Rail transport contributes to an important share of the transport of people and goods. In Italy about 4600km of line (19% of the total) are non-electrified and therefore covered by diesel trains, which are highly polluting and inefficient from an energy point of view. This study evaluates the opportunity to replace the endothermic engine trains with battery-powered trains, which compared to the classic electric trains powered by overhead line, have the advantage of not requiring major changes to the line, but only the construction of substations for recharging the trains at the station. In the first analysis, a journey simulation of the sections is carried out, through a physical model of the train implemented in Matlab and through this it is decided in which stations to recharge the trains and therefore where to build the recharge stations. The study is carried out with the use of a linear programming algorithm, and two different charging philosophies have been explored: a "spread" one, with short recharges at each station, and a "concentrated" one, with longer recharges only where strictly necessary. As will be seen, given the high construction costs of the recharging stations, concentrated recharging will be preferred to spread recharging, even if it causes a considerable increase of the travel time. The second part of the study focuses on the simulation of a railway electrical substation, to evaluate the effect of train recharging on the grid. Simulations show that recharging of the train has no significant effect in terms of voltage drop and total harmonic distortion (THD) in the point of common coupling. To perform these simulations, different battery models were used: a purpose-built circuit model, and a battery model contained in Simulink. Finally, the implementation of an accumulation system based on flywheel technology has been explored, although not strictly necessary for this application, given the limited effects that the train recharging has on the grid.

Il trasporto ferroviario contribuisce ad una quota importante del trasporto di persone e di merci. In Italia circa 4600km di linea (il 19% del totale) sono non elettrificate e quindi percorse da treni a diesel, che sono altamente inquinanti e anche inefficienti da un punto di vista energetico. Questo studio valuta l’opportunità di sostituire i treni a motore endotermico con treni a batteria, che rispetto ai classici treni elettrici alimentati tramite linea aerea, hanno il vantaggio di non necessitare di modifiche importanti alla linea, limitandosi alla costruzione di sottostazioni per la ricarica dei treni in stazione. In prima analisi viene effettuata una simulazione di percorrenza delle tratte, attraverso un modello fisico del treno implementato in Matlab e attraverso questo viene deciso in quali stazioni ricaricare i treni e quindi dove costruire le stazioni di ricarica. Lo studio viene effettuato con l’utilizzo di un algoritmo di programmazione lineare, e due diverse filosofie di ricarica sono state esplorate: una “diffusa“, con ricariche brevi e previste in ogni stazione e una “concentrata”, con ricariche più lunghe e previste solo dove strettamente necessario. Come si vedrà, visti gli alti costi di costruzione delle stazioni di ricarica, la ricarica di tipo concentrata sarà preferita a quella diffusa, anche se comporta un notevole aumento dei tempi di percorrenza delle tratte. La seconda parte dello studio si concentra sulla simulazione di una sottostazione per applicazioni ferroviarie, per valutare l’effetto della ricarica dei treni sulla rete. Le simulazioni dimostrano che la ricarica non ha un effetto significativo in termini di caduta di tensione e di distorsione armonica totale (THD). Per svolgere queste simulazioni, diversi modelli di batteria sono stati utilizzati: un modello circuitale costruito appositamente, e un modello di batteria contenuto in Simulink. Infine, l’implementazione di un sistema di accumulo basato sulla tecnologia dei volani è stata esplorata, anche se non strettamente necessario per questa applicazione, visti gli scarsi effetti che la ricarica ha sulla rete.

sizing and analysis of a railway electrical substation for recharging battery trains

Conti, Daniele
2022/2023

Abstract

Rail transport contributes to an important share of the transport of people and goods. In Italy about 4600km of line (19% of the total) are non-electrified and therefore covered by diesel trains, which are highly polluting and inefficient from an energy point of view. This study evaluates the opportunity to replace the endothermic engine trains with battery-powered trains, which compared to the classic electric trains powered by overhead line, have the advantage of not requiring major changes to the line, but only the construction of substations for recharging the trains at the station. In the first analysis, a journey simulation of the sections is carried out, through a physical model of the train implemented in Matlab and through this it is decided in which stations to recharge the trains and therefore where to build the recharge stations. The study is carried out with the use of a linear programming algorithm, and two different charging philosophies have been explored: a "spread" one, with short recharges at each station, and a "concentrated" one, with longer recharges only where strictly necessary. As will be seen, given the high construction costs of the recharging stations, concentrated recharging will be preferred to spread recharging, even if it causes a considerable increase of the travel time. The second part of the study focuses on the simulation of a railway electrical substation, to evaluate the effect of train recharging on the grid. Simulations show that recharging of the train has no significant effect in terms of voltage drop and total harmonic distortion (THD) in the point of common coupling. To perform these simulations, different battery models were used: a purpose-built circuit model, and a battery model contained in Simulink. Finally, the implementation of an accumulation system based on flywheel technology has been explored, although not strictly necessary for this application, given the limited effects that the train recharging has on the grid.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
4-mag-2023
2022/2023
Il trasporto ferroviario contribuisce ad una quota importante del trasporto di persone e di merci. In Italia circa 4600km di linea (il 19% del totale) sono non elettrificate e quindi percorse da treni a diesel, che sono altamente inquinanti e anche inefficienti da un punto di vista energetico. Questo studio valuta l’opportunità di sostituire i treni a motore endotermico con treni a batteria, che rispetto ai classici treni elettrici alimentati tramite linea aerea, hanno il vantaggio di non necessitare di modifiche importanti alla linea, limitandosi alla costruzione di sottostazioni per la ricarica dei treni in stazione. In prima analisi viene effettuata una simulazione di percorrenza delle tratte, attraverso un modello fisico del treno implementato in Matlab e attraverso questo viene deciso in quali stazioni ricaricare i treni e quindi dove costruire le stazioni di ricarica. Lo studio viene effettuato con l’utilizzo di un algoritmo di programmazione lineare, e due diverse filosofie di ricarica sono state esplorate: una “diffusa“, con ricariche brevi e previste in ogni stazione e una “concentrata”, con ricariche più lunghe e previste solo dove strettamente necessario. Come si vedrà, visti gli alti costi di costruzione delle stazioni di ricarica, la ricarica di tipo concentrata sarà preferita a quella diffusa, anche se comporta un notevole aumento dei tempi di percorrenza delle tratte. La seconda parte dello studio si concentra sulla simulazione di una sottostazione per applicazioni ferroviarie, per valutare l’effetto della ricarica dei treni sulla rete. Le simulazioni dimostrano che la ricarica non ha un effetto significativo in termini di caduta di tensione e di distorsione armonica totale (THD). Per svolgere queste simulazioni, diversi modelli di batteria sono stati utilizzati: un modello circuitale costruito appositamente, e un modello di batteria contenuto in Simulink. Infine, l’implementazione di un sistema di accumulo basato sulla tecnologia dei volani è stata esplorata, anche se non strettamente necessario per questa applicazione, visti gli scarsi effetti che la ricarica ha sulla rete.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/204178