04-Session3_00-ALSTOM_GRID-HVDC-réseaux _lectriques_de_demain_C.Derrien .pdf

22/10/2012
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:2991:2997
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Résumé

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GRID La transmission de puissance en CCHT La voie à suivre pour les réseaux électrique de demain Christian Derrien Marketing Manager – HVDC/FACTS Journées Techniques SEE - Calais 24/10/2012 Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 2 Agenda Les tendances actuelles du marché Qu’est ce que le CCHT - LCC France – La rénnovation de la liaison IFA 2000 Brésil - Rio Madeira - La plus longue ligne HTCC au monde India – Champa – Le développement du programme +/- 800 kV Le CCHT connait aujourd’hui un fort développement  Transmettre de grandes quantités d’énergie lorsque les solutions en CAHT sont techniquement non adaptées ou non viables économiquement ou soumises à des restrictions environnementales  Pays émergents de grande surface tel que la Chine, l’Inde ou le Brésil ayant des centres de production très éloignés des centres de consommation.  Interconnections utilisant de long câbles sous marin : ie NorNed 580 km entre la Norvège et la Hollande.  Raccordement au réseau électrique de transmission des énergies renouvelables  Fermes éoliennes en mer  Remplacement de lignes aériennes par des câbles sous-terrain sous la pression sociale  France- Espagne, France – Italie, South-West link en Suède, etc…  Interconnexion entre réseaux électriques utilisant des fréquences différentes ou ne pouvant être synchronisés malgré l’utilisation d’une même fréquence  France-UK , Brésil-Uruguay, Chine- Russie, Belgique-UK, UK-Norvège, GCCIA in Arabie Saoudite, Japon, etc…  Apport de grande quantité d’énergie sans augmenter significativement le niveau de court circuit du réseau électrique CAHT récepteur  Amélioration des performances du réseau électrique grâce au contrôle rapide et précis de la puissance livrée par les liaison CCHT.  Nelson River Canada  Développement du « Supergrid » ou « Autoroute de l’énergie »  Le CCHT pour redistribuer les énergies renouvelables Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2pe012 3 Les bénéfices du CCHT face au CAHT A.C.1850 MW per Circuit. 400k.V. 12 x 282 mm2 D.C. 1850MW Per Circuit. ± 250k.V. 4 x 644 mm2 Station Cost DC Converter Stations AC Stations DC AC Break Even Distance Transmission Distance  Une plus grande densité de puissance pour un couloir de passage déterminé  Meilleure efficacité énergétique  Distance d’inflexion économique entre les solutions CCHT et CAHT  Câbles sous-marin ou sous-terrain >70 km  Lignes aériennes > 800 km  Améliore le contrôle en temps réel des flux d’énergie électrique  L’énergie là ou vous la souhaitez  Améliore la stabilité et la disponibilité du réseau  Améliore la stabilité dynamique du réseau  Seule solution possible pour interconnecter des réseaux CA asynchrones ou de fréquence différentes (eg: 50 and 60Hz) Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 4 CCHT – La voie à suivre pour les réseaux électriques de demain Les projets CCUHT (+/- 600 & 800 kV) jusqu’à 2020 Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 5  Les énergies renouvelables ne sont pas géographiquement également réparties  L’énergie Solaire est massivement disponible en Europe du Sud et en Afrique du Nord  L’énergie Eolienne est surtout concentrée au Nord Ouest de l’Europe  L’énergie Hydraulique est principalement générée en Europe dans les zones montagneuses (elle peut être utilisée pour le stockage temporaire)  Le CCHT est la technologie la plus efficace pour transporter cette énergie sur de telles distances  Le CCHT offre également le bénéfice de la contrôlabilité des flux d’énergie, de la fonction « firewall », etc… SuperGrid – Le CCHT pour redistribuer les énergies renouvellables Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 6 CCHT – La voie à suivre pour les réseaux électriques de demain Le CCHT – une technologie industrielle depuis les années 50s 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 200 400 600 800 1000 DC Voltage Cahora-Bassa Mozambic +/- 533 kV 1920 MW Nelson River Canada +/- 450 kV 1620 MW Vogograd- Dombass URSS +/- 400 kV 720 MW Gotland Sweden +/- 100 kV 20 MW Xiangjiabaja Shanghai China +/- 800 kV 6400 MW Itaipu Brazil +/- 600 kV 3150 MW China +/- 1100 kV 10500 MW 2014? 