Evolved features in MVDC railways and HVDC networks by energy storage systems

For decades, Alternating Current (AC) has been the standard for most of electric power systems worldwide; Direct Current (DC) was confined in few fields of interest, usually in networks or grids designed for specific purposes (e.g. rail traction or very long distances transmission lines). Such paradigm is changing since the beginning of the 21st Century, when technological progress in power electronics made DC able to compete against AC in many fields: presently, a huge number of DC power devices is used at every level of our society, in private, business, industry and services. This huge revolution only touched marginally the mentioned pre-existing DC networks; many remarkable improvements have been got in such areas, but the general shape or function of those systems are still the same: in railway field, as example, the most of DC distribution is still based on old-style diode rectifies; majority of Direct Current High Voltage (HVDC) transmission lines are still based on classic Line Commutated Converters (LCC) technology. In recent years, both in AC and DC networks, a new set of critical issues is emerging: higher load peaks are creating problems of voltage stability and power quality; grid inertia is lowering by huge penetration of renewable-not-programmable energy sources. This work analyzes railway grids and HVDC links, two of the most relevant DC power systems of today; in both of them, evolved features are introduced by Energy Storage Systems (ESS) and innovative Power Electronics Converters (PEC): energy recovery and voltage stabilization about traction; synthetic inertia about HVDC. Due to fast dynamic performances and high level of controllability, power converters and ESS can mitigate above mentioned issues. Investment costs are lowering but still relevant, thus technical-economical evaluation is needed; because such analysis is extremely complex, some simplifications have been introduced, using precautionary hypothesis. Approach is top-down, considering equipment as part of a plant, mainly focusing on functionalities; several configurations are tested and validated by simulations. Later on, design solutions are analyzed, control algorithms are explained and compared, presenting advantages and disadvantages.

Per decenni, la corrente alternata (CA) è stata lo standard per la maggior parte dei sistemi elettrici in tutto il mondo; La corrente continua (CC) era limitata in pochi campi di interesse, di solito in sistemi o reti progettate per scopi specifici (ad esempio trazione ferroviaria o linee di trasmissione su lunge distanze). Tale paradigma sta cambiando dall'inizio del Ventunesimo Secolo, quando i progressi tecnologici nell'elettronica di potenza hanno reso la CC in grado di competere contro la CA in molti campi: attualmente, un gran numero di dispositivi in CC viene usato a tutti i livelli della nostra società, nel privato, negli affari, nell'industria e nei servizi. Questa enorme rivoluzione ha toccato solo marginalmente le già citate reti CC preesistenti; molti notevoli miglioramenti sono stati ottenuti in tali aree, ma la struttura o la funzione generale di questi sistemi sono sempre le stesse: nel campo ferroviario, ad esempio, la maggior parte della distribuzione CC è ancora basata sui vecchi raddrizzatori a diodi; la maggior parte delle linee di trasmissione ad alta tensione in corrente continua (HVDC) si basano ancora sulla classica tecnologia LCC (Line Commutated Converters). Negli ultimi anni, sia nelle reti CA che CC, sta emergendo una nuova serie di critità: picchi di carico più elevati stanno creando problemi di stabilità di tensione e qualità dell'energia; l'inerzia della rete si sta riducendo a causa dell'enorme penetrazione di fonti di energia rinnovabili non programmabili. Questo lavoro analizza le reti ferroviarie e i collegamenti HVDC, due dei più importanti sistemi di alimentazione CC di oggi; in entrambi sono state introdotte caratteristiche evolute da sistemi di accumulo di energia (ESS) e convertitori di potenza (PEC): recupero di energia e stabilizzazione della tensione sulla trazione; inerzia sintetica negli HVDC. Grazie alle elevate prestazioni dinamiche e all'alto livello di controllabilità, i convertitori di potenza e gli ESS possono mitigare i problemi sopra citati. I costi di investimento stanno diminuendo ma sono ancora rilevanti, quindi è necessaria una valutazione tecnico-economica; poiché tale analisi è estremamente complessa, sono state introdotte alcune semplificazioni, utilizzando ipotesi cautelative. L'approccio è top-down (dal generale al particolare), considerando l'attrezzatura come parte di un impianto, concentrandosi principalmente sulle funzionalità; diverse configurazioni sono testate e convalidate da simulazioni. Successivamente, vengono analizzate le soluzioni di progettazione, gli algoritmi di controllo vengono spiegati e confrontati, presentando vantaggi e svantaggi.