Energy efficiency of a railway line supplied by 3 kv supply system – a case study of the application of an inverter in a traction substation

Zbigniew Drążek,

Tadeusz Maciołek,

Adam Szeląg,

Marcin Steczek

Abstrakt

Due to energy saving policy in the European Union and development of power electronics technology, one might expect an increase in the use of solutions, such as inverters in the substations of the 3 kV DC power supply system. The paper includes a study case of the analysis of traffic conditions on the use of inverters in 3 kV DC system traction substations so as to send back trains’ braking energy from a DC traction power supply to an AC power supply network. The authors presented possible estimated energy savings for a selected railway line. Furthermore, the character of a power waveform and energy available for transferring from a DC to an AC power supply network was discussed as well. The effectiveness of this solution largely depends on the nature of train traffic, so prior to applying the inverters, a detailed analysis is required.

Słowa kluczowe: energy efficiency, railway line, traction substation
References

[1]        ABB Review, ENVILINE™ ESS voltage support case study How can Rail Transit Authorities mitigate voltage issues due to increased power demand?, ABB edition 10.2014: https://library.e.abb.com/public/3f89a1a3b77dc59ac1257d73002dcde0/ ENVILIN%20ESS%20voltage%20support%20case%20study%20ver2.pdf (access: 22.01.2017)

[2]         Abe S., Fuimori H., Ito T., DC feeding system suitable for rolling stocks with re-generative braking system utilizing thyristor rectifier: http://ieeexplore.ieee.org/document/264861/ (access: 12.12.2016).

[3]        Bartosik M., Kamrat W., Kaźmierkowski M.P., Lewandowski W., Pawlik M., Peryt T., Skoczkowski T., Strupczewski A., Szeląg A., Bezpieczeństwo elektroenergetyczne dla pokoleń, Przegląd Elektrotechniczny, (92) 8/2016, 268-282.

[4]        Cornic D., Efficient recovery of braking energy through a reversible dc substation. RailEnergy research programme results, Alstom Transport, IEEE 2010.

[5]        Dolecek R., Dobrovolny M., Traction converting substation from viewpoint of feeding interlocking plant At Czech Railways, Advances in Electrical and Electronic Engineering.

[6]        Henning P. H., Fuchs H. D., le Roux A. D., Mouton H. Du T.,  A 1,5 MW Seven_Cell Series Stack Converter as an Active Power Filter and Regeneration Converter for a DC Traction Substation, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 23, no 5. Sept. 2008.

[7]        Hesop All in one Energy& Cost Saver; http://www.alstom.com/Global/Transport/ Resources/Documents/brochure2014/HESOP%20-%20Product%20sheet%20-%20 EN%20-%20LD.pdf?epslanguage=en-GB (access: 2.05.2017)

[8]        Kondo K., Recent Energy Svling Technologies on Railway Traction Systems, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2010, 298-303.

[9]        Maciołek, T., Zastosowanie zasobników energii w trakcji kolejowej 3 kV DC–nieodległa perspektywa?, TTS Technika Transportu Szynowego, 22, 2015.

[10]      Majchrzycki A., Tuliński K., Rekuperacja energii – klucz do optymalizacji kosztów czy dodatkowe problemy techniczne, [w:] A. Szeląg (red.), Trakcja elektryczna, Prace Naukowe, Monografia II Kongresu Elektryki Polskie, Wyd. COSIW, SEP, Warszawa 2016.

[11]      Mellitt B., Mouneimne Y.S., Goodman C.J., Simulation study of DC transit systems with inverting substations,  IEEol. 131, Pt. B,  No 2, March 1984.

[12]      Mierzejewski L., Szeląg A., Aktualne kierunki ograniczania zużycia energii elektrycznej w transporcie kolejowym, Technika Transportu Szynowego 7-8/2004, 35-41.

[13]      Pawełczyk M., Rozwój systemów wykorzystujących akumulację energii w transporcie szynowym, Pojazdy Szynowe 2/2011, 14-19.

[14]      Steczek M., Chudzik P., Szeląg A., Combination of SHE and SHM – PWM techniques for VSI DC-link current harmonics control in railway applications, Transactions on Industrial Electronics, 2017: http://ieeexplore.ieee.org/document/7900369/ (access: 22.04.2017).

[15]      Suzuki T., DC-power supply system with inverting substations for traction systems using regenerative brakes, IEE Proc., vol. 129, Pt B, No 1, January 1982.

[16]      Szeląg A., Mierzejewski L.,Ground transportation systems, [in:] Encyclopedia of Electrical and Electronic Engineering, Supplement I, John Wiley & Sons Inc., NY 1999, 169-194.

[17]      Szeląg, A.,T. Maciołek., Rozwiązania techniczne w układach zasilania poprawiające efektywność energetyczną transportu szynowego, Pojazdy Szynowe 3/2015.

[18]      Szeląg A., Efektywność hamowania odzyskowego w zelektryfikowanym transporcie szynowym, Pojazdy Szynowe, 4/2009, 9-16.

[19]      Szeląg A.,  Maciołek T., Drążek Z., Patoka M., Aspekty efektywności i energooszczędności w procesie modernizacji układów zasilania trakcji tramwajowej, Pojazdy Szynowe, 3/2011, 34-42.

[20]      Szeląg A., Maciołek T., A 3 kV DC electric traction system modernisation for increased speed and trains power demand – problems of analysis and synthesis, Przegląd Elektrotechniczny 3a/2013, 21-28.

[21]      Szeląg A.,  Wpływ napięcia w sieci trakcyjnej 3 kV DC na parametry energetyczno-trakcyjne zasilanych pojazdów, Wyd. INW Spatium, Radom 2013,  58.