Abstract

Increasing energy efficiency is nowadays a requirement in all technical fields. The reduction of global consumption, thus carbon footprint, has become the world's priority, as for example, the climate and energy package of the European Union.Railways' share of energy consumption is one of the highest. Electrical solutions are developed in order to reduce these systems' losses, optimize their consumption and reduce global energy bill. Given their diversity, two main categories are considered in this study. The first one consists of urban lines that are characterized by a DC electrification and a relatively dense traffic. In this case, braking energy burned in trains' rheostats represents the main share of losses. The proposed solution is to recuperate this energy using a DC micro-grid implemented in a passengers' station. It allows an interaction with the non-railway electrical environment, for example, re-using this energy in charging electric hybrid buses parked nearby. The excess of braking energy is recuperated using a DC/DC converter and injected into a DC busbar. A second DC/DC converter will store it in a hybrid storage system. It will then serve to charge the buses connected to the DC busbar. The micro-grid is also connected to the grid using a low power AC/DC converter. A power management system ensures optimizing power flow between different components. An energy evaluation showed that this solution is a good Investment especially because no contract is needed with the energy provider. The system's stability is studied and a stabilizing command, the backstepping, is applied. This new smart station allows railways to communicate, energetically, with its evolving environment.The second category is suburban and high speed lines that are AC electrified. Contrarily to the previous case, braking energy is reinjected to the upper grid through substations. Therefore, a second solution is to reduce global energy consumption by optimizing trains' speed profiles and timetable's synchronization. It is done using a differential evolution algorithm. Each speed profile is divided into zones to which are associated driving parameters. The optimization of the latter allowed generating new optimal speed profiles and a less-consuming timetable. Simulation results showed that it is possible to make important energy savings while respecting train's punctuality.; L'amélioration de l'efficacité énergétique est devenue aujourd'hui une nécessité dans tous les domaines techniques. La réduction de la consommation, et donc du bilan carbone, est placée parmi les priorités mondiales tel que le paquet énergie-climat 2020 de l'Union Européenne.Les systèmes ferroviaires font partie des plus grands consommateurs d'énergie. Des solutions électriques sont développées pour réduire les pertes dans ces systèmes, optimiser la consommation et donc réduire la facture énergétique globale. Étant donné la diversité de ces systèmes, deux catégories principales sont considérées. La première regroupe les lignes urbaines caractérisées par une électrification en mode DC et un trafic relativement dense. Dans ce cas, l'énergie de freinage brûlée dans les rhéostats des trains constitue une perte considérable. La solution proposée consiste à récupérer cette énergie à l'aide d'un DC micro-grid installé dans une station passager. Elle permettra une interaction avec son environnement non-ferroviaire comme par exemple réutiliser cette énergie pour charger des bus électriques hybrides stationnant à proximité. Ce micro-grid contient un premier convertisseur DC/DC qui récupère l’excès d'énergie de freinage d'un train et l'injecte dans un DC busbar. Un deuxième convertisseur DC/DC va ensuite la stocker dans un système de stockage hybride pour que le bus électrique puisse se charger une fois branché au DC busbar. Le micro-grid est relié au réseau par un onduleur réversible AC/DC de faible puissance. L'ensemble est géré localement par un système gestion de puissance. Une évaluation énergétique montre que cette solution est intéressante lorsqu’un investissement, station de charge, est nécessaire pour charger les bus. En plus, dans le cas du DC micro-grid, aucun contrat avec le fournisseur d’électricité n’est nécessaire. La stabilité du système est aussi étudiée et une commande de stabilisation, le backstepping, est appliquée. Ce nouveau concept d’une future station intelligente permettra au système ferroviaire de communiquer avec son environnement qui est en pleine évolution.La deuxième catégorie est constituée par les lignes régionales et les lignes à grandes vitesses fonctionnant en mode AC. Contrairement au cas précédent, l’excès d’énergie de freinage est renvoyé à travers les sous-stations d’alimentation. Par conséquence, une deuxième solution propose la réduction de la consommation totale par l’optimisation du profile de vitesse de chaque train et la synchronisation de la grille horaire. Ceci est réalisé à l’aide d’un algorithme d’évolution différentielle. Chaque profile de vitesse est découpé en zones auxquelles sont attribuées des paramètres de conduite. L'optimisation de ces derniers permet de générer un nouveau profile de conduite optimal. Les résultats montrent la possibilité de faire des économies d’énergie tout en respectant la ponctualité des trains.

Abstract

The paper analyses dwell time delays for commuter trains in Stockholm andTokyo. In both cities, small dwell time delays of at most five minutes makeup around 90% of the total delays. Therefore, it is valuable to understandand deal with these disturbances. To this end, we use high resolution data ondwell times and passenger counts from both countries over the last severalyears. We find that these data alone can explain about 40% of the variationin dwell time delays and produce simple models which can be used inpractice to assign more appropriate dwell times. A change of 15 passengersper car, in Tokyo translates to a delay of about one second. For every 10remaining passengers per door in Stockholm, the delay increases by aboutone second, and one boarding or alighting passenger per door correspondsto about 0.4 seconds of delay. We also find that trains in Tokyo are muchmore congested than in Sweden, and that at most stations in the latter, theexchange of passengers is modest. In both cities, the range of dwell timedelays is quite narrow, with between 40 and 50 seconds separating the 5thand 95th percentiles. This indicates further that most delays, by far, are verysmall, and that even small adjustments to dwell times can make a bigdifference in the overall picture. To facilitate such improvements, keystakeholders and practitioners are closely involved with the research.