Kocaeli tramvay projesi şehir hastanesi uzatma hattının kısmen katenerden kısmen araçüstü enerji depolama sisteminden beslenmesi çözümünün incelenmesi
Investigation of supply problem solution of the city hospital extension line of Kocaeli tramvay project with partially from catenary or partially from on-board energy storage system
Yazar: ENES MALİK AYSEL
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda özellikle ülkemizde ulaşım sorununu çözebilmek için raylı sistemlere verilen önem artmıştır. Özellikle şehir belediyeleri şehirlerin gelişmişlik göstergesi kabul edilen raylı sistemlere son yıllarda yoğun ilgi göstermişlerdir. Bu da raylı sistem yatırımlarının artması, yeni raylı sistem hatlarının devreye girmesi ve yeni hatların ihtiyacının oluşmasını beraberinde getirmiştir. Her yeni yapılan raylı sistem hattı yeni projelerin önünü açmış ve şehir gelişimine büyük katkılar sağlamıştır. Bunlara bağlı olarak raylı sistemler ile ilgili araştırmalar gittikçe artmış ve güncel hale gelmiştir. Yapılan araştırmaların artması raylı sistemlerin ülkemizdeki gelişimine önemli katkılar sağlayacaktır. Bu tez kapsamında raylı sistemlere kısaca değinilecek, raylı sistemlerin özel bir parçası olan tramvay sistemleri tanıtılacak, enerji depolama sistemi ele alınacak, Kocaeli'nin raylı sistemler geçmişi ve mevcut Kocaeli tramvay hattı tanıtılacak sonrasında ise yapılması planlanan Kocaeli Şehir Hastanesi uzatma hattının kısmen katenerden beslenmesi ve kısmen araç üstü enerji depolama sisteminden beslenmesi çözümü simülasyon çalışması incelenecek ve son bölümde simülasyon çalışması sonuçları paylaşılacaktır.
Bölüm 1'de raylı sistemlerde elektrik güç beslemesinin önemine değinilmiş, tezin amacına, literatür taramasına ve simülasyonun nedenlerine vurgu yapılmıştır. Araç üstü enerji depolama sistemleri demiryolu uygulamalarında son zamanlarda kilit rol oynamaktadır. Bu tezin temel amacı, araç üstü enerji depolama sistemi uygulaması ile simülasyon gerçekleştirerek, sonuçları paylaşmaktır.
Bölüm 2'de raylı sistem ve tramvay sistemleri ile ilgili temel kavramlar verilmiş, raylı sistem çeşitlerinden söz edilmiştir. Raylı sistem çeşitleri anlatılırken ülkemizde bulunan raylı sistemlerden örnekler verilmiştir. Bunun yanında tramvay sisteminin elektrik güç beslemesi, gerçek uygulamalardan örnekler verilerek detaylıca anlatılmıştır. Tramvay sistemleri elektrik güç beslemesini oluşturan sistemler dört grupta incelenmiştir: Orta gerilim üniteleri; cer transformatörleri ve doğrultucu sistemleri; yardımcı servis transformatörleri ve yardımcı servisler; iletim (katener) sistemleri.
Bölüm 3'te enerji depolama sisteminin tanımı yapılmış, geçmiş tarihçesi ve enerji depolama sistemi çeşitlerinden bahsedilmiştir. Devamında ise enerji depolama sistemlerinin (pillerin) çalışma prensipleri, pil teknolojisi ile ilgili kritik değerde öneme sahip terminolojiler ve son olarak tez kapsamında kullanılması düşünülen lityum iyon pil teknolojisi detayları anlatılmıştır.
Bölüm 4'te Kocaeli genel hatları ile tanıtılmış ve Kocaeli Büyükşehir Belediyesi raylı sistem geçmişi anlatılmıştır. Kocaeli'de yapımı gerçekleştirilmiş Akçaray Tramvay Projesi ve bu hat kapsamında yapılması planlanan uzatma hatlarına ait detaylar verilmiştir. Kocaeli'de ana hat tramvay projesine ek üç adet uzatma hattı projesi bulunmaktadır ve bunlar aşağıdaki gibidir.
• Kuruçeşme Uzatma Hattı ~900 m uzunluk - (H1)
• Stadyum Uzatma Hattı ~5700 m uzunluk - (H2)
• Şehir Hastanesi Uzatma Hattı ~3000 m uzunluk - (H3)
Sözü edilen uzatma hatlarından üçüncüsü olan Şehir Hastanesi Uzatma Hattı bu tez kapsamında ele alınacak projedir.
