FR3001417A1

FR3001417A1 - Procede d'optimisation de l'efficacite energetique d'une sous-station ferroviaire regenerative dc

Info

Publication number: FR3001417A1
Application number: FR1350654A
Authority: FR
Inventors: Preville Guillaume De; Maialen Boyra
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-08-01
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: FR3001417B1

Abstract

L'invention concerne un procédé d'optimisation de l'efficacité énergétique d'une sous-station régénérative DC, qui peut travailler en quatre zones différentes : - une zone de traction (I), dans laquelle elle fournit une puissance pour satisfaire la demande énergétique d'au moins un train, - une zone d'inactivité (II), dans laquelle elle ne consomme ni ne fournit de courant, - une zone de régénération (III), dans laquelle elle consomme le courant de freinage d'au moins un train, - une zone de limitation de courant en mode régénération (IV) par introduction d'une forte pente négative, dans lequel on introduit une pente positive sur la courbe de statisme de cette sous-station ferroviaire, du niveau de la tension de sortie en fonction de la charge ainsi qu'une discontinuité à l'origine, en mode régénération.

Description

PROCEDE D'OPTIMISATION DE L'EFFICACITE ENERGETIQUE D'UNE SOUS-STATION FERROVIAIRE REGENERATIVE DC DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé d'optimisation de l'efficacité énergétique d'une sous- station ferroviaire régénérative DC. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine de l'invention est celui de la commande de sous-stations ferroviaires régénératives en courant continu (DC) dans le cadre d'une contribution et amélioration de la courbe de statisme qui détermine le comportement d'une telle sous-station ferroviaire en termes de tension et de courant.

