Desenvolvimento de uma interface de módulos solares fotovoltaicos baseada em conversores modulares e multinível para integração em sistemas ferroviários

Abstract

Nas últimas décadas, tem havido uma aposta de diversos países na eletrificação do seu sistema ferroviário. Esta eletrificação tem como objetivo combater as consequências negativas do uso de locomotivas a gasóleo, como é o caso da poluição atmosférica. Mais recentemente, com o aumento da demanda pelo transporte ferroviário, será necessária a integração de mais locomotivas no sistema ferroviário, o que leva à necessidade de aumentar a capacidade da catenária. Para isso, a incorporação de fontes de energia renováveis, como a energia solar fotovoltaica, próximas dos locais de consumo constitui uma solução pertinente. Desta forma, no presente documento de dissertação é descrito o desenvolvimento de uma interface de módulos solares fotovoltaicos baseada em conversores modulares e multinível para integração em sistemas ferroviários, bem como todas as etapas inerentes à realização deste projeto. Para esta interface, utilizou-se um conversor CC-CC, em que no seu sistema de controlo se encontra incluído um algoritmo de extração da máxima potência (MPPT), que faz com que a sua operação ocorra sempre no ponto de máxima potência dos módulos solares fotovoltaicos. Por sua vez, este é seguido de um conversor CC-CA do tipo modular e multinível em cascata que tem como finalidade a injeção de potência ativa e reativa na catenária de um sistema ferroviário. Esta funcionalidade permite uma regulação dinâmica do valor de tensão existente na catenária. Para a realização deste projeto de dissertação, inicialmente, foi necessário fazer um estudo relativo ao sistema elétrico ferroviário e às tecnologias solares fotovoltaicas. Seguidamente, foram analisados os diferentes conversores de eletrónica de potência e algoritmos de controlo que podiam integrar este projeto. A topologia utilizada e os algoritmos de controlo descritos nesta dissertação foram avaliados através dos resultados de simulação obtidos com o software PSIM. Esta topologia é composta por três transformadores, portanto foi feita uma análise de diferentes abordagens para estes, assim como os seus dimensionamentos. Posteriormente, foi desenvolvido um protótipo laboratorial do qual são apresentados os resultados experimentais que validam o funcionamento da topologia utilizada.

In recent decades, there has been a commitment by several countries to electrify their railway system. This electrification aims to combat the negative consequences of diesel locomotives, such as air pollution. More recently, with the increase in demand for railway transport, it will be necessary to integrate more locomotives into the railway system, which leads to the need to increase the overhead catenary line power capacity. For this, the incorporation of renewable energy sources, such as photovoltaic solar energy, close to the places of consumption constitutes a pertinent solution. Thus, the present master dissertation document describes the development of an interface of solar photovoltaic solar with the railway systems based on modular and multilevel power converter, as well as all the intrinsic stages to the conception of this project. For this interface, a DC-DC power converter was used, in which a maximum power point tracking (MPPT) algorithm is included in the control system, which ensures that the power converter operation always occurs at the maximum power point of the solar photovoltaic modules. This converter is followed by a modular and multilevel DC-AC converter, whose purpose is to inject active and reactive power into the overhead catenary line of a railway system. This feature allows dynamic regulation of the voltage value existing in the catenary. In order to carry out this dissertation project, initially, it was necessary to conduct a study on the railway electrical system and photovoltaic solar technologies. Then, the different power electronics converters and control algorithms that could integrate this project were analyzed. The topology used and the control algorithms described in this dissertation were evaluated through the simulation results obtained with the PSIM software. This topology is composed of three transformers, so an analysis of different approaches was made for these, as well as their sizing. Subsequently, a laboratory prototype was developed, from which the experimental results that validate the operation of this topology are presented.