Contribution au dimensionnement et à la gestion par optimisation de systèmes de stockage d'énergie pour les réseaux électriques ferroviaires

par Olivier Bossi

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Nicolas Retière et de Laurent Gerbaud.

Le président du jury était Benoît Robyns.

Le jury était composé de Nicolas Retière, Laurent Gerbaud, Julien Pouget.

Les rapporteurs étaient Mario Paolone, Philippe Ladoux.


  • Résumé

    L’intégration de systèmes de production décentralisés et de stockage d’énergie dansles réseaux d’électrification ferroviaires est envisagée comme une solution pour améliorerles performances électriques et énergétiques des réseaux électriques ferroviaire qui fontface à une forte augmentation de trafic. Cette solution doit permettre de réduire les coûtsd’investissement et d’exploitation des réseaux ferroviaires (moins de consommation, desrenforcements d’infrastructures limités) par rapport aux solutions conventionnelles.Ces travaux de thèse visent à définir une méthodologie de conception optimale et de gestionénergétique des systèmes de production et de stockage de l’énergie dans un environnementferroviaire. La méthodologie proposée devra constituer pour les ingénieurs une aide à laconception et au dimensionnement des futurs réseaux ferroviaires.Une méthodologie basée sur des modèles d’optimisation non linéaire a été développée.Elle propose une approche originale du traitement des charges mobiles et des dispositifsnon linéaires du réseau (sous-stations, moyens de stockage, rhéostat de freinage) pourl’optimisation. Elle permet de déterminer le dimensionnement et la loi de pilotage optimauxd’un système de stockage intégré à un réseau d’électrification ferroviaire.La méthodologie a été appliquée à une section de réseau urbain électrifiée en 1500Vcontinu. Un système de stockage d’énergie est alors utilisé pour résoudre un problème dequalité d’alimentation et réduire la consommation énergétique. Les résultats obtenus montrentles gains apportés par le stockage et fournissent un guide pour le choix du mode de stockage(batterie, supercondensateur, volant d’inertie) le plus pertinent pour l’application considérée.Des perspectives sont finalement ouvertes pour l’extension de notre méthodologie auxsystèmes de production décentralisés, aux réseaux électrifiés en courant alternatifs et auxautres types de solutions technologiques (FACTS, HVB. . . ).

  • Titre traduit

    Contribution to optimal sizing and management of energy storage systems for railway electrification systems


  • Résumé

    Integration of decentralized production and energy storage systems into railwayelectrification networks are considered as a solution in order to improve their electrical andenergetic performances when facing a major traffic increase. This solution shall allow to reducethe investment and exploitation costs of railway networks (less energy consumption, lessreinforcement work on infrastructures) compared to conventional solutions.The work presented in this manuscript aim to define a methodology for optimal sizing andenergetic management of energy production and/or storage systems for a railway network. Theproposed methodology must help engineers while designing future railway networks.A methodology based on a non linear optimization model has been developed. A novelapproach of the modeling of mobile loads and non linear components of the network (feedingsubstations, energy storage systems, braking rheostats) is proposed for optimization process.It allows the computation of the optimal sizing and control law of an energy storage systemimplemented in a railway electrification network.This methodology has been applied to a DC 1500V electrified urban network section. Anenergy storage system has been introduced in order to solve power quality issues and to reduceenergy consumption. The results shows the benefits of the energy storage system and providesindications to choose the better energy storage system technology (batteries, super-capacitors,flywheel) for the considered application.Future developments shall be the extension of our methodology to decentralized productionsystems, AC electrified railway networks and other technological solutions (FACTS, HVB...).


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