Dynamic analysis of the integration of renewable energy sources, energy storages, and electric vehicle charging stations into the DC railway power system

In this master's thesis in energy engineering, the integration of energy production from renewable sources, charging infrastructure for electric vehicles, and electrochemical storage within the electric system for railway traction is proposed and analyzed. This type of system, which can be referred to as a "DC Railway Smart Grid," represents a futuristic development scenario for the transportation sector, in line with recent European Union Directives that have as their cornerstones the increase of electricity production from renewable sources and the progressive decarbonization of the transportation sector. A DC Railway Smart Grid, as conceived in this work and connected with a DC railway power system, has multiple advantages. The presence of electrochemical storage systems, whether stationary or the batteries of charging electric vehicles, allows the almost total recovery of energy produced during the braking phases of trains, which would otherwise be lost in the absence of other railway vehicles simultaneously absorbing within the same section. In addition, electrochemical storage distributed along the railway line allows the voltage at the pantograph to be stabilized, resulting in an increase in the power that can be drawn by the trainsets. Renewable generation facilities, in this case, photovoltaic generators, distributed along the railway line and at the charging stations allow for increased use of energy produced from renewable sources for both railway traction and electric vehicle charging. Finally, the residual transport capacity of the rail electric system can be used to power electric vehicle charging stations, thereby relieving the medium and low - voltage distribution power grids of these energy flows. The implementation of electric vehicle charging stations, which also take advantage of the energy produced during regenerative braking of rail vehicles, is one of the solutions that goes in the direction strongly promoted by the European Union in order to increase sustainable mobility and decarbonization of the transport sector. In addition, the presence of electric car charging stations at rail interchange stations would allow commuters to recharge their cars during the workday. The main focus of this thesis work is the modeling aimed at the dynamic analysis of a DC Railway Smart Grid on a time scale starting from minutes, in order to implement and test the control algorithms of individual power converters as well as the definition of an Energy Management System capable of defining the energy flows within the DC Railway Smart Grid according to the state of its components and in order to ensure the stability of the whole system. After an initial analysis and discussion of the current regulations to safeguard against climate change, which have led to research in the energy sector in order to limit greenhouse gas emissions as much as possible, the thesis defines a reference topology for the DC Railway Smart Grid and analyzes the state of the art of the devices and technologies that are integrated within it. Mathematical models of the railway system, lithium-ion batteries, photovoltaic generators and electric vehicle charging infrastructure, including static converters, are then proposed. Dynamic modeling of these components is given special emphasis. Indeed, switching models of electronic converters are not compatible, due to computational burden, with the time horizon in the order of magnitude of minutes, of the simulations of interest. Therefore, appropriate state-space average models were developed and implemented for each converter in order to drastically reduce the computational burden while preserving the model's ability to represent the main dynamics of the converter, and to enable the integration of the converter model within the overall DC Railway Smart Grid model. After defining and calibrating an Energy Management System based on Fuzzy logic, the overall model of the DC Railway Smart Grid was used to simulate some characteristic operating states of this system.

In questa tesi di Laurea Magistrale in ingegneria energetica viene proposta ed analizzata l’integrazione della produzione energetica da fonti rinnovabili, dell’infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici, e dell’accumulo elettrochimico all’interno del sistema elettrico per la trazione ferroviaria. Questo tipo di sistema, che può essere definito come una "DC Railway Smart Grid", costituisce uno scenario di sviluppo futuribile del settore dei trasporti, in linea con le recenti Direttive dell'Unione Europea che hanno come punti cardine l’aumento della produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile e la progressiva decarbonizzazione del settore dei trasporti. Una DC Railway Smart Grid, così come concepita in questo lavoro e collegata con un sistema di alimentazione ferroviaria in DC, presenta molteplici vantaggi. La presenza di sistemi di accumulo elettrochimico, siano essi stazionari o le batterie di veicoli elettrici in ricarica, permette il recupero pressoché totale dell'energia prodotta durante le fasi di frenatura dei treni, che altrimenti andrebbe persa in assenza di altri veicoli ferroviari contemporaneamente in assorbimento all’interno della stessa sezione. Inoltre, l’accumulo elettrochimico distribuito lungo la linea ferroviaria permette di stabilizzare la tensione al pantografo, con conseguente aumento della potenza prelevabile dai convogli. Gli impianti di produzione da fonte rinnovabile, in questo caso, generatori fotovoltaici, distribuiti lungo la linea ferroviaria ed in corrispondenza delle stazioni di ricarica consentono di incrementare l’utilizzo di energia prodotta da fonti rinnovabili sia per la trazione ferroviaria che per la ricarica dei veicoli elettrici. Infine, la capacità di trasporto residua del sistema elettrico ferroviario può essere utilizzata per alimentare le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici, andando quindi a sgravare le reti elettriche di distribuzione in media e bassa tensione da tali flussi energetici. L’implementazione di stazioni di ricarica per veicoli elettrici, che sfruttano anche l’energia prodotta durante la frenatura a recupero di veicoli ferroviari, è una delle soluzioni che va nella direzione fortemente promossa dall’Unione Europea al fine di incrementare la mobilità sostenibile e la decarbonizzazione del settore dei trasporti. Inoltre, la presenza di stazioni di ricarica per auto elettriche in corrispondenza delle stazioni ferroviarie di interscambio permetterebbe agli utenti pendolari di ricaricare le proprie auto durante la giornata lavorativa. Il focus principale di questo lavoro di tesi è la modellazione volta all’analisi dinamica di una DC Railway Smart Grid su scala temporale a partire dai minuti, al fine di implementare e testare gli algoritmi di controllo dei singoli convertitori di potenza nonché la definizione di un Energy Management System in grado di definire i flussi energetici all’interno della DC Railway Smart Grid in funzione dello stato dei suoi componenti ed al fine di garantire la stabilità dell’intero sistema. Dopo una prima analisi e trattazione delle attuali normative a salvaguardia del cambiamento climatico, che hanno portato alla ricerca nel settore energetico al fine di limitare quanto più possibile le emissioni di gas serra, la tesi definisce una topologia di riferimento per la DC Railway Smart Grid ed analizza lo stato dell’arte dei dispositivi e delle tecnologie che vengono integrate all’interno di essa. Sono quindi proposti i modelli matematici del sistema ferroviario, delle batterie agli ioni di litio, dei generatori fotovoltaici e delle infrastrutture di ricarica dei veicoli elettrici, comprensivi dei convertitori statici. Alla modellazione dinamica di questi componenti è dedicata particolare enfasi. I modelli switching di convertitori elettronici, infatti, non sono compatibili, per onere computazionale, con l’orizzonte temporale nell'ordine di grandezza dei minuti, delle simulazioni di interesse. Sono quindi stati sviluppati ed implementati opportuni modelli state-space average per ogni convertitore al fine di ridurre drasticamente l’onere computazionale preservando la capacità del modello di rappresentare la dinamica principale del convertitore, e consentire l’integrazione del modello del convertitore all’interno del modello complessivo della DC Railway Smart Grid. Dopo aver definito e calibrato un Energy Management System basato su logica Fuzzy, il modello complessivo della DC Railway Smart Grid è stato utilizzato per simulare alcuni stati di funzionamento caratteristici di questo sistema.