First EMTP-RV Benchmark for Off-Line Simulation of Rapid Transit Train DC Auxiliary Systems

Les exigences de performance opérationnelle optimale dans l'industrie ferroviaire du transport de passagers nécessitent le développement continu de solutions innovatrices. Le défi principal des manufacturiers est de fournir des véhicules toujours plus efficaces, plus légers et à un coût moindre tout en offrant de bonnes performances en matière de fiabilité, disponibilité, maintenabilité et sécurité. La distribution auxiliaire DC est ciblée dans ce projet de recherche en raison de son haut potentiel d'améliorations majeures. Le niveau de tension est un enjeu majeur. Les distributions actuelles sont généralement à des tensions très basses variant entre 24 V et 110 V. Les récents développements dans les distributions DC à 380 V sont prometteurs et intéressants pour les manufacturiers de matériel roulant; la distribution auxiliaire DC d'une rame de métro n'étant ni plus ni moins qu'un micro-réseau DC intelligent. Toutefois, le passage à des tensions plus élevées mène inévitablement à de nouveaux enjeux techniques et soulève des questionnements sur les aspects de sécurité. Par ailleurs, le développement de nouvelles architectures ainsi que l'intégration de nouvelles technologies doivent nécessairement se faire en considérant l'environnement ferroviaire dans son ensemble et les pratiques et normes actuelles de l'industrie. L'analyse par simulation combinée aux pratiques, aux normes et à l'expérience de l'industrie peut s'avérer un outil efficace pour réduire les risques inhérents associés aux changements majeurs. Dans ce projet, un modèle complet de distribution auxiliaire DC typique d'une rame de métro est développé dans le logiciel de simulation EMTP-RV en se basant sur les données de Bombardier Transport. Chaque composante du réseau est modélisée et validée individuellement. Le modèle est orienté vers les besoins et les objectifs d'analyse de l'industrie. Il permet de faire des études complètes et détaillées dans le but de développer de nouvelles architectures et valider différents concepts qui ne peuvent être expérimentés à la phase de conception. Le modèle permet également d'étudier plusieurs scénarios rapidement. Les possibilités et les performances du modèle de simulation sont finalement démontrées par la réalisation de différentes études de réseaux électriques : protection de court-circuit, mise à la terre et protection de défaut à la terre, étude de surtension transitoire et protection contre les surtensions, dimensionnement des batteries d'urgence, stabilité de tension et courant d'appel. Les analyses sont basées sur des observations expérimentales ainsi que sur des études de cas réelles présentées dans la littérature.

Abstract

In the rapid transit industry, market interest toward optimal operational performance requires innovative solutions. The main challenge for vehicle manufacturers is to increase the efficiency and reduce the weight and the cost of its vehicles while keeping high levels of reliability, availability, maintainability, and safety. Vehicle DC auxiliary systems are targeted in this master thesis because they offer a high potential of major improvements. Voltage level is a major challenge. Actual distribution are at very low voltages ranging between 24 V to 110 V. Recent developments in 380 V DC systems are promising and interesting for vehicle manufacturers. DC auxiliary systems in railway vehicles are in fact no other than rolling smart DC microgrids. The shift toward higher voltage DC auxiliary systems inherently leads to new technical challenges and safety concerns. Moreover, the development of new architectures and the integration of new technologies must be done with an appropriate knowledge of the rail environment and the actual practices and standards. Analysis using simulation models combined with established industry practices, standards and past experiences is an efficient tool to reduce the inherent risk exposure with major changes. In this project, a complete generic rapid transit train DC auxiliary system model is developed in EMTP-RV based on Bombardier Transportation data. Models of the network components are developed and validated individually based on the available information. The developed train model is highly oriented toward the industry specific needs and provides sufficient level of details for design purpose and architecture development of railway vehicle DC auxiliary systems. The simulation model can be a useful tool at the design phase to investigate design concerns which cannot be tested at early project stage. The capabilities of the simulation model are finally demonstrated for different power system studies such as: overcurrent protection, grounding and ground fault analysis, transient overvoltage and insulation coordination, emergency battery sizing, voltage stability, and inrush current. Phenomena, and events observed during field testing and presented in the literature are reproduced using the developed model and the influence of network parameters is investigated.