Nouvelle électrification en courant continu moyenne tension pour réseau ferroviaire

par Andrea Verdicchio

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Philippe Ladoux.

Le président du jury était Christian Schaeffer.

Le jury était composé de Philippe Ladoux, Gérard Coquery, Mauro Carpita, Sébastien Sanchez, Marie-Laure Locatelli.

Les rapporteurs étaient Gérard Coquery, Mauro Carpita.


  • Résumé

    Depuis le début du 20ème siècle, différents systèmes d’électrification ferroviaire en courantcontinu et en courant alternatif ont été développés en Europe. Les systèmes en courant alternatifmonophasé moyenne tension (25 kV-50 Hz ou 15 kV 16,7 Hz) permettent d’utiliser une caténairelégère de faible section de cuivre mais de par leur principe mettent en jeu de la puissancefluctuante et de la puissance réactive qu’il faut compenser par des dispositifs volumineux etcoûteux. Les systèmes d’électrification à courant continu (1,5kV ou 3kV) ne possèdent pas cesinconvénients mais en contrepartie, leur relativement faible niveau de tension implique lacirculation de courants élevés dans la caténaire ce qui s’oppose à toute augmentation de trafic carla section de cuivre ne peut pas être augmentée au-delà de 1000 mm2. Du point de vue dumatériel roulant, les locomotives alimentées en courant alternatif ont une chaine de conversiond’énergie électrique complexe et volumineuse (transformateur abaisseur, redresseur, filtre bassefréquence puis onduleur). En revanche, une chaine de conversion fonctionnant sous caténaire àcourant continu se réduit à un filtre d'entrée et à un onduleur de traction. Aujourd’hui, les progrèstechnologiques réalisés dans le domaine de l'électronique de puissance permettent d’envisager ledéveloppement de réseaux électriques à courant continu moyenne tension pour accompagner latransition énergétique en intégrant plus facilement des sources d’énergies renouvelables et deséléments de stockage d’énergie. Partant de ce constat, l’objectif de ce travail de thèse est deproposer un nouveau système d’électrification ferroviaire à courant continu moyenne tension,d’une part, dans le but de combiner les avantages des systèmes actuels d’électrification et d’autrepart, d’envisager à moyen terme la rénovation des lignes électrifiées à courant continu. Le premierchapitre de cette thèse présente un état de l’art des systèmes d’électrification ferroviaire existantset des chaines de traction associés. Le deuxième chapitre met en évidence l’intérêt d’uneélectrification à courant continu moyenne tension pour la traction ferroviaire. Une méthode decalcul, permettant de déterminer le niveau de tension continue pour un trafic donné, est proposée.Il est ainsi montré que le choix d’un niveau de tension à 9 kV permet d’obtenir des sections decaténaire et un espacement des sous-stations comparables au système 25kV-50 Hz. Dans sapremière partie, le troisième chapitre propose une stratégie permettant de faire évoluer le systèmed’électrification 1,5 kV existant en France vers un système 9 kV. En attendant que le parc d’enginsde traction soit adapté pour fonctionner sous une caténaire à 9 kV, il est possible de préparerl’évolution du système d’électrification en déployant une ligne de transport d’énergie électrique en9 kV (feeder) en parallèle de la caténaire 1,5 kV existante. Au terme de la période de transition, leniveau de tension 1,5 kV est complètement supprimé et la totalité de l’infrastructure ainsi que lesengins de traction fonctionnent alors sous 9 kV. La deuxième partie de ce chapitre est consacréeà l’étude d’une topologie associant des convertisseurs DC/DC isolés et permettant de remplir lafonction de transformateur électronique indispensable pour le renforcement de l’alimentation de lacaténaire 1,5 kV à partir du feeder 9 kV.Le quatrième chapitre présente la réalisation et les essaisd’un convertisseur DC/DC isolé d’une puissance de 300 kW utilisant des modules MOSFET SiC3,3 kV. Une conclusion générale et des perspectives concluent ce mémoire.


  • Résumé

    Since the beginning of the 20th century, various DC and AC rail electrification systems have beendeveloped in Europe. Single-phase, medium-voltage AC systems (25 kV-50 Hz or 15 kV 16.7 Hz)allow the use of a light overhead-line of small copper cross-section but by their principle involvefluctuating power and reactive power that have to be compensated by large and expensivedevices. DC electrification systems (1.5kV or 3kV) do not have these disadvantages but in return,their relatively low voltage level involves the circulation of high currents in the overhead-line whichlimits any increase in traffic because the copper section cannot be increased beyond 1000 mm2.From a rolling stock point of view, AC powered locomotives have a complex and voluminousconversion chain (step-down transformer, rectifier, low-frequency filter and traction inverter). Onthe other hand, a conversion chain operating under direct current catenary is reduced to an inputfilter and a traction inverter. Today, the technological progress made in the field of powerelectronics makes it possible to envisage the development of medium voltage DC grids to supportthe energy transition by integrating more easily renewable energy sources and storage devices.On the basis of this observation, the aim of this thesis is to propose a new medium voltage DCrailway electrification system, on the one hand, with the aim of combining the advantages of thecurrent railway electrification systems and on the other hand, to consider in the medium term therenovation of lines electrified in DC. The first chapter of this thesis presents a state of the art ofexisting railway electrification systems and associated traction chains. The second chapterhighlights the interest of a medium voltage DC electrification for railway traction. A calculationmethod for determining the DC voltage level for a given traffic is proposed. Therefore, it is shownthat the choice of a voltage level at 9 kV makes it possible to obtain an overhead-line cross-section and a substation spacing comparable to the 25 kV-50 Hz system. In its first part, the thirdchapter proposes a strategy to upgrade the existing 1.5 kV French electrification system to a 9 kVsystem. Until the fleet of traction units is adapted to operate at 9 kV, it is possible to prepare theevolution of the electrification system by deploying a transmission line at 9 kV (feed-wire) inparallel with the existing 1.5 kV overhead-line. At the end of the transition period, the 1.5 kVvoltage level is completely removed and the entire infrastructure as well as the traction unitsoperate at 9 kV. The second part of this chapter is dedicated to the study of a topology, based onan association of isolated DC/DC converters, to fulfil the function of solid state transformer whichis essential for the power reinforcement of the 1.5 kV system from the 9 kV feed-wire. The fourthchapter presents the realization and tests of an isolated DC / DC converter with a power level of300 kW using 3.3 kV SiC MOSFET modules. A general conclusion and perspectives conclude thismanuscript


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