En réponse aux besoins croissants de mobilités et aux enjeux de réduction des émissions carbone, le ferroviaire est l'un des moyens de transport les plus performants. Le système d'électrification ferroviaire en 25 kV / 50 Hz a été développé par la SNCF dans les années 1950. Il est aujourd'hui déployé sur 48 % des lignes électrifiées dans le monde. L'énergie électrique est prélevée sur deux des trois phases du réseau public de transport d'électricité grâce à un transformateur monophasé abaisseur de tension. L'énergie est ensuite transportée jusqu'aux trains par l'intermédiaire d'une ligne aérienne appelée « caténaire ». Ce système d'électrification qui est le plus simple et le moins coûteux présente néanmoins deux inconvénients :
– le prélèvement de l'énergie électrique sur seulement deux phases du réseau amont provoque un déséquilibre en tension, néfaste pour le réseau de transport d'électricité ;
– par ailleurs, les sous-stations adjacentes n'étant pas nécessairement connectées sur les mêmes paires de phases du réseau amont, leur fonctionnement en parallèle n'est pas possible et la puissance consommée par les trains ne peut donc pas être répartie. De plus, à cause du changement de phases, les secteurs alimentés par chaque sous-station doivent être séparés par des zones neutres où les trains ne sont plus alimentés, ce qui peut faire perdre jusqu'à une dizaine de minutes sur le temps de trajet.
Pour répondre à ces problématiques, cette thèse propose et étudie un système électronique de puissance appelé « convertisseur statique de phase » (SPC) pouvant remplacer les sous-stations conventionnelles. Ce convertisseur prélève l'énergie de manière équilibrée sur le réseau triphasé amont tout en ayant la possibilité de piloter sa tension de sortie en amplitude et en phase. Il peut donc fonctionner en parallèle avec d'autres sous-stations adjacentes.
Cette thèse se décompose en quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré à un état de l'art des systèmes électroniques de puissance utilisés dans l'alimentation des lignes ferroviaires. Le second chapitre étudie d'un point de vue système l'intérêt de l'utilisation du SPC pour le réseau ferré français. Différentes méthodes de pilotage sont examinées et leur impact sur les flux de puissance et les performances du système d'alimentation est évalué. Pour cela, un cas d'étude réel avec une grille de trafic prévisionnelle à l'horizon 2030 est traité.
Ensuite, le troisième chapitre propose un dimensionnement électrique du SPC avec une topologie du type MMC et une topologie déjà éprouvée du type « NPC en cascade ». Ce chapitre propose un choix de semi-conducteurs adaptés et un dimensionnement des éléments passifs. Il considère aussi différents types de modulation dans le but de réduire la fréquence de commutation, tout en garantissant une bonne qualité harmonique des grandeurs de sortie.
Enfin, le quatrième et dernier chapitre compare les deux topologies en proposant un modèle thermique pour déterminer leurs performances (rendement et limites de fonctionnement).
Une conclusion générale et des perspectives concluent ce mémoire. |
In response to growing demand for mobility and the challenge of reducing carbon emissions, railway is one of the most efficient modes of transportation. The 25 kV / 50 Hz railway power supply system was developed by the SNCF in the 1950s. It is nowadays used on about 48 % of electrified railway lines worldwide. Electrical energy is drawn from two of the three-phase public transmission network via a single-phase step-down voltage transformer. Energy is then transmitted to trains through an overhead contact line. Although this electrification system is the simplest and most cost-effective, it has two main drawbacks:
• Drawing electricity from only two phases of the upstream network causes a voltage unbalance which is detrimental to the transmission network.
• Furthermore, as adjacent substations are not necessarily connected to the same couple of phases of the upstream network, parallel operation is not possible and the power consumed by the trains cannot be shared. Moreover, sectors fed by each substation must be separated with neutral sections where trains are no longer powered, which can add up to ten minutes to the journey time.
To address these issues, this thesis introduces and studies a power electronics system called "static phase converter" (SPC) to replace conventional substations. This converter draws balanced currents from the three-phase upstream network, while having the ability to control its output voltage amplitude and phase. It can therefore operate in parallel with other adjacent substations.
This thesis includes four chapters. The first chapter provides an overview of power electronics systems used in railway power supply systems. The second chapter takes a systemic perspective to study the interest of the SPC for the French railway network. Multiple control strategies are investigated and their impact on the power flows and the power supply system performance are estimated. To this end, a real case study based on a projected traffic programme for 2030 is examined.
The third chapter then presents an electrical sizing for the SPC with a MMC topology and an already proven "cascaded NPC" topology. This chapter discusses the selection of suitable semiconductors, and the sizing of the passive elements. It also examines various modulation techniques aimed at reducing the switching frequency, while maintaining good harmonic quality of the output variables.
Finally, the fourth and final chapter compares the two topologies by proposing a thermal model to calculate their performance in terms of efficiency and operating limits.
A general conclusion and perspectives conclude this memoir. |