Bölüm 5'te Şehir Hastanesi Uzatma Hattı Projesi kısmen katener ve araç üstü enerji depolama sistemi simülasyon çalışması verileri ve proje detaylarından söz edilmiştir. Bu tezde sunulan tüm hesaplamalar ve simülasyonlar Matlab / Simulink endüstriyel yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Matlab / Simulink aynı zamanda hat profili simülasyonu için ABB'ye özel bir araç olan TRAC Tool'un temelini oluşturmaktadır.
Şehir Hastanesi Uzatma Hattı beş istasyondan oluşmaktadır. Simülasyonun en temel ve en önemli verilerinden biri olan Kocaeli Büyükşehir Belediyesi tarafından paylaşılan uzatma hattına ait güzergah, eğim, kurp, istasyon bilgileri, hat uzunluğu vb. verilere bu bölümde detaylı olarak değinilmiştir. Simülasyon için diğer önemli parametre olan "araç verileri" için ise mevcut Kocaeli tramvay hattında çalışan tramvay araca ait bilgiler kullanılmıştır.
Bölüm 6'da ise gerçekleştirilen simülasyon çalışması sonuçlarına yer verilmiştir. Temelde araç üstü enerji depolama sistemi öncelikle katenersiz bölgede tramvay aracını hareket ettirmesi için gereken enerjiyi sağlaması düşünülerek tasarlanmıştır. Araç katenerli bölgeye girdiğinde, katener hattını besleyen trafo merkezleri vasıtasıyla araç üstü enerji depolama sistemi şarj edilecektir.
Kısmen katenerli yapılması düşünülen bu hat özelinde hat verileri ile yapılan simülasyon çalışmaları sonucunda enerji bakımından araç üstü enerji depolama sistemi olarak > 20 kWh enerji depolama sistemi kurulması yeterli görüldüğü anlaşılmıştır. Şehir Hastanesi Uzatma Hattı özelinde sistemin yedekliliği de düşünülerek 2  20 kWh'lik enerjiye sahip araç üstü batarya sistemi kurulması ve sadece eğimin neredeyse %5 seviyelerine ulaştığı Başaran İstasyonu'ndan başlayan yaklaşık 800 m'lik mesafe için çift yönlü bir katener sistemi kurulması yeterli olacaktır.

Abstract:
In our country, the increase in the investments on rail transit systems comes with a variety of studies regarding these systems. The increase in the number of studies will provide a great contribution to the development of rail transit systems in our country.
The city of Kocaeli, a city where the railway system investment taking place is, if we consider about geographical, by the side of Istanbul metropolis, and have a gulf which is convenient to sea transportation, and a suburban rail passes through, if there can be more investments, there will be tourist potential, although the seventh smallest city in Turkey, there is vice versa case economically. The city of Kocaeli has a very important part for Turkey. Due to the fact, that it is a developing city and its increasing population, more investment in rail systems is inevitable.
Railway transit systems is an all-encompassing term for various types of local rail systems providing passenger service within and around urban or suburban areas. This thesis briefly defines rail transit systems and its categories; introduces street tram systems that is a special part of rail transit systems; afterwards explains the traction power system of street tram; gives on-board energy storage system (ESS) details that will be used; introduces Kocaeli Metropolitan Municipality and rail system history of city Kocaeli; gives City Hospital extension line details (track data, vehicle system, on-board energy storage system details).
ESS has a key role in this thesis due to it is a new attractive technology introduced in railway application; then simulation of extension line with partial catenary & on-board ESS solution application will take places; at the last chapter, conclusions of simulation of the extension line with partial catenary & on-board ESS solution will be given.
In Chapter 1, the importance of traction power system and the reasons for simulation is highlighted and the objective of this thesis is explained. On-board energy system is taking key role in railway business. The main objective of this thesis is to establish a source for future systems by conducting a simulation with on-board energy storage system.
In Chapter 2, the basic concepts regarding rail transit is briefly introduced, the types of rail transit systems are defined, and the traction power system of street tram systems is explained with a detail. Rail transit system subsystems are generally light rail transit systems, light metro, metro, suburban train, high-speed train, regional railways and monorail systems.
In this thesis general focus will be for the street tram cause extension line will be an extension of street tram.