Le statisme (« droop » en anglais) est nécessaire pour un partage correct de la charge entre deux sources de tension. Comme illustré sur la figure 1B, par exemple, le statisme consiste à introduire une pente cx sur le niveau de tension de sortie en fonction de la charge : Udc = f(idc). S'il n'y a pas de statisme, la source qui délivre le plus de tension prend toute la charge. Il existe un statisme naturel, dû à la résistance de sortie de la source, mais celui-ci est non contrôlé. En général, le statisme est toujours présenté pour la délivrance de la puissance et non pas pour la régénération de celle-ci. La figure 1 illustre une sous-station ferroviaire 11 en mode traction qui fournit du courant à un train 10 qui accélère dans son voisinage. Le réseau de distribution alternatif (AC) 12 distribue l'électricité à des sous-stations 11 qui abaissent la tension pour qu'elle puisse convenir au moteur du train 10. Les courbes de statisme illustrées sur les figures lA et 1B montrent deux comportements possibles de cette sous-station ferroviaire 11. La figure 2 illustre une sous-station ferroviaire en mode régénération qui absorbe le courant d'un train 10 qui freine dans son voisinage. Les courbes de statisme illustrées sur les figures 2A et 2B montrent deux comportements possibles de la sous-station ferroviaire 11 : Udc = f(idc) avec idc < 0. Dans les deux exemples illustrés respectivement sur les figures 1, 1A, 1B et sur les figures 2, 2A, 2B où il n'y a qu'un train dans le voisinage de la sous-station ferroviaire 11, les courbes de statisme de la sous-station peuvent être définies comme celles illustrées sur les figures 3A et 3B. Cependant, ces courbes de statisme présentent un problème technique pour la régénération quand il y a plusieurs trains dans la ligne. Un exemple de disfonctionnement est illustré sur la figure 4, sur laquelle un premier train 20 est en train de freiner tandis qu'un second train qui suit 21 accélère. Dans tel exemple, la sous-station ferroviaire ne devrait pas absorber du courant, ce qui n'est pas le cas. Une solution à ce problème technique, qui est proposée dans les documents référencés [1] et [2] 30 en fin de description, consiste à introduire, en plus du statisme, une discontinuité Audc à l'origine des courbes de statisme, comme illustré sur les figures 5A et 5B. De cette façon la sous-station ferroviaire 11 ne commence à consommer de l'énergie que lorsque la tension à ses bornes DC atteint le niveau Udcl- Cependant, seulement les deux options des figure 5A et 5B sont proposées pour dc<0 respectivement soit une ligne horizontale, soit une pente négative. La figure 6 illustre une courbe de statisme selon le document référencé [1] avec : CC = commande d'angle d'avance constant ; CEC = commande de tension constante et U = rectification non contrôlée. La figure 7 illustre une courbe de statisme selon le document référencé [2]. La figure 6 reprend les caractéristiques de la figure 5B et montre l'état actuel des statismes en mode régénération : soit un statisme est présent afin de répartir la charge à récupérer dans les stations avoisinantes en limitant la quantité d'énergie pouvant être régénérée, soit aucun statisme n'est prévu avec aucun contrôle de répartition entre les stations avoisinantes. La figure 7 est une variante de la figure 6. La pente négative au-delà d'un certain seuil permet de limiter le courant de régénération. Le problème technique qui se pose alors est le problème suivant : quand la sous-station ferroviaire 11, illustrée sur la figure 8, se trouve en mode régénération, la tension aux bornes DC de celle-ci est égale à au moins Udci. La tension aux bornes du train est encore plus élevée, comme illustré sur la figure 8A. Avec le statisme proposé avec une pente négative, lorsque la station ferroviaire 11 est en mode régénération, sa tension augmente en fonction de la puissance à récupérer, ce qui limite la régénération et entraîne la perte d'une partie de l'énergie de freinage. En effet si la tension de la station ferroviaire augmente, cela signifie que le train doit relever d'autant sa tension. En effet on a la relation Utrain = Uscus-station Rcatenaire - idc avec Rcatenaire : résistance due aux caténaires situés entre la sous-station ferroviaire et le train. Comme sa capacité en génération de tension est limitée, le train préfère donc envoyer son énergie de freinage dans des rhéostats locaux. Au-delà d'un seul seuil Utrain-maxr ces rhéostats à bord du train sont déclenchés et toute l'énergie de freinage est perdue en tant que chaleur. Ainsi, quand le train freine, s'il n'y aucun autre train pour consommer l'énergie de freinage dans le voisinage, la tension aux bornes du train peut augmenter considérablement. Cette augmentation dépend de la distance entre la sous-station et le train. Les courbes de statisme actuelles ne 20 permettent donc pas d'optimiser la régénération d'énergie. L'invention a pour objet de résoudre un tel problème technique. 25 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé d'optimisation de l'efficacité énergétique d'une sous-station régénérative DC, qui peut travailler en quatre zones différentes : - une zone de traction, dans laquelle elle fournit une puissance pour satisfaire la demande énergétique d'au moins un train, - une zone d'inactivité, dans laquelle elle 5 ne consomme ni ne fournit de courant, - une zone de régénération, dans laquelle elle consomme le courant de freinage d'au moins un train, - une zone de limitation de courant en mode 10 régénération, par introduction d'un pente négative de limitation de courant, dans lequel on introduit une pente négative ou nulle sur la courbe de statisme de cette sous-station ferroviaire du niveau de la tension de sortie en 15 fonction de la charge ainsi qu'une discontinuité à l'origine en mode régénération, caractérisé en ce qu'on utilise une pente positive à la place de la pente négative ou nulle, en mode régénération. Avantageusement la pente positive est 20 comprise entre 0 et 5%, par exemple de l'ordre de 1%, la pente négative de limitation de courant est supérieure en valeur absolue à la pente positive, par exemple supérieure, en valeur absolue, à 10%. L'invention permet de protéger 25 l'utilisation d'une pente positive ainsi que celle d'une courbe de statisme incluant une discontinuité, une pente positive et une pente négative de limitation de courant. En effet, avec une telle pente, l'optimisation de l'efficacité énergétique d'une 30 alimentation ferroviaire dans son ensemble prend tout son sens : elle permet de récupérer le maximum d'énergie de récupération du train grâce à la discontinuité et la pente positive, - elle permet une bonne répartition des 5 flux entre des sous-stations ferroviaires avoisinantes grâce à la pente négative en mode traction et à la pente positive en mode de régénération, - elle permet une limitation naturelle de la station ferroviaire en mode régénération grâce à la 10 pente négative de limitation de courant, - elle permet d'orienter le flux de récupération dans des sous-stations désignées avec des pentes différentes selon les stations, permettant une optimisation au niveau du réseau électrique. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1, lA et 1B illustrent respectivement une sous-station ferroviaire en mode traction et deux courbes de statisme correspondantes en 20 traction. Les figures 2, 2A et 2B illustrent respectivement une sous-station ferroviaire en mode régénération et deux courbes de statisme correspondantes au freinage. 25 Les figures 3A et 3B illustrent deux courbes de statisme en cas d'un seul train dans la ligne pour une sous-station ferroviaire en mode régénération. La figure 4 illustre le comportement 30 souhaité d'une sous-station ferroviaire.

