Nowadays, electrical grids are experiencing significant changes in their dynamics and behavior due to the increasing penetration of RESs. The inertia and short-circuit power of electrical grids are undergoing substantial reductions, which cause serious problems for grid stability. One sector whose performance in power quality management greatly impacts the main electrical grid is the electrical railway sector. This sector suffers from many power quality issues due to the nature of trains. They are single-phase moving loads connected to the main three-phase grid through Traction Power Supply Systems. They can induce numerous transient phenomena, unbalances in current and voltage, reactive power consumption, and voltage-related disturbances in the main grid. Historically, many power supply systems, arrangements, and compensating facilities have been developed to tackle these induced power quality disturbances. In this thesis, the Scott, V/V, and LeBlanc special transformers will be analyzed in detail and simulated in Simulink. Their simulation results show their limitations in handling power quality problems such as achieving unity power factor and mitigating unbalances in voltage and current. Taking into account the transition in the energy mix for electricity production, these transformers alone cannot address the newly emerging power quality challenges introduced by the railway system. Therefore, a new arrangement known as the Power Electronic Autotransformer (PEAT) is analyzed and simulated in this thesis. This structure demonstrates a strong ability to maintain system balance under resistive load conditions. Although this thesis focuses on its basic performance under resistive load and small variations in load values, the system shows great promise in handling grid unbalances and maintaining a unity power factor if its control units and grid-side equipment, such as capacitors and inductive filters, are designed and modeled appropriately.

Al giorno d'oggi, le reti elettriche stanno subendo cambiamenti significativi nella loro dinamica e nel loro comportamento a causa della crescente penetrazione delle Fonti di Energia Rinnovabile. L'inerzia e la potenza di cortocircuito delle reti elettriche stanno subendo riduzioni sostanziali, il che causa seri problemi per la stabilità della rete. Un settore la cui prestazione nella gestione della qualità dell’energia ha un grande impatto sulla rete elettrica principale è il settore ferroviario elettrico. Questo settore soffre di molti problemi legati alla qualità dell’energia a causa della natura dei treni. Si tratta di carichi monofase mobili collegati alla rete trifase principale attraverso i Sistemi di Alimentazione per la Trazione. Essi possono indurre numerosi fenomeni transitori, squilibri nelle correnti e nelle tensioni, consumo di potenza reattiva e disturbi legati alla tensione nella rete principale. Storicamente, sono stati sviluppati molti sistemi di alimentazione, configurazioni e dispositivi di compensazione per affrontare questi disturbi indotti nella qualità dell’energia. In questa tesi, i trasformatori speciali Scott, V/V e LeBlanc saranno analizzati in dettaglio e simulati in Simulink. I risultati delle simulazioni mostrano le loro limitazioni nella gestione dei problemi di qualità dell’energia, come il raggiungimento del fattore di potenza unitario e la mitigazione degli squilibri di tensione e corrente. Tenendo conto della transizione del mix energetico per la produzione di elettricità, questi trasformatori da soli non possono affrontare le nuove sfide emergenti nella qualità dell’energia introdotte dal sistema ferroviario. Pertanto, una nuova configurazione nota come Autotrasformatore Elettronico di Potenza (PEAT) è analizzata e simulata in questa tesi. Questa struttura dimostra una forte capacità di mantenere l’equilibrio del sistema in condizioni di carico resistivo. Sebbene questa tesi si concentri sulle prestazioni di base sotto carico resistivo e su piccole variazioni dei valori di carico, il sistema mostra grandi promesse nel gestire gli squilibri della rete e nel mantenere un fattore di potenza unitario se le sue unità di controllo e le apparecchiature lato rete, come condensatori e filtri induttivi, sono progettate e modellate in modo appropriate.

Power quality analysis of traction transformers: from traditional to power electronic based autotransformers

Mehdizadeh Pasikhani, Nima
2024/2025

Abstract

Nowadays, electrical grids are experiencing significant changes in their dynamics and behavior due to the increasing penetration of RESs. The inertia and short-circuit power of electrical grids are undergoing substantial reductions, which cause serious problems for grid stability. One sector whose performance in power quality management greatly impacts the main electrical grid is the electrical railway sector. This sector suffers from many power quality issues due to the nature of trains. They are single-phase moving loads connected to the main three-phase grid through Traction Power Supply Systems. They can induce numerous transient phenomena, unbalances in current and voltage, reactive power consumption, and voltage-related disturbances in the main grid. Historically, many power supply systems, arrangements, and compensating facilities have been developed to tackle these induced power quality disturbances. In this thesis, the Scott, V/V, and LeBlanc special transformers will be analyzed in detail and simulated in Simulink. Their simulation results show their limitations in handling power quality problems such as achieving unity power factor and mitigating unbalances in voltage and current. Taking into account the transition in the energy mix for electricity production, these transformers alone cannot address the newly emerging power quality challenges introduced by the railway system. Therefore, a new arrangement known as the Power Electronic Autotransformer (PEAT) is analyzed and simulated in this thesis. This structure demonstrates a strong ability to maintain system balance under resistive load conditions. Although this thesis focuses on its basic performance under resistive load and small variations in load values, the system shows great promise in handling grid unbalances and maintaining a unity power factor if its control units and grid-side equipment, such as capacitors and inductive filters, are designed and modeled appropriately.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
Al giorno d'oggi, le reti elettriche stanno subendo cambiamenti significativi nella loro dinamica e nel loro comportamento a causa della crescente penetrazione delle Fonti di Energia Rinnovabile. L'inerzia e la potenza di cortocircuito delle reti elettriche stanno subendo riduzioni sostanziali, il che causa seri problemi per la stabilità della rete. Un settore la cui prestazione nella gestione della qualità dell’energia ha un grande impatto sulla rete elettrica principale è il settore ferroviario elettrico. Questo settore soffre di molti problemi legati alla qualità dell’energia a causa della natura dei treni. Si tratta di carichi monofase mobili collegati alla rete trifase principale attraverso i Sistemi di Alimentazione per la Trazione. Essi possono indurre numerosi fenomeni transitori, squilibri nelle correnti e nelle tensioni, consumo di potenza reattiva e disturbi legati alla tensione nella rete principale. Storicamente, sono stati sviluppati molti sistemi di alimentazione, configurazioni e dispositivi di compensazione per affrontare questi disturbi indotti nella qualità dell’energia. In questa tesi, i trasformatori speciali Scott, V/V e LeBlanc saranno analizzati in dettaglio e simulati in Simulink. I risultati delle simulazioni mostrano le loro limitazioni nella gestione dei problemi di qualità dell’energia, come il raggiungimento del fattore di potenza unitario e la mitigazione degli squilibri di tensione e corrente. Tenendo conto della transizione del mix energetico per la produzione di elettricità, questi trasformatori da soli non possono affrontare le nuove sfide emergenti nella qualità dell’energia introdotte dal sistema ferroviario. Pertanto, una nuova configurazione nota come Autotrasformatore Elettronico di Potenza (PEAT) è analizzata e simulata in questa tesi. Questa struttura dimostra una forte capacità di mantenere l’equilibrio del sistema in condizioni di carico resistivo. Sebbene questa tesi si concentri sulle prestazioni di base sotto carico resistivo e su piccole variazioni dei valori di carico, il sistema mostra grandi promesse nel gestire gli squilibri della rete e nel mantenere un fattore di potenza unitario se le sue unità di controllo e le apparecchiature lato rete, come condensatori e filtri induttivi, sono progettate e modellate in modo appropriate.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/240411