Contribution of railway systems to frequency control of electric power systems with a multidisciplinary approach
Authors:   , Araúz Sarmiento Jesús Harmodio 
Published: October 2024

Reducing reliance on fossil fuels due to environmental concerns has driven interest in renewable energy for power generation. Climate change, exacerbated by increased energy consumption, prompts global efforts to address environmental issues, especially in power systems. Integrating renewable sources into grids presents challenges, particularly where high penetration of intermittent resources alters system dynamics. Converter control dynamics significantly impact stability, affecting rotor angle, voltage, and frequency stability. The null inertial response from decoupling prime mover power challenges classical stability problems.

Frequency control in low-inertia grids faces complexity due to renewable energy uncertainty and challenges in estimating system inertia. Intermittent generation complicates synchronous generator dispatch, leading to variations in the rate of change of frequency. Measurement challenges extend to grid-following converters, diminishing monitoring precision. Research explores three main approaches to frequency control: generation-based, transmission-based, and demand-side strategies. The first two have been largely explored, but the last one is considerably less studied.

Demand-side approaches are crucial for efficient energy consumption. Integrating spread and adjustable loads can support power systems in renewable energy integration. Studies show how loads can modulate consumption to better interact with power systems, avoiding grid congestion, mitigating voltage deviation, and reducing frequency fluctuations. This involves adjusting normal signal setpoints to adjust load dynamics to consume without compromising their main objectives but providing some support to grid needs. Any load capable of modifying its consumption without worsening its main activity can be an active contributor. Widely spread loads with increasing usage can play a relevant role in developing demand-side approaches. Railway systems, with growing activity, offer an opportunity to contribute to power system stability. By exploring railway systems for ancillary services, particularly in different types of frequency control, there is potential for synergy between power and railway systems in the ongoing energy transition. As railway systems and urban populations are expected to rise, they should be studied as flexible loads supporting renewable generation integration.

This research aims to assess the potential contribution of railway systems to frequency control. It explores different demand response approaches, their implementation, requirements, and challenges; develops models, assessment methods, and control approaches; and proposes new concepts on the role of railway systems in power systems. Contributions include a methodology for simplifying the coupling between railway systems and distribution grids to estimate surplus regenerative braking energy and assess its injection impact; an approach for enabling trains to contribute to power system inertia and frequency control through their HVAC systems without affecting passenger comfort. This includes modeling proposals to speed up assessments and studies; a low-computational method for tuning frequency control loops using equivalent surface equations to facilitate parametric studies, find local optima, and reduce model multi-variable dependency; and an approach for estimating grid frequency from DC catenary voltage ripple to obtain local signal availability. This work primarily considers urban DC railway systems, but findings can be adapted to other types. Numerical studies show the theoretical feasibility of the frequency control proposals, and hardware implementation validates them. Railway systems can contribute to frequency control depending on grid events, train technical specifications, thermal behavior, control tuning, and other grid participants' dynamics.

RESUMEN

Reducir la dependencia a los combustibles fósiles por preocupaciones ambientales ha aumentado el interés por introducir energías renovables en la matriz energética. El Cambio Climático, agravado por el aumento del consumo de energía, impulsa esfuerzos globales para abordar problemas ambientales. La integración de generación renovable en las redes presenta desafíos técnicos, donde la alta penetración de recursos intermitentes altera la dinámica del sistema. La dinámica de los controles de los convertidores electrónicos afecta la estabilidad de ángulo, tensión y frecuencia. La respuesta inercial nula agrava los problemas clásicos de estabilidad. El control de frecuencia en redes de baja inercia es afectado por la incertidumbre del recurso renovable y estimación de la inercia del sistema. La intermitencia complica el despacho de los generadores, ocasionando variaciones de frecuencia. Los retos de medición se extienden a los convertidores que siguen la red, reduciendo la precisión de monitoreo. En el estado del arte se exploran tres enfoques principales para el control de frecuencia: basado en generación, basado en transmisión y basado en consumo. Los dos primeros han sido ampliamente explorados y desarrollados. Sin embargo, el último ha sido menos estudiado. Los enfoques del lado de la demanda son esenciales para un consumo eficiente. La integración de cargas ajustables ayuda a incorporar generación renovable, al cambiar el consumo para interactuar mejor con los sistemas eléctricos. Esto se logra ajustando las consignas de operación para adaptar la dinámica de la demanda, contribuyendo a servicios auxiliares sin comprometer sus objetivos principales. Las crecientes cargas distribuidas desempeñan un papel crucial en los enfoques de la demanda. Los ferrocarriles pueden ayudar a estabilizar sistemas eléctricos al contribuir a los servicios auxiliares de la red, mostrando potencial de sinergia en la transición energética. Esto sugiere que los ferrocarriles pueden estudiarse como cargas flexibles en miras de la integración de generación renovable. El objetivo de esta investigación es evaluar la contribución de los sistemas ferroviarios al control de frecuencia. Esta investigación incluye una exploración de diferentes enfoques de respuesta a la demanda, su implementación actual, los requisitos y desafíos enfrentados para ser aplicados; el desarrollo de modelos, métodos de evaluación, enfoques de control, nuevos conceptos sobre el papel del sistema ferroviario en los sistemas de energía eléctrica; y los resultados de las propuestas basadas en sistemas reales de energía eléctrica y ferroviarios. Algunas de las contribuciones son una metodología para simplificar el acoplamiento de modelos ferroviarios y de redes de distribución, para la estimación del excedente de energía de frenado regenerativo y la evaluación de su inyección; un enfoque para que los trenes contribuyan a la inercia de los sistemas de energía eléctrica y al control de frecuencia primario y secundario, mediante el uso de sus sistemas de aire acondicionado, sin afectar el confort térmico de los pasajeros. Este enfoque incluye modelos para acelerar evaluaciones y estudios; un método de bajo costo computacional para ajustar bucles de control, basado en ecuaciones de superficies. Este facilita hacer estudios paramétricos, la búsqueda de óptimos locales y la reducción de la dependencia multivariable del modelo; y un enfoque para estimar la frecuencia a partir del rizado de la tensión de la catenaria. Este considera ferrocarriles en corriente continua, pero los hallazgos pueden adaptarse a otros tipos. Los estudios muestran la viabilidad teórica de las propuestas de control de frecuencia y la implementación en equipos reales las valida. Los ferrocarriles pueden contribuir al control de frecuencia dependiendo de los eventos, las características técnicas del tren y su comportamiento térmico, el ajuste del control y la dinámica de otros participantes en la red, entre otros aspectos.