Les figures 5A et 5B illustrent deux courbes de statisme avec discontinuité en cas d'un seul train dans la ligne. La figure 6 illustre une courbe de statisme 5 selon un premier document de l'art connu, le document référencé [1]. La figure 7 illustre une courbe de statisme selon un second document de l'art connu, le document référencé [2]. 10 Les figures 8 et 8A illustrent respectivement une sous-station ferroviaire en mode freinage et la courbe de montée de la tension aux bornes du train. La figure 9 illustre les zones de travail 15 d'une sous-station ferroviaire, avec la courbe proposée en régénération selon l'invention. Les figures 10A, 10B et 10C illustrent respectivement deux solutions de l'art connu et la solution de l'invention. 20 Les figures 11A et 11B illustrent un modèle de sous-station ferroviaire utilisé pour des simulations. La figure 12 illustre le modèle utilisé pour les simulations. 25 Les figures 13A et 13B illustrent respectivement les statismes de deux sous-stations dans une première simulation. Les figures 14A et 14B illustrent les résultats de la première simulation.

Les figures 15A et 15B illustrent respectivement les statismes de deux sous-stations dans une seconde simulation. Les figures 16A et 16B illustrent les résultats de la seconde simulation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En régime nominal, une sous-station ferroviaire régénérative peut travailler en quatre zones différentes comme illustré sur la figure 9 : 1) Zone I - Zone de traction Dans cette zone la sous-station fournit une puissance pour satisfaire la demande énergétique d'un train (idc<0). En fonction de la technologie utilisée dans la sous-station ferroviaire, l'expression d'Udc peut-être une ligne plate ou avoir un statisme donné par un paramètre o(avec :udc= ucico- idc. 2) Zone II - Zone d'inactivité Dans cette zone la sous-station ferroviaire ne consomme ni ne fournit du courant (idc,=0) afin de favoriser l'échange d'énergie entre trains. Quand la tension DC aux bornes de la sous-station ferroviaire arrive à un niveau Udclf la sous-station entre dans la zone III. 3) Zone III - Zone de régénération Dans cette zone la sous-station ferroviaire consomme du courant de freinage des trains. La tension est définie par l'expression udc= udci+ 4) Zone IV - Zone de limitation de courant Dans cette zone, la sous-station ferroviaire remonte sa tension afin de limiter le courant de régénération, par une forte pente négative.

L'invention consiste à modifier la forme de la courbe dans la zone III afin de réduire la tension aux bornes du train, comme illustré sur la figure 10C (flèche 30), les figures 10A et 10B illustrant deux solutions existantes.

Le procédé de l'invention consiste donc à considérer : - une discontinuité, - une pente positive (PO) à la place des pentes horizontales (F3=0) ou négatives (F3<O) proposées 15 auparavant, une pente négative de limitation de courant. Pratiquement la pente positive est comprise entre 0% et 5%, une valeur courante étant de l'ordre de 20 1%. Il faut cependant éviter que la tension résultante en mode régénération atteigne un niveau qui soit représenté dans le mode génération. La valeur de la tension en mode régénération est donc toujours supérieure à la tension à vide minimale, début du mode 25 génération. Sinon on risquerait d'avoir des courants de circulation entre sous-stations ferroviaires. En d'autres termes, il ne faut pas que, pour un niveau de tension donné, on trouve sur la courbe totale (tension=f(courant) deux points de courant, l'un en 30 mode régénération (négatif) et l'autre en mode génération (positif).

La pente négative permet de refuser de prendre du courant. Sa valeur est donc supérieure à la valeur de la pente positive. La valeur de la pente négative est par exemple supérieure en valeur absolue à 10%. On peut définir le moment de déclenchement de cette pente négative lorsque le courant de régénération atteint un seuil de limitation fixé par le système : soit pour un aspect de contrôle même, (demande d'EDF (Electricité de France) par exemple), soit pour un aspect de dimensionnement (limitation de l'onduleur de récupération par exemple). Pour un groupe unitaire onduleur de récupération, par exemple, on peut envisager une limitation à 2kA à 3kA temporairement. Cette limitation ou ce seuil de courant peut également être envisagé comme modifiable dans le temps selon la durée effective de ce courant, pour réaliser une sorte de limitation fonction de l'image thermique. Ainsi, comme la pente est positive en mode de régénération, le train peut générer la tension nécessaire pour délivrer sa puissance de freinage sur le réseau électrique, afin qu'il ne soit pas en butée de tension et obligé d'envoyer son énergie de freinage dans des rhéostats. La courbe finale illustrée sur la figure 9 introduit une pente négative 31 après un seuil déterminé idc(max) pour protéger la station ferroviaire en courant, en mode régénération. Ainsi une tension trop élevée aux bornes du train pendant le freinage ainsi que le déclenchement des rhéostats de freinage à bord du train sont donc 30 évités.

