Stability Analysis and Control Methods to Mitigate Low-Frequency Oscillation in High-Speed Trains

Resumen

La electrificación se ha convertido hoy en día en un tema destacado dentro del sector del transporte, cuyo objetivo principal es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigar el impacto del cambio climático en nuestro planeta. La electrificación del transporte implica la sustitución gradual de vehículos propulsados por combustibles fósiles por sus homólogos eléctricos, abarcando diversos modos de transporte, como vehículos de carretera, sistemas ferroviarios, aviones y barcos. Los ferrocarriles eléctricos, en particular, ofrecen varias ventajas relevantes sobre otros medios de transporte, incluida una eficiencia energética muy alta y, en consecuencia, menores emisiones, así como menores costos operativos. Además, los ferrocarriles eléctricos pueden incorporar fácilmente sistemas de frenado regenerativo que convierten la energía cinética del tren nuevamente en electricidad, devolviéndola a la red eléctrica para que la utilicen otros trenes o la red pública. A diferencia de las locomotoras a diésel, los ferrocarriles eléctricos tienen la flexibilidad de funcionar con una variedad de fuentes de energía, incluida la energía renovable. Los convertidores electrónicos de potencia son los elementos fundamentales para la integración de múltiples fuentes de energía, elementos de tracción y equipos auxiliares. Aunque la presencia de una gran cantidad de convertidores electrónicos de potencia puede resultar beneficiosa en términos de eficiencia y controlabilidad, pueden ocurrir fenómenos inesperados debido a sus interacciones. Entre estos está el fenómeno de oscilación de baja frecuencia, que puede provocar un corte de energía en la subestación del sistema ferroviario y, en consecuencia, la interrupción del tráfico. Esta tesis está dirigida al modelado, análisis y comprensión del fenómeno de oscilación de baja frecuencia (LFO) en sistemas ferroviarios alimentados por catenaria. Las herramientas desarrolladas y utilizadas en este trabajo incluyen: análisis en el dominio de la frecuencia, identificación de valores propios, modelos de pequeña señal y simulaciones en el dominio del tiempo. Se estudia la influencia de los elementos constructivos y los parámetros de control en la aparición de LFO. Estos incluyen la longitud y las características de la línea de contacto, los elementos pasivos de la unidad de tracción como la inductancia de fuga del transformador y la capacitancia del enlace DC, la sintonización de los anchos de banda de los controladores, y los sistemas de sincronización. La conclusión de este estudio revela que las LFO aparecen cuando el tren opera lejos de la subestación y a baja potencia, también se concluye que las LFO son más sensibles a los cambios en el ancho de banda del controlador de corriente, controlador de voltaje y la inductancia de fuga. Además, se ha desarrollado un nuevo modelo analítico de pequeña señal de la admitancia de entrada del tren. Para ello se ha obtenido el modelo de pequeña señal de cada elemento de los lazos de control, en particular se debe resaltar el modelado del integrador generalizado de segundo orden (SOGI) en el marco de referencia síncrono. Se utilizaron métodos numéricos para la validación de los modelos. También, se presentó la transformación de vectores desde el marco de referencia dq al marco de referencia estimado dq con el fin de modelar la dinámica debida a los errores en la rotación de coordenadas. Una vez obtenido el modelo de la admitancia de entrada del tren, se ha realizado el análisis de estabilidad del sistema ferroviario en diferentes condiciones de operación, concluyendo que el modelo es capaz de predecir exitosamente el límite de estabilidad del sistema. Adicionalmente, se consideran y comparan dos estrategias de control destinadas para mitigar el fenómeno LFO. El principio de dichos métodos se basa en el control de la oscilación del enlace de DC y la utilización de una impedancia virtual, respectivamente. Se concluye que ambos métodos son capaces de evitar la aparición de LFO. Finalmente, en esta tesis se realiza la réplica experimental del fenómeno LFO. Realizar experimentos en la red ferroviaria no es fácil, ni siquiera viable. Alternativamente, la red ferroviaria puede ser emulada utilizando un convertidor electrónico de potencia, que alimenta el convertidor de potencia monofásico del tren sometido a prueba. Se analizaron tres opciones diferentes para el emulador de catenaria: lazo abierto, lazo cerrado y power-hardware-in-the-loop (PHIL). Se concluyó que un emulador de tipo PHIL es el que arroja mejores resultados, por lo que se construyó un PHIL reducido a escala, el cual, es capaz de reproducir el comportamiento dinámico de la red de catenaria a bajas frecuencias.