500kV becomes de facto standard for single 12-pulse bridge per pole Mercury Arc Valves Thyristor Valves Eagle Pass USA +/-16 kV 36 MW Cross sound USA +/-150 kV 330 MW TransBay USA +/-200 kV 400 MW Dolwin 1 Germany +/-320 kV 800 MW IGBT PWM MML/CML 1st offshore platform HVDC VSC HVDC LCC Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 7 HVDC VSC versus HVDC LCC  CCHT - LCC  Source de courant  Line-Commutated  Changement du sens de transfert de l’énergie par inversion des polarités  Economique pour de grande puissance  Pertes réduites  Idéal pour le transfert de grande quantité d’énergie sur de grandes distances  CCHT - VSC  Source de tension  Self-Commutated  Changement du sens de transfert de l’énergie par inversion du sens du courant  Application multi terminal possible” (5 to ∞ connexions)  Idéal pour alimenter les réseaux faibles (eg: îles, fermes éoliennes en mer, plateformes, etc…) + V - V Idc → + V - V Thyristors  8,5 kV  4500 A IGBT  3,5 kV  1500 A Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 8 CCHT – les évolutions technologiques 1950s-1970s: Valves à vapeur de Mercure 1970s: Valves isolées dans l’huile- Thyristors refroidis par huile 1970s-1980s: Valve isolée dans l’air, Thyristors refroidis par air Since 1980s: Valves isolée dans l’air, Thyristors refroidis par eau Since 2005 : Valves isolées dans l’air, IGBT refroidis par eau CCHT LCC (Line Commuted Converter) CCHT VSC ( Voltage Source Converter) Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 9 Principe d’une liaison CC DC link Transformateur F F Filtres Harmoniques (Puissance Reactive) RécepteurEmetteur Idc Vdc t Idci t i Iac t i Iac OnduleurRedresseur + + _ _ R R Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 10 Basic HVDC – LCC Converter VAC igVTHY iL L ig t VTHY VAC t t t iL Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 11 Principe de redressement pour les convertisseurs LCC 3 6 CiLs 4 E1 Ls Ls Bi iA 1 2 I V'd 5 Vd Id dL d Convertisseur exaphasé à diodes (Pont de Graetz) Formes idéales du courant redressé par diodes Formes réelles du courant redressé par Thyristors Effet de commutation Effet de l’angle d’amorçage Génère des hamoniques de rang 6n +/-1 Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 12 Principe de redressement pour les convertisseurs LCC Les ponts dodécaphasés 12 pulse converter D Génère des harmoniques de rang 12n +/-1 Nécessité d’installer des filtres harmoniques au point de raccordement du réseau CA = 2 convertisseurs hexaphasés décalés de 30° Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 13 6 pulse bridge 12 pulse bridge  Thyristors raccordés en série  Besoin de composants additionnels pour gérer la commutation et garantir la répartition de tension  La commutation des thyristors n’est pas parfaitement cohérente  Le thyristor ne peut pas interrompre un flux de courant  Il existe des pertes : typiquement 0,5%  Nécessité d’un refroidissement forcé  Le thyristor est un composant à protéger  Nécessite un système de protection élaborée  Contre les surtensions  Contre les surintensité set les surchauffes  Contre les di/dt trop rapide Souvent la meilleure protection consiste à rendre le thyristor passant à la détection du défaut  Peut être relativement encombrant selon le niveau de tension  Vulnérable au feu Les limitations d’un convertisseur LCC réel Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 14 di/dt reactor Damping capacitors Damping & Grading Resistors Thyristor clamped assembly Gate electronic units Principe de redressement des convertisseurs LCC Exemple : la valve H400 de Alstom Grid Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 15 500kV