazione del sistema di controllo dei nuovi convertitori attivi attraverso il metodo del controllo ad orientamento di tensione. Tale strategia di controllo è stata presentata, adeguata all'applicazione in esame ed infine implementata all'interno del software MatLAB Simulink. Un simulatore di tale sottostazione reversibile sarà fornito con lo scopo di testare diversi scenari in funzione della richiesta di potenza da parte delle unità di trazione. Alcuni test verranno sviluppati come esempio.