Efficiency analysis of a railway system : modelling and validation

The work aim is the definition of a model in Matlab and Simulink environment which could simulate a railway system, in particular for what concerns its electrical variables, in order to have an appropriate instrument for studying and analysing the behaviour of a railway vehicle in nominal functioning conditions, but above all to determine the impact on the railway line which may implement innovative components suitable for the reduction of energetic consumptions and the consequent polluting emissions, in the actual scenario of reduction of environmental impact. One of the key points is to have a model which is as flexible as possible and adaptable to situations different from the ones of initial design, in order to make immediate the implementation of new components. Therefore, it will be firstly shown the actual state of art of railway technology, with a particular attention to the 3000V DC lines, which is the predominant technology in Italy. Hence it will be analysed its principal components, from the electric substation which power it, to the trains which represent the predominant utilizers, without neglecting the catenary through which all the elements are linked. Moreover, it will be dedicated a short paragraph even to high velocity and high capacity lines, powered by a monophase AC system. Then it will be described the modelling of the different components which constitute the model itself, with a certain attention at realization hypotheses and justifying them; in a second time it will be exposed some strategies which could reduce the energetic consumptions of the entire infrastructure, acting on the recovery of the energy regenerated by trains during braking and currently underutilized. Finally, after that the model will have been validated and its results verified, it will be shown some simulations regarding the application of two reduction strategies and the corresponding effects on consumption and on the electrical variables at stake.

Il lavoro svolto mira alla realizzazione di un modello in ambiente Matlab e Simulink che possa simulare un sistema ferroviario, in particolare per quanto riguarda le sue variabili elettriche, di modo da avere uno strumento adeguato a studiare e analizzare il comportamento di un veicolo ferroviario in condizioni di funzionamento nominale, ma soprattutto per saggiare l’impatto sulla linea ferroviaria che potrebbe prevedere l’adozione di componenti innovative atte a ridurre i consumi energetici e le conseguenti emissioni inquinanti nell’attuale scenario di riduzione di impatto ambientale. Uno dei punti chiave è quello di avere un modello che sia il più possibile flessibile e adattabile a situazioni differenti da quelle di iniziale progettazione, di modo che l’implementazione di nuovi componenti sia la più rapida possibile. Pertanto, si inizierà mostrando l’attuale stato dell’arte della tecnologia ferroviaria, con particolare riferimento alle linee alimentate in corrente continua a 3000V, essendo questa la tecnologia prevalente in Italia. Verranno perciò analizzate le sue principali componenti, dalle sottostazioni elettriche che l’alimentano, ai treni che ne rappresentano gli utilizzatori maggiori, senza trascurare la catenaria attraverso cui tutti i gli elementi sono collegati. Verrà inoltre dedicato un breve spazio anche alla tecnologia relativa alle linee ad alta velocità e capacità, alimentata da un sistema in corrente alternata monofase. In seguito, verrà descritta la modellazione dei varî componenti che andranno a costituire il modello stesso ponendo attenzione alle ipotesi realizzative e motivandole; quindi verranno esposte alcune strategie atte a ridurre il consumo energetico dell’intera infrastruttura agendo sul recupero dell’energia rigenerata dai treni in frenata e attualmente poco riutilizzata. Infine, dopoché il modello sarà stato validato e i suoi risultati verificati, verranno mostrate alcune simulazioni che riguardano l’applicazione di due strategie di riduzione dei consumi e i conseguenti effetti che hanno sulle variabili elettriche in gioco.