CC (Valve pour projet de transmission typique) 250kVCC (Valve pour “ Back-to- Back” de puissance typique) 70kV CC (Valve pour “Back to Back”de petite puissance) Une technologie suspendue - économique & résistante au séisme Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 16 Principe de redressement des convertisseurs LCC Example : la valve H400 de Alstom Grid DC Neutral DC Midpoint 400kV HVDC AC (Δ) AC (Y) Approx 26m, 70T 800kV 400kV Earth plane 5m 8.5m 400kV 800kV 26m Earth plane 4m 1m 17.5m Arrangements possibles pour valve 800 kV Specification Chinoise Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 17 Principe de redressement des convertisseurs LCC Exemple : la valve H400 de Alstom Grid Specification Indienne Les convertisseurs CCHT LCC évoluent rapidement  Un convertisseur 4500A “Back to Back” a déjà été construit  Une liaison 6.4GW @ 800kV (4000A) est en service en Chine  Une liaison 7.6GW @ 800kV (4750A) est en service en Chine  Une liaison 10.5GW @ 1100kV (4750A) est planifiée en Chine pour 2014/15  La plus longue ligne CCHT (2375km) est actuellement en cours de construction au Brésil @ /- 600kV Valve double 660 kV pour le projet Ningdong-Shandong en Chine 800kV HVDC valve being tested at 2.6MV switching impulse >9m arc 12m tall Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 18 Principe de redressement des convertisseurs LCC Les performances actuelles Les types de schémas en CCHT AC AC DC 1 station AC DC Station 2 AC Station 1 AC DC Station 2 AC Station 1 Submarine Cables  Back-to-back − Changement de Fréquence − Raccordement de réseau asynchrone  Liaison Point à point par Ligne Aérienne − Transport d’énergie sur de longue distance − Terrestre  Liaison Point à point par Câbles sous marin ou sous terrain − Transport d’énergie sur de longue distance − Sous marin et/ou Sous terrain Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 19 Les différents type de schéma des liaisons CCHT Schéma unifilaire typique d’un Bipole CCHT Pole 1 Pole 2 AC Yard DC Yard DC Switchgear Valves DC FiltersConverter Transformers AC Harmonic Filters AC Switchgear DC Smoothing Reactor Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 22 Son rôle  Fournir l’isolement galvanique entre le côté alternatif et le côté continu  Fournir une tension adaptée au valves à thyristors  Limiter les effets de la variation de la tension du réseau CA et de la charge (régleur en charge)  Fournir l’impédance pour limiter les courant de défaut  Fournir le décalage de phase (30)0 nécessaire à l’exploitation d’un pont dodécaphasé (enroulement secondaire étoile et triangle Les transformateurs de Conversion pour convertisseur LCC Valve Hall Impacte le dimensionnement de la salle des valves  Le choix du transformateur est généralement déterminé par les contraintes de transport Contraintes Etude et fabrication spéciales  Isolation particulière pour tenir compte de la composante CC présente dans les enroulements côté valve  Equipement critique pour l’optimisation des pertes du poste de conversion (avec les valves et les filtres) Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 23 Dimensionnés selon la puissance de la liaison  tension CA et CC , impedance, couplage  Poids et dimensions doivent être compatibles avec les contraintes de transport locales Installation extérieur Traversée murale côté bâtiment valve Exigences particulières pour le régleur en charge  Plage de variation étendue (>30%)  Tension de choc élevée  di/dt élevé  Nombre de manœuvre élevé Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 24 Les transformateurs de Conversion pour convertisseur LCC Les filtres anti-harmoniques Converters absorb reactive power Increasing power transfer increases absortion of reactive power in converters Leurs rôle Permettre de limiter les distorsions harmoniques renvoyées sur le réseau AC Pour éviter la surchauffe des alternateurs  pour éviter de pertiurber les équipement sensibles aux formes d’onde Pour limiter les interférence téléphonique Fournir une puissance réactive