In Chapter 3, the energy storage systems are defined, its history and types of energy storage systems. Then, the working principles of energy storage systems (battery), critical terminologies related to battery technology and finally the details of lithium-ion battery technology, which is considered to be used in the thesis, are explained. In the past, many types of batteries were invented by scientists. Lead Acid, Nickel Cadmium and Lithium based batteries became very popular on industry because of their advantages. This thesis mainly focused on the Lithium Ion batteries which are used in vehicle systems and advantages and disadvantages of current technology of Li-ion batteries are given. Li-ion batteries can provide many advantages in railway application like energy-efficient and optimized traction chain, compact, highly integrated, powerful and modular design.
In Chapter 4, Kocaeli Metropolitan city is introduced in general terms and the history of Kocaeli Metropolitan Municipality's rail system is explained. Details of the Akçaray Tramway Project, which was built throughout Kocaeli province is given.
The Akçaray tram line was opened on 17 June 2017 and started to operation between 11 stations on the 14.8 km line between the Bus Station and Sekapark. The first 4 stations of the Sekapark - Plajyolu section, the second phase of the line, were put into operation on February 9, 2019. In November 2019, one more station was added to the line and the tram reached to Plajyolu.
The 33-meter-long vehicles in service have a total capacity of 290 passengers. The line, which was opened in June 2017, carried 23 million passengers until November 2019. The number of daily passengers has exceeded 40.000.
The extension lines planned to be built to the main line, are given below. There are three extension lines which will be built in Kocaeli.
• The first one is Kuruçeşme extension with ~900 m length (H1)
• The second one is Stadyum extension ~5700 m length – (H2)
• The third one is the City Hospital extension, which we will consider within the scope of this thesis. Length ~3060 m (H3)
The other project started in 2019 is Gebze-Darıca metro project invested by the government. Gebze - Darıca metro will be the first metro of Kocaeli. The system is planned to consist of a single 14.6 km length. The line will provide the transit of Marmaray at Gebze Train Station.
In Section 5, the project details of the City Hospital Extension line with partial catenary system and on-board energy storage system will be introduced for the simulation study. City Hospital Extension line, which will be built, consists of five stations. The track data which covers route, slope, curve, station information, line length etc. belong to the extension line shared by Kocaeli Metropolitan Municipality are the most basic and crucial data of the simulation within the scope of this thesis. The most difficult parameter here is the slope. Slope can reach nearly 5% for along 800 m.
For the "vehicle data", which is another important parameter for simulation, it been used the tramway vehicle details which is in currently running in the main line. ABB traction system is in use (traction convertor, motor etc.) therefore simulation was taken place with a smooth way with TRAC Tool program.
All the calculations and simulations presented in this thesis were performed using Matlab/Simulink industrial software.
Matlab/Simulink is also the base for TRAC Tool, an ABB proprietary tool for track profile simulation.
In Chapter 6, outcomes and suggestions are stated. In this chapter, it is especially mentioned about the importance of rail transit systems for Turkey. Turkey is belated to use rail transit systems. For this reason, this delay results in a great deal of problems. These problems can be listed as transportation, high-costs and insufficient number of qualified workers. Those problems are touched upon in this chapter and suggestions are presented.
Following these discussions, outcomes obtained through the simulation are evaluated.
The on-board energy storage system was designed primarily to provide the energy required to move the vehicle in the catenary-free zone. When the vehicle enters the catenary zone, the on-board energy storage system will be charged through the substations supplies feeding the catenary line.
The simulation study made with track data and vehicle data for the City Hospital extension line, which is planned to be partial catenary, it has been understood that it is enough to install an on-board energy storage system > 20 kWh. In addition, redundancy is very critical here because even if a convertor on the vehicle is out of service, the operation will not be interrupted.
The system we examined within the scope of this thesis is a system with an installed power (redundant) of 2  20 kWh. It has been observed that this system will also be compatible with the on-board mechanical system and will not have a major impact on vehicle data (weight, etc.).
The simulation study shows, it will be enough to install a two-way catenary system for approximately 800 m starting from Basaran Station, where the slope reaches almost 5% levels, with an on-board battery system with 2  20 kWh energy. Of course, this catenary system needs to be fed by the substation as in the existing line.
According to outcomes of simulation and excel table which will be annex of thesis, shows us that systems are stable, efficient and solution-based approached.
Moreover, considering that the catenary system will cause difficulty in implementation in the region where the viaduct is located along the route and will extend the project lead time, the establishment of an on-board energy storage system will provide a very serious advantage.
As a result, Kocaeli Tramway Project, City Hospital extension line with partially catenary system and on-board energy storage system was simulated, and the operation of the system was examined. The increase in the number of such studies will pave the way for newer designs and further analysis.