Au début des années 2000, suite à l’augmentation du trafic ferroviaire et à l’introduction massive de véhicules de traction modernes équipés de redresseurs à absorption sinusoïdale de courant, plusieurs cas d’instabilités ont été observés sur les réseaux ferroviaires électrifiées en 25 kV / 50 Hz ou en 15 kV / 16,7 Hz.
Ces instabilités se manifestent par une modulation d’amplitude de la tension et du courant caténaire à très basse fréquence (quelques Hertz). Elles résultent de l’interaction des boucles de régulations implémentées dans les engins de traction moderne qui sont couplées via l’impédance de l’infrastructure d’alimentation. Elles peuvent engendrer un dysfonctionnement des équipements embarqués dans les trains, une coupure de l’alimentation électrique et par conséquent une interruption du trafic ferroviaire.
Une collaboration entre le laboratoire LAPLACE et l’entreprise ALSTOM a été mise en place afin de proposer une méthode robuste permettant de réaliser de manière virtuelle une étude de stabilité d’un système électrique ferroviaire et de définir un ensemble de critères d’acceptation des engins de traction pertinents et cohérents avec leurs conditions d’exploitation.
Pour réaliser cette étude de la stabilité, il faut tout d’abord déterminer l’admittance d’entrée de la chaîne de traction. Comme cela nécessite des moyens d'essais importants et coûteux, il est préférable d'utiliser des outils de simulations. Il est ainsi possible, soit de modéliser la chaîne de traction et sa commande dans un logiciel installé sur ordinateur, soit d’utiliser le simulateur HIL (Hardware In the Loop) d'ALSTOM (SITRA IITM) associé à l’unité de contrôle réelle de la chaîne de traction.
Ce manuscrit décrit les étapes à suivre pour mesurer l’admittance basse fréquence de la chaîne de traction modélisée dans ces deux moyens de simulation. Il présente ensuite une méthode permettant de déterminer la stabilité d'un système de traction ferroviaire. Une approche mathématique du problème permet de définir un critère de stabilité facile à utiliser. Celui-ci est basé sur une méthode graphique qui repose sur le tracé de la courbe limite de stabilité dans le plan d'impédance complexe (R, X) de la source. La méthode est applicable aux réseaux 25 kV / 50 Hz et 15 kV / 16,7 Hz. Des simulations temporelles sont réalisées afin de valider cette méthode. |
In the early 2000s, following the increase in railway traffic and the massive introduction of modern traction vehicles equipped with four-quadrant rectifiers, several cases of instabilities were observed on railway networks electrified in 25 kV / 50 Hz and in 15 kV / 16.7 Hz.
These instabilities appear as an amplitude modulation of the contact-line voltage and current at very low frequency (a few Hertz). They are due to the interaction of the control loops implemented in modern traction units which are coupled via the supply network impedance. They can cause a dysfunction of the on-board equipment, a train power supply shut down and therefore an interruption of the railway traffic.
A collaboration between the LAPLACE laboratory and the ALSTOM company was set up in order to propose a robust method allowing to carry out a virtual stability study of a railway traction system and to define a set of acceptance criteria of the traction units relevant and coherent with their operating conditions.
To perform this stability study, it’s necessary to first determine the traction chain input admittance. As this requires important and expensive tests, it is preferable to use simulation tools. It is thus possible either to model the traction chain and its control in a software installed on a computer, or to use ALSTOM's HIL (Hardware In the Loop) simulator (SITRA IITM) associated with the real control unit of the traction chain.
This manuscript describes the steps to follow to measure the low frequency admittance of the simulated traction chain in these two simulation tools. It then presents a method to determine the stability of a railway traction system. A mathematical approach of the problem allows to define a stability criterion easy to use. This criterion is based on a graphical method using the plot of the stability limit in the complex impedance plane (R, X) of the supply network. The method is applicable to both 25 kV / 50 Hz and 15 kV / 16.7 Hz networks. Time domain simulations are performed to validate this method. |