controllable  Chaque convertisseur consomme environ 50% de sa puissance nominale en puissance réactive Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 25 370 380 380m 380m Pole 2 Pole 1 Valve HallsControl Building Converter Transformers AC Harmonic Filters AC Switchyard DC Yard Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 26 Plan d’implantation typique d’un Bipole CCHT IFA 2000 – RTE and National Grid Remplacement des Valves et du système de Contrôle Sellindge s/s Les Mandarins s/s  Schéma Bipole  2 x 1000 MW @ +/- 270 kV  Valve à thyristors refroidis par air mis en service en 1985 Interconnexion France - Angleterre Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 27 Filters Bipole 1 Control Building 400kV Busbars DC Area Les Mandarins s/s Bipole 1 Bipole 2 Pole 1 Pole 2 1ph-3windings Converter Transformers Smoothing Reactor Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 28 IFA 2000 – RTE and National Grid Remplacement des Valves et du système de Contrôle 1ph/2 enroulements 400/118 kV 216 MVA Réactance de lissage Valve hall air cooling system with Water Exchanger IFA 2000 – RTE and National Grid Replacement of existing Valve and Control system Valve à Thyristors refroidis par eau type H400 Id = 1825 A Système de refroidissement des (échangeur) Armoires de C&P Series V Etendue des travaux  Remplacement des valves à thyristors refroidis par air par des valves à thyristors refroidis par eau type H400  Remplacement du système existant de refroidissement de la valve par un nouveau système de refroidissement par eau  Remplacement du système « analogique » de C&P du convertisseur par un nouveau système « numérique » de C&P type Series V  Durée de coupure limité à 7 semaines par Bipole Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 29 La difficulté était de démonter les équipements existants tout en installant simultanément les nouveaux dans une zone de travaux de surface réduite en conservant le second convertisseur en service, le tout dans un délai très réduit Travaux préparatoires (les 2 bipoles restent en service)  Renforcement de la dalle du bâtiment  Construction de la nouvelle salle de cde  Construction d’une nouvelle salle batteries  Installation de la nouvelle unité de refroidissement à eau  Installation du nouveau système AC de la salle de cde  Montage et raccordement des nouvelles armoires de C&P  Essais Fonctionnels des armoires C&P Travaux sous coupures (1 Bipole reste en service)  Démontage des :  Ventilateurs du bâtiment  Echangeurs de chaleurs  Valves à thyristors  Bus bar et parafoudres  Renforcement des murs porteurs du bâtiment valve  Installation de  Nouvelle ventilation du bâtiment  Nouvelles valves à thyristors  Nouveau Bus bar and Parafoudres  Essais de mise en service 11 semaines 4 semaines de travaux + 2 semaines d’essais50 entreprises /200 personnes Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 30 IFA 2000 – RTE and National Grid Remplacement des Valves et du système de Contrôle Carottage et battage des pieux Nouvelle salle de C&P Nouvelle installation de refroidissement Travaux préparatoires Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 31 IFA 2000 – RTE and National Grid Remplacement des Valves et du système de Contrôle Travaux sous coupure Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 32 IFA 2000 – RTE and National Grid Remplacement des Valves et du système de Contrôle Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde Contexte  Localisation  Brésil  Client final  ANEEL – Agencia Nacional de Energia ELectrica  Objectif  Interconnecter les centrales hydrau de Rio Madera (San Antonio and Jirau) au réseau électrique de la région SE(Sao Paolo & Rio de Janeiro)  Intérêt  Fournir de l’énergie aux grands industriels de la zone SE  Procédure  Concession attribuée par un système d’enchères inversées  Solutions technologiques  2 options technologiques ont été évaluées pendant le processus  Option tout CCHT  Option Hybrid CAUHT + CCHT Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 