Modellazione, controllo e simulazione di un convertitore DC/DC da 2 MW per alimentazione di una linea ferroviaria da parco fotovoltaico

The growing focus on sustainability and the energy transition is making the integration of renewable sources within railway infrastructures increasingly relevant, with the goal of reducing grid consumption and associated emissions. In this context, this thesis presents the study and design of the control system for a DC/DC converter intended to directly connect a 2 MW photovoltaic field to the 3 kV DC overhead contact line, as part of a pilot project launched by Italferr in the Bologna area. The work begins with the dynamic modeling of the three-level converter, developed using time-averaging techniques and small-signal linearization, and proceeds with the design of the main control loops: current, voltage, output voltage balancing, and maximum power point tracking (MPPT). The integration with the traction substation is also addressed, analyzing operating modes under different load conditions and the management of control switching. Comprehensive simulations validated the system’s performance, demonstrating its ability to maximize the energy fed into the grid and to maintain the line voltage within regulatory limits. Finally, a preliminary study of the interaction between the converter and the railway line was conducted through an initial impedance analysis.

La crescente attenzione verso la sostenibilità e la transizione energetica rende sempre più rilevante l’integrazione di fonti rinnovabili all’interno delle infrastrutture ferroviarie, con l’obiettivo di ridurre i consumi da rete e le emissioni associate. In questo contesto, la tesi presenta lo studio e la progettazione del sistema di controllo di un convertitore DC/DC, destinato a collegare direttamente un campo fotovoltaico da 2 MW alla linea di contatto a 3 kV in corrente continua, nell’ambito del progetto pilota avviato da Italferr nell'area di Bologna. Il lavoro si articola a partire dalla modellizzazione dinamica del convertitore a 3 livelli, realizzata mediante tecniche di time-averaging e linearizzazione ai piccoli segnali, e dalla progettazione degli anelli di controllo principali: corrente, tensione, bilanciamento delle tensioni di uscita e inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). È stata inoltre affrontata l'integrazione con la sottostazione elettrica di trazione, analizzando le modalità operative in differenti condizioni di carico e la gestione della commutazione tra i controlli. Le simulazioni complessive hanno permesso di validare il comportamento del sistema, mostrando la capacità di massimizzare l’energia immessa in rete e di mantenere la tensione di linea entro i limiti normativi. Infine, è stato condotto un primo studio dell'interazione tra il convertitore e la linea ferroviaria, mediante un’analisi preliminare delle impedenze.