Nouvelle topologie de Compensateur de Puissance Réactive pour les Réseaux Ferrés 25 kV / 50 Hz

New Topology of STATCOM for 25 kV / 50 Hz AC Single Phase Railway Network

• Auteur / Autrice : Luc Anthony Lowinsky
• Direction : Philippe Ladoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 27/05/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Compensation de puissance réactive variable

Gradateur MLI

Impédance active

Variable Reactive Power Compensation

AC Chopper

Active Impedance Concept

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire s’est déroulé dans le cadre d’une collaboration entre le groupe Convertisseur Statique du laboratoire LAPLACE et le département " Installations Fixes de Traction Electrique " de la Direction de l’Ingénierie de la SNCF. Aujourd'hui, la majorité du trafic sur le réseau ferré monophasé 25 kV / 50 Hz est assurée par des locomotives équipées de redresseurs contrôlés à thyristors. Du fait de l'augmentation du trafic, l'utilisation de ces locomotives nécessite la mise en place de moyen de compensation de puissance réactive afin de maintenir la tension caténaire à un niveau acceptable et de réduire la facture en énergie réactive. La correction du facteur de déplacement est réalisée en partie par des batteries de compensation fixes dont lapuissance est limitée par la tension maximale admissible à vide sur la caténaire. Afin d’adapter le niveau de compensation à la consommation, la partie fixe est complétée par un dispositif réglable basé sur une réactance contrôlée par des thyristors. Bien qu’il soit simple dans son principe, ce dispositif nécessite un filtrage des harmoniques en basse fréquence avec des circuits LC volumineux. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle topologie de compensateur de puissance réactive à haut rendement et utilisant un contrôle à modulation de largeur d’impulsion dans le but de minimiser le volume des éléments de filtrage. La première partie de ce mémoire est consacrée à une étude comparative de différentes topologies du point de vue des pertes dans les semi-conducteurs et du dimensionnement des éléments de filtrage associés. Les résultats de cette étude montrent que les topologies à base de gradateurs MLI, constituent les solutions les plus intéressantes pour réaliser le compensateur. La deuxième partie du travail concerne l’étude de l’insertion d’un compensateur à base de gradateurs MLI sur le réseau ferré avec la prise en compte des interactions harmoniques. Le cas d’étude concerne une sous-station où doit être implantée une compensation variable de 3 MVAR. Un relevé des courants délivrés par la sous-station a été effectué dans le but d’analyser leur contenu harmonique. Une modélisation de la sous-station et du compensateur est ensuite proposée et des simulations temporelles de l’ensemble sont réalisées en prenant en compte les formes d’ondes réelles des courants absorbés par les trains. Finalement, cette étude par simulation permet d’affiner le dimensionnement du compensateur à gradateurs MLI et des éléments de filtrage associés. Elle met en évidence l’avantage d’une solution, avec des gradateurs MLI en montage élévateur de tension, qui fonctionne sans transformateur et réutilise les batteries de compensation fixes déjà installées en sous-station à la fois comme diviseur de tension et éléments de filtrage. Afin de valider le principe de cette nouvelle topologie de compensateur statique de puissance réactive, un démonstrateur de 1,2 MVAR est mis en oeuvre et testé sur une plateforme d'essai de la SNCF.

The work presented in this thesis is the result of collaboration between the Static Converters research group of LAPLACE Laboratory and the department "Installations Fixes de Traction Electrique" of the Engineering Division of the French Railways company, SNCF. Nowadays, most of the traffic in 25 kV – 50 Hz lines is achieved by old locomotives equipped with thyristor rectifiers. As traffic and load increase, reactive power compensation devices are required to keep the overhead line voltage at acceptable level and to reduce the spending for reactive power. The basic power factor correction is completed by fixed compensation banks. But the difficulty of such configuration is the no-load operation of overhead lines. The voltage can increase out of the 29 kV standard limit and to avoid this problem, variable reactive power compensator is often added to the fixed compensation banks. Nowadays, SNCF is equipped with thyristor based static VAR compensators (SVC). The main drawback of this topology is the requirement of a large LC shunt filter tuned for the third harmonic. The goal of this thesis is to find a new high-efficiency topology of STATic COMpensator (STATCOM) using PWM control to minimize the filtering components. The first part of this thesis focuses on a comparative study of different topologies in terms of semiconductor losses and filter elements size. The results of this study show that the topologies based on PWM AC Chopper are the most interesting solutions to achieve the compensator. The second part of the work concerns the influence of the connection of a STATCOM to a substation and focuses on the harmonic interactions with locomotives. The study case concerns a high traffic substation where a 3 MVAR STATCOM should be installed. Substation output current measurement was carried out in order to analyze its harmonic content. Models of the substation and the STATCOM are then proposed and simulations using real current waveforms are performed. Finally, this simulation study helps to refine the features of the AC Chopper topology and its filter elements. It highlights the advantage of a solution, with boost AC Choppers which operate without transformer and reuse the fixed compensation banks already installed in the substation as voltage divider and filter. To validate the principle of this new topology of STATCOM, a 1.2 MVAR prototype is built in LAPLACE laboratory and tested on a SNCF test platform.