Unbalance compensator for 2x25 high-speed railway lines

High-speed railway power systems operating at 2x25 kV AC face several challenges, including negative-sequence current imbalance, harmonic distortion, and low power factor. These issues can significantly impact the stability and efficiency of the network. This thesis investigates these challenges and proposes a compensation strategy to mitigate the negative-sequence component, thereby improving the overall balance of the system. The thesis is structured as follows: it begins with an overview of the 2x25 kV AC system, detailing its configuration and operating principles. Next, it discusses the primary challenges affecting such systems, particularly unbalanced conditions, harmonics, and low power factor. After this, various compensation methods are analysed, ranging from traditional solutions to more advanced technologies. Finally, a simulation model developed in Simscape Electrical is presented, which evaluates the impact of a compensator on improving power quality. Simulation results confirm that the compensator effectively reduces the negative-sequence component, enhancing network stability and balance. However, the model does not address harmonic distortion or power factor correction. Additionally, attempts to simulate the braking phase and regenerative braking yielded inaccurate results, indicating that the model is not suitable for such analyses. More advanced and responsive compensators are now used, capable of dynamically adjusting to rapid train load variations. Future research should focus on integrating these advanced compensation strategies to simultaneously address negative-sequence mitigation, harmonic suppression, and power factor correction.

I sistemi di alimentazione ferroviaria ad alta velocità che operano a 2x25 kV AC affrontano diverse sfide, tra cui lo squilibrio della corrente a sequenza negativa, la distorsione armonica e il basso fattore di potenza. Questi problemi possono influire in modo significativo sulla stabilità ed efficienza della rete. Questa tesi analizza tali problematiche e propone una strategia di compensazione per mitigare la componente di sequenza negativa. La tesi è strutturata come segue: inizialmente fornisce una panoramica del sistema 2x25 kV AC, descrivendone la configurazione e i principi di funzionamento. Successivamente, vengono analizzate le principali criticità che influenzano tali sistemi, in particolare situazioni di squilibrio, armoniche e basso fattore di potenza. In seguito, vengono esaminati diversi metodi di compensazione, dai più tradizionali alle tecnologie più avanzate. Infine, viene presentato un modello di simulazione, sviluppato in Simscape Electrical, per valutare l’impatto di un compensatore nel miglioramento della power quality. I risultati della simulazione confermano che il compensatore riduce efficacemente la componente a sequenza negativa, migliorando la stabilità e il bilanciamento della rete. Tuttavia, il modello non affronta la distorsione armonica né la correzione del fattore di potenza. Inoltre, i tentativi di simulare la fase di frenatura e il recupero rigenerativo hanno prodotto risultati imprecisi, indicando che il modello non è adatto per tali analisi. Attualmente, vengono impiegati compensatori più avanzati e reattivi, in grado di adattarsi dinamicamente alle rapide variazioni del carico ferroviario. Le future ricerche dovrebbero concentrarsi sull’integrazione di queste strategie di compensazione avanzate, affrontando simultaneamente la mitigazione della sequenza negativa, la soppressione delle armoniche e la correzione del fattore di potenza.