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

RESUME Les exigences de performance operationnelle optimale dans l’industrie ferroviaire du transport de passagers necessitent le developpement continu de solutions innovatrices. Le defi principal des manufacturiers est de fournir des vehicules toujours plus efficaces, plus legers et a un cout moindre tout en offrant de bonnes performances en matiere de fiabilite, disponibilite, maintenabilite et securite. La distribution auxiliaire DC est ciblee dans ce projet de recherche en raison de son haut potentiel d’ameliorations majeures. Le niveau de tension est un enjeu majeur. Les distributions actuelles sont generalement a des tensions tres basses variant entre 24 V et 110 V. Les recents developpements dans les distributions DC a 380 V sont prometteurs et interessants pour les manufacturiers de materiel roulant; la distribution auxiliaire DC d’une rame de metro n’etant ni plus ni moins qu’un micro-reseau DC intelligent. Toutefois, le passage a des tensions plus elevees mene inevitablement a de nouveaux enjeux techniques et souleve des questionnements sur les aspects de securite. Par ailleurs, le developpement de nouvelles architectures ainsi que l’integration de nouvelles technologies doivent necessairement se faire en considerant l’environnement ferroviaire dans son ensemble et les pratiques et normes actuelles de l’industrie. L’analyse par simulation combinee aux pratiques, aux normes et a l’experience de l’industrie peut s’averer un outil efficace pour reduire les risques inherents associes aux changements majeurs. Dans ce projet, un modele complet de distribution auxiliaire DC typique d’une rame de metro est developpe dans le logiciel de simulation EMTP-RV en se basant sur les donnees de Bombardier Transport. Chaque composante du reseau est modelisee et validee individuellement. Le modele est oriente vers les besoins et les objectifs d’analyse de l’industrie. Il permet de faire des etudes completes et detaillees dans le but de developper de nouvelles architectures et valider differents concepts qui ne peuvent etre experimentes a la phase de conception. Le modele permet egalement d’etudier plusieurs scenarios rapidement. Les possibilites et les performances du modele de simulation sont finalement demontrees par la realisation de differentes etudes de reseaux electriques : protection de court-circuit, mise a la terre et protection de defaut a la terre, etude de surtension transitoire et protection contre les surtensions, dimensionnement des batteries d’urgence, stabilite de tension et courant d’appel. Les analyses sont basees sur des observations experimentales ainsi que sur des etudes de cas reelles presentees dans la litterature. ----------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.