Reversible substation for harvesting regenerative braking energy in italian 3 kV railway systems

In the recent years, there has been growing the interest regarding the introduction of regenerative braking recuperation capability to the traditional DC railway traction substations, which only perform AC to DC conversion, thus they cannot reverse the power flow. They also show further disadvantages, mainly concerning harmonic content at power supply level, reactive power consumption, voltage regulation capability and ripple at the DC side. In this study it is developed the modelling and simulation of a new reversible substation design for the Italian 3 kV DC railway system, conducted through the MATLAB/SIMULINK environment, and tested within different load scenarios and system configurations. To this end, the principal features of the traditional and modern substations are studied in detail, along with an updated version of the state-of-art of the force-commutated technologies and the industry proposed reversible substations. Then, it are compared two different substations typologies, which differ among them in the quantity of converters and control system, but share the same working principles and general appliances. After that, the model with the best performances is tested through additional simulations, concerning interleaving strategies, phase-shift transformers, passive filtering and bilateral power supply. The most important indicators are analysed and compared, in order to find the best yields in terms of voltage ripple, passive components stresses, total harmonic distortion, voltage and current unbalances, and unity power factor operation.

Negli ultimi anni, c’è stato un crescente interesse per l’introduzione della capacità di recupero della frenata rigenerativa nelle sottostazioni di trazione ferroviaria tradizionali in CC, che eseguono solo la conversione da CA a CC, e quindi non possono invertire il flusso di potenza. Loro anche presentano ulteriori svantaggi, principalmente legati al contenuto armonico a livello di alimentazione elettrica, al consumo di potenza reattiva, alla capacità di regolazione della tensione e alla presenza di oscillazioni sul lato in CC. In questo studio è stato sviluppato il modello e la simulazione di un nuovo progetto di sottostazione reversibile per il sistema ferroviario italiano a 3 kV in CC, effettuato attraverso l’ambiente MATLAB/SIMULINK, e testato con diversi scenari di carico e configurazioni di sistema. A questo scopo, le principali caratteristiche delle sottostazioni tradizionali e moderne sono state studiate in dettaglio, insieme a una versione aggiornata delle tecnologie a commutazione forzata e alle sottostazioni reversibili proposte dall’industria. Successivamente, sono state confrontate due diverse tipologie di sottostazioni, che differiscono per la quantità di convertitori e il sistema di controllo, ma condividono gli stessi principi di funzionamento e apparecchiature generali. Dopo ciò, il modello con le migliori prestazioni è stato testato attraverso simulazioni aggiuntive, riguardanti strategie di intercalamento, trasformatori a spostamento di fase, filtraggio passivo e alimentazione elettrica bilaterale. I più importanti indicatori sono stati analizzati e confrontati, al fine di individuare le migliori prestazioni in termini di oscillazioni di tensione, stress sui componenti passivi, distorsione armonica totale, sbilanciamento di tensione e di corrente, e funzionamento a fattore di potenza unitario.