Soutenance de thèse de Didier FLUMIAN – Vendredi 13 décembre 2024 à 9h en salle des thèses (C002) – ENSEEIHT

Résumé
Pour accroitre le trafic ferroviaire, la qualité de l’alimentation en énergie électrique est primordiale. Il est nécessaire de garantir d’une part, un niveau de tension satisfaisant pour le bon fonctionnement des engins de traction et d’autre part un prélèvement d’énergie au réseau amont de transport d’électricité satisfaisant les normes de qualités. Pour les lignes électrifiées en 25kV/50Hz, l’augmentation de la puissance consommée ne peut être tolérée par le fournisseur d’énergie électrique qu’à condition que le déséquilibre des tensions, dû au raccordement de la sous-station entre deux phases, soit minime. Pour satisfaire cette contrainte et relever le défi de l’augmentation du trafic sur ses lignes, SNCF-Réseau doit faire appel à des solutions électroniques de puissance.

Les systèmes de compensation actuellement utilisés par SNCF-Réseau sont basés sur des onduleurs de tension triphasés. Ceux-ci présentent des pertes élevées et leur maintenance est délicate. C’est dans ce contexte qu’une nouvelle topologie modulaire à faibles pertes a été proposée en 2016 dans le cadre d’un projet ANR porté par le LAPLACE et associant les partenaires industriels SCLE et CIRTEM. Celle-ci est basée sur un circuit de compensation de Steinmetz contrôlée par des gradateurs MLI.

Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet « High Voltage Balancing System » (HVBS), financé par le programme France 2030 opéré par l’ADEME. L’objectif de ce projet, débuté en 2019, est le dimensionnement, le développement et la réalisation industrielle d’une nouvelle topologie de compensateur de déséquilibre dédiée aux sous-stations ferroviaires 25kV/50Hz.

Cette thèse présente tout d’abord les perspectives d’évolution du trafic ferroviaire puis dresse un état de l’art des topologies de compensateurs de déséquilibre. Par la suite, une étude comparative, considérant les pertes dans les semi-conducteurs et les énergies stockées dans les éléments réactifs permet de mettre en avant l’intérêt de la nouvelle solution proposée.

Deux outils de dimensionnement, considérant les puissances consommées par les sous-stations, sont ensuite présentés. L’un est dédié aux sous-stations monophasées classiques, l’autre concerne les sous-stations à schéma en « V », utilisées principalement pour l’alimentation des lignes à grande vitesse.

Afin de préparer l’installation du compensateur sur le réseau de transport d’électricité, une analyse harmonique du courant absorbé par la sous-station doit être réalisée. Celle-ci est ensuite exploitée dans un modèle de simulation qui permet de vérifier qu’il n’y a pas d’interactions entre le réseau haute tension triphasé, le système de compensation et la sous-station. Ceci démontre la robustesse du compensateur et de son contrôle vis-à-vis des perturbations harmoniques générées par les trains.

Enfin, la dernière partie de cette thèse est dédiée à la réalisation et au test d’une branche expérimentale connectée au réseau 20kV et comprenant 50 gradateurs MLI connectés en série. Les résultats expérimentaux obtenus sur la plateforme d’essais de la société SCLE, sont présentés. Ils valident le bon fonctionnement de la solution développée et ouvrent la voie à son installation dans une des sous-stations critiques du réseau ferré national.

Abstract
To increase railway traffic, the quality of the electrical power supply is crucial. On the one hand, it is necessary to guarantee a satisfactory voltage level for the proper operation of traction units and, on the other hand, to ensure that the energy drawn from the upstream electricity transmission network meets quality standards. For 25kV/50Hz railway lines, the increase in power consumption can only be tolerated by the power supplier if the voltage unbalance, due to the substation connection between two phases, is minimal. To meet this constraint and to meet the challenge of increasing traffic on its lines, SNCF-Réseau has to rely on power electronics solutions.

The balancing systems currently used by SNCF-Réseau are based on three-phase voltage inverters. These systems have high losses, and their maintenance is complex. It is against this background that a new low-loss modular topology was proposed in 2016 in the frame of an ANR project led by LAPLACE and involving industrial partners SCLE and CIRTEM. This solution is based on a Steinmetz compensation circuit controlled by PWM AC choppers.

This thesis was carried out in the frame of the “High Voltage Balancing System” (HVBS) project, funded by the France 2030 program operated by ADEME. The aim of this project, which began in 2019, is the design, development, and industrial realisation of a new unbalance compensator topology dedicated to 25kV/50Hz railway substations.

This thesis first presents the future prospects for railway traffic, followed by a state-of-the-art review of unbalance balancing topologies. Subsequently, a comparative study, considering semiconductors losses and the reactive elements stored energies, highlights the advantages of the proposed new solution.

Two design tools, considering the power consumed by the substations, are then presented. One is dedicated to conventional single-phase substations, while the other concerns “V” scheme substations, mainly used for the power supply of high-speed lines.

To prepare for the installation of the compensator on the power transmission network, a harmonic analysis of the current absorbed by the substation must be carried out. This is then used in a simulation model to check that there are no interactions between the three-phase high-voltage network, the compensation system, and the substation. This demonstrates the robustness of the compensator and its control against harmonic disturbances generated by the trains.

Finally, the last part of this thesis is dedicated to the realisation and testing of an experimental branch connected to the 20kV network and comprising 50 PWM AC choppers connected in series. The experimental results obtained on SCLE’s test platform are presented. They validate the proper operation of the developed solution and pave the way for its installation in one of the critical substations of the national railway network.