750 V DC cer gücü tedarik sisteminin bilgisayar destekli modellemesi, benzetimi ve analizi
Modeling, simulation and analysis of 750 V DC traction power supply system using MATLAB/PSB
Yazar: İLYAS ÖZMEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Raylı sistemlerde cer gücü tedarik sisteminin birincil fonksiyonu trenlere hareketi için gerekli olan elektrik gücünü mümkün olan en verimli ve en ekonomik şekilde iletmektedir. Bu fonksiyonu sebebiyle cer gücü tedarik sistemleri kesintisiz ve kaliteli bir metro taşımacılığı için hayati öneme sahiptir. 
Genel olarak cer gücü tedarik sistemi 3 temel sistemden oluşmaktadır. DC veya AC ihtiyaç duyulan hat geriliminin elde edildiği trafo merkezleri, elde edilen bu hat geriliminin akım toplayıcı sistemler tarafından trenlere taşındığı akım toplama sistemleri ve son olarak elektrik enerjisini tren hareketine dönüştüren cer elektrik motorları ve sürücü devreleri. Tüm bu sistemlerin herbirinin altında daha birçok bileşenler de olması sebebiyle cer gücü tedarik sistemi oldukça kapsamlı ve önemlidir. DC cer gücü tedarik sisteminin karekteristiklerini bilgisayar destekli inceleyebilmek, çeşitli benzetim ve analizler yapabilmek için öncelikle sistemin modeli oluşturulmalıdır. Ancak bileşenlerin çokluğu ve karmaşıklığı sebebiyle bu işlem oldukça zordur.  
Yapılan bu tezde 750 V DC hat gerilimi kullanılan bir metro sisteminin cer gücü tedarik sisteminin modellemesi MATLAB ® Simulink ortamında Güç Sistemleri Blok Seti (Power System Blockset, PSB) kullanılarak yapılmıştır. Oldukça kapsamlı olarak yapılan bu modellemede Enerji İletim Şirketinin 154kV iletim hatlarından alınan enerji, öncelikle indirici trafo merkezlerinde indirilerek istasyonlar arasında 34,5kV orta gerilim ring sistemi oluşturulmuştur. 34,5kV gerilim seviyesi trenleri beslemek için ihtiyaç duyulan 750 V DC üçüncü ray gerilimine redresör trafosu ve doğrultucu üniteleri vasıtasıyla dönüştürülmüştür. Daha sonra eşdeğer direnç olarak modellenmiş olan üçüncü ray iletkeni üzerinden trenüstü kolektör pabucu vasıtasıyla trende bulunan toplam 12 adet 3 fazlı sincap kafesli asenkron cer motoruna enerjilendirilmektedir. Toplam 4 araçtan oluşan tren setinin yalnızca 3 aracı motorlu olup her bir araçta 2 boji ve 4 cer motoru olduğundan toplam 12 adet asenkron cer motoru bulunmaktadır. Modelde cer motorları PWM sinyali tarafından kontrol edilen 3 fazlı IGBT invertörü tarafından sürülmektedir. Tüm bu bahsedilen ana gruplar ve alt bileşenlerin her biri ayrı ayrı MATLAB ® Simulink altında modellenmiş ve bu alt birimler ile gruplar bloklar halinde işletme şekline göre birbiri ile irtibatlanmıştır. Çalışma için örnek olarak toplam iki adet 4'lü tren setinin aynı bölgeden kalkış yaptığı durum incelenmiştir. Fakat istenildiği takdirde tren sayısı ve istasyon sayısı rahatlıkla artırılabilir ve bloklar içindeki veriler rahatlıkla değiştirilebilir. İstasyonlar arası mesafe üçüncü ray eşdeğer direnç değeri değiştirilerek rahatlıkla ayarlanabilirken trenler birbiriyle eş olması sebebiyle bir tren bloğu kopyalanarak hatda bulunan toplam tren sayısı da rahatlıkla artırabilir. Böylece tüm hattın modellemesini ve benzetimi yapmak mümkün olacaktır. 
