Wind power – An alternative power source for railways

Målet med detta examensarbete, utfört på uppdrag av Vectura Consulting AB, har varit att undersöka möjligheten att ansluta en vindkraftpark till järnvägens kontaktledningsnät. Möjligheten att koppla om vindkraftparken till järnvägens hjälpkraftnät, som bland annat förser växelvärmare och signalsystem med effekt, har också undersökts. Eftersom kontaktledningsnätet och hjälpkraftnätet arbetar med olika frekvenser och spänningar, 16⅔ Hz och 15 kV respektive 50 Hz och 22 kV, måste därför en komplett krets för frekvensomvandling, spänningsomvandling och omkoppling tas fram. Projektet har begränsats till en del av Botniabanan, sträckan Örnsköldsvik-Nordmaling. I denna rapport har trafikfrekvensen på den valda sträckan på Botniabanan undersökts för att bestämma en genererad effekt till inkopplingspunkten, samt för att undersöka när det kan vara lämpligt att koppla om till hjälpkraftnätet. Kontaktledningsnätet samt hjälpkraftnätet runt om Botniabanan beskrivs i rapporten. Kretsen för omkoppling mellan de olika elnäten har beskrivits i sin helhet och på komponentnivå. Transformatorer, frekvensomvandlare, brytare och kraftelektronik som använts i projektet har beskrivits och deras val har motiverats. I rapporten diskuteras även vindkraftverk som är lämpliga för detta projekt, projektering av en vindkraftspark samt en eventuell placering för parken. I rapporten har en systemlösning som använder sig av en trefasdiodomriktare för frekvensomvandling tagits fram. Diodomriktaren, som finns i vindkraftverkens maskinhus, är ansluten till två olika transformatorer via varsin effektbrytare. Med hjälp av de två effektbrytarna är det möjligt att välja vilket nät som ska matas. Omkoppling mellan kontaktledningsnätet samt hjälpkraftnätet kommer att ske under vintertid då hjälpkraftnätet, på grund av växelvärme, kräver en högre inkopplad effekt. Vindkraftparken, som består av 7 vinkraftverk, kommer att generera maximalt 20 MW. Nyckelord: kontaktledning, hjälpkraftledning, kraftelektronik, diodomriktare, transformator, effektbrytare, vindkraft The goal with this project, specified by Vectura Consulting AB, is to primarily investigate the possibility to connect a wind power plant to the Swedish railway overhead contact grid. The possibility to switch between the overhead contact grid and the auxiliary grid, which feeds rail track heaters and signal systems with power, has also been examined. Because the two electric grids use different frequencies and voltage levels, 16⅔ Hz and 15 kV respectively 50 Hz and 22 kV, and voltage levels a complete circuit for changing frequency and voltage level and switching must be designed. The project has been limited to a part of Botniabanan, the course Örnsköldsvik-Nordmaling. In this report the traffic frequency on the selected course has been examined to decide the required power rating of the wind power plant and when it would be possible to switch to the auxiliary grid. The report also describes the overhead contact grid used at Botniabanan and the auxiliary grid. The circuit used in this project and its components are also described. The report also discusses potential wind turbines that are suited for this project and a possible location for the wind power plant. The result of this report is a system solution that uses a diode rectifier circuit for switching frequencies. The diode rectifier circuit is located inside the machine house of the wind turbines, which is connected to two different transformers. With the help of two circuit breakers, each placed after one of the transformers, it is possible to switch the power feed between the two different grids. Switching between the overhead contact grid and the help grid will be made during wintertime because of the rail track heaters. The wind power plant contains 7 wind turbines and will be able to generate 20 MW. Key words: overhead contact grid, auxiliary grid, power electronics, diode rectifier circuit, transformer, circuit breaker, wind turbin