Exemple de réalisation (simulation) La courbe de statisme selon l'invention est vérifiée dans deux simulations en utilisant les logiciels Matlab/Simulink. Le modèle utilisé pour représenter la sous-station ferroviaire est illustré sur les figures 11A et 11B. La sous-station ferroviaire, illustrée sur la figure 11B, comprend deux branches en parallèle comprenant chacune successivement : une batterie Udci (Udc.), une résistance rs2 < 0 (rsi > 0), et une diode, les deux diodes étant branchées en sens inverses. Le modèle complet de simulation est illustré sur la figure 12, avec deux sous-stations si et s2. Pour les deux simulations les valeurs suivantes ont été utilisées : - udc0=1500 V ; tension minimale à vide de chaque sous-station ferroviaire, - udc1=1700 V ; tension maximale à vide de chaque sous-station ferroviaire, - r=0.02 ohm/km ; résistance/longueur de la ligne, - D=2 km ; distance entre les deux sous-stations ferroviaires, -tlmax 4000 A ; courant maximal absorbé/généré i- par le train. - k=0.2 ; emplacement du train (k*D=0.2*2 km=0.4 km de la sous-station ferroviaire sl). - rsi=0.02 ohm ; pente de la courbe de statisme dans la zone de traction. - rs2=± 0.02 ohm ; pente de la courbe de statisme dans la zone de traction.

La simulation consiste à injecter un courant itl qui représente le train. Lorsque itl est positif, ce train est consommateur d'énergie, et lorsque itl est négatif le train renvoie son énergie dans le réseau. Le courant itl sur les courbes illustrées sur les figures 14A, 14B, 16A et 16B est le même dans les deux simulations. Une première simulation utilise les solutions existantes de statisme avec pente négative en mode régénération. Les stations ferroviaires se partagent le courant mais la tension aux bornes du train monte. On suppose que le train est capable de générer cette tension. Dans cette première simulation rs2=+ 0.02 ohm et les sous-stations ferroviaires présentent les statismes de la figure 13. Après cette première simulation où le courant du train varie de -4000 A à 4000 A, on obtient les résultats illustrés sur les figures 14A et 14B. Comme prévu précédemment, quand le train est en mode régénération à -4000 A, la tension aux bornes du train monte à 1772 V. Une deuxième simulation utilise la solution de l'invention dans une seule station ferroviaire. La tension aux bornes du train n'a plus besoin de monter, et la première station ferroviaire prend toute la charge. En effet en mode régénération le courant isl suit exactement le courant itl. La seconde station ferroviaire ne prend pas la charge car son statisme ne le permet pas. Ainsi on peut décider vers quelles stations doit aller préférentiellement l'énergie de régénération. Dans cette deuxième simulation rs2=- 0.02 ohm et les deux sous-stations ferroviaires présentent respectivement les statismes des figures 15A et 15B. Comme illustré sur les figures 16A et 16B, la tension aux bornes du train est descendue à 1654 V quand le train génère -4000 V.

Ces deux simulations montrent bien la validité du procédé de l'invention.

Références [1] Y.-S Tzeng R.-N. Wu, N. Chen, « Electric network solutions of DC transit systems with inverting substations » (IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 47, n°4, November 1998), [2] C.-H.Bae, « A simulation study on installation locations and capacity of regenerative absorption inverters in DC 1500 V electric railways system » (Simulation Modelling Practice and Theory, 17, pp. 829- 838, 2009).

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'optimisation de l'efficacité énergétique d'une sous-station régénérative DC, qui peut travailler en quatre zones différentes : - une zone de traction (I), dans laquelle elle fournit une puissance pour satisfaire la demande énergétique d'au moins un train, - une zone d'inactivité (II), dans laquelle elle ne consomme ni ne fournit de courant, une zone de régénération (III), dans laquelle elle consomme le courant de freinage d'au moins un train, - une zone de limitation de courant (IV), en mode régénération par introduction d'une pente 15 négative de limitation de courant dans lequel on introduit une pente négative ou nulle sur la courbe de statisme de cette sous-station ferroviaire du niveau de la tension de sortie en fonction de la charge ainsi qu'une discontinuité à 20 l'origine, en mode régénération, caractérisé en ce qu'on utilise une pente positive à la place de la pente négative ou nulle, en mode régénération.
2. Procédé selon la revendication 1, dans 25 laquelle la pente positive est comprise entre 0% et 5%.
3. Procédé selon la revendication 2, dans laquelle la pente positive est de l'ordre de 1%.
4. Procédé selon la revendication 1, dans laquelle la pente négative de limitation de courant est supérieure, en valeur absolue, à la pente positive.
5. Procédé selon la revendication 4, dans laquelle la pente négative de limitation de courant est supérieure, en valeur absolue, à 10%