Oluşturulan bu model genişletilebilir ve geliştirilebilir olup farklı işletme koşullarının kapsamlı incelemesini gerçekleştirmeye uygundur. Bu incelemede tren kalkış anı karekteristikleri ile birlikte trenlerin çektiği büyük reaktif akımlardan dolayı oluşan harmoniklerin incelemesi yapılmıştır. Tren kalkış anı akım karekteristiklerinin kısa devre hata akımlarına olan benzerliği incelenmiştir.

Abstract:
The primary function of railway traction power supply system is to provide necessary electrical power to operate the trains in the most efficient and the most cost-effective manner. This is especially important in today urban transportation where passengers cannot even accept minutes of delays. Reliability and availability of traction power supply systems at all the time is the key. Since, traction power supply system is vital for an efficient and reliable railway transport, it is important to study on modelling and simulation of this system which will enable to study and analyze different operating conditions including short circuit faults and energy quality issues. 
A 750 V DC traction power supply system, which is in use in Yenikapi-Taksim-Haciosman line of Istanbul Metro, is modelled using Matlab ® Simulink environment. 750 V DC line volatge and third rail current collection systems is used in this metro line. The model is very comprehensive since it consists of all three main systems of traction power supply system. In the developed model, first of all, necessary electrical traction power is received from national high voltage 154kV network and then converted to 34,5kV medium voltage via power transformers. A medium voltage ring system is provided between all substations for the relaiblity of the supply power. This follows by further reducing the voltage by means of rectifier transformers and the reduced AC voltage is finally converted to 750 V DC by means of uncontrolled diode rectifer units. In the developed MATLAB model that is shown by step by step. The third rail current collection system is modelled as equivalent of resistance together with equivalent resistance between the third rail and trainborne collecter shoe. The metro train used in Yenikapi-Taksim-Haciosman metro line consists of 4-car set. 3 of those 4-car is motorized cars and each of motorized car consists of 4 traction motor. Thus, the metro train is modelled as total of 12 three-phase squirrel cage induction motor. Traction motor is fed by 3-phase IGBT units which is controlled by PWM signal. 
Only two 4-car set trains are used in the simulation to study train starting current. It is assummed that two 4-car train set start running at the same time and in the same zone. However, it is also possible to run the simulation with more trains and thanks to the Simulink environment, the parameters of all blocks can be changed easily. This enable to simulate different scenarios easily. For example, in case of using 8-car train sets on the track, the two 4-set car can be coupled easily and connected to any location between the substaions. In the developed model third rail current collection system is modelled as equivalent resistance of 1km sections. This can be easily changed. A train set can be placed between two adjacent third rail blocks and in that way it will be possible to simulate complete track with desired numbers of trains on the desired location between the stations.
The developed DC metro model can be used in many different applications, however it is the primary objective of this project to use the model in order to study train starting current. It is very important to understand the distinction between train starting currents and the short circuit currents in railway systems since they have similar current magnitude and its rising rate. The phenomena of mis-operation and mal-operation cannot be avoided with the traditional protection. Because problems involved in providing protection to traction systems are very different from those faced in protecting other transmission and distribution lines. This is due to the continous movement of train load, which is in the range of a few MW, change in the lenght of the line during operation and high levels of harmonic currents.
Simulation results are given for both only one train set is running and two train set running at the same time. Third rail voltage, line current, 154kV busbar voltage and currents, 154kV busbar energy measurements, IGBT phase-to-phase voltage, tarction motor rotor and stator currents, traction motor voltage, traction motor speed-time graph and electromagnetic torque waveforms are all given in the results. Simulation results pointed out the diffuculty of discrimination remote short circuit current against train starting current. That is because the train starting current even for only one 4-car train set is more than 4000 A. Train reach that current level in miliseconds. Results also shows that even using only two 4-car train set 154kV busbar voltage and current waveforms is not pure sinusoidal because of the excess harmonic currents driven by trains. In the simulation compensation system does not modelled in order to analyze harmonics at 154kV busbar.