33 Option CCHT  Etude et construction (clé en main) de  2 x Liaison CCHT 3150 MW  Convertisseur de type Bipole  OHL  Raccordement aux réseaux AC existant s à chaque extrémité  2 x Convertisseurs BtB 400 MW  converters stations  AC s/s to connect to existing AC networks Option hybride  Etude et construction (clé en main) de  1 x Liaison CCHT 3150 MW  Convertisseur de type Bipole  OHL  Raccordement aux réseaux AC existant s à chaque extrémité  1 x Liaison CAUHT 3150 MW  2 x OHL  Besoin d’installation de compensation  AC s/s to connect to existing AC networks Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 34 Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde Araraquara Porto Velho Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 35 Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde ABB Alstom Grid Configuration Example Normal Each converter pole on its own line pole Monopolar with Ground Return P3 or P4 out of service Monopolar with metallic return P4 out of service and Neutral of P3 on line L4 Monopolar with Ground return and // lines P3 on line L3//L1 Monopolar with metallic return and // lines P3 on line L3//L1 with return on L4//L2 Bipolar operation with Lines in // P3 on L3//L1 Crossed Line operation P3 on Line L1 Parallel Monopolar operation P3//P1 on line L1 with line L3 out of service Parallel Bipolar operation on same line P3//P1 on line L1 and P4//P2 on line L2 Nominal rating:  DC Votage +/- 600 kV  Converter DC Current 2 625 A  HVDC OHL DC Current 5 250 A  DC power 3150 MW  Reverse DC power 2947 MW Bipole Overload at Max T°  33% for 30 mn  50% for 5 s Operating Configurations Operating mode in Bipolar or Monopolar operation:  Nominal Voltage operation  Reduced Voltage (70%) operation  High MVAr operation  Parallel DC Lines operation  Parallel Converters operation  Reverse power operation Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 36 Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde Principaux challenges  Très longue ligne  Fonctionnement en parallèle de 2 bipoles fournis par 2 constructeurs différents  Partager le même jeu de barres CA nécessite d’harmoniser les filtres harmoniques et bancs de compensation d’énergie réactive  Le nombre élevé de mode de fonctionnement possibles  Production d’énergie par des centrales hydrauliques au fil de l’eau  Utilisation de turbines Bulbe de faible puissance (44 à Jirau + 44 à San Antonio) et de faible inertie  Sujet à de grandes variations saisonnières du débit et donc à de grandes variations de la production d’énergie (de 88 à 12 turbines)  Electrodes de terre  Les études de résistivité des sols ont montrées la nécessité de les installer à 150 km du convertisseur et 30 km de celui de Araraquera  Nécessité d’utiliser des électrodes de 80 m de hauteur réparties sur un anneau de 1000m Les réponses  Etroite collaboration technique entre les 2 fabricants notamment pendant la phase de “basic design”  Etude approfondie des performances dynamiques EMTDC/PSCAD  Simulation temps réelle (RTDS) avec les armoires C&P des 2 constructeurs  Un « Master control system » gère  La coordination des 2 Bipoles  La coordination de la puissance active y compris une fonction “runback” en cas de perte de production ou de charge  La coordination de la puissance réactive  La coordination des filtres harmoniques  Le contrôle de la tension CA Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 37 Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde Principaux équipements  Valves à thyristors type H400 suspendues  83 thyristors par valve y compris 3 redondants pour garantir la disponibilité  Thyristor 5” 8,5 kV 4000 A  24 (+ 4 réserves ) transformateurs de conversion monophasés- 2 enroulements 500/258 kV 320 MVA  Filtres harmoniques et bancs de compensation d’énergie réactive  5 x 204 MVAr à Porto Velho (2/3/5/11/13/25/27th Harmonics)  6 x 305 MVAr à Araraquera (6/11/13/23/37th Harmonics)  Filtres harmoniques CC  Filtres accordés 2/12/14th à Porto Velho  Filtres accordés 12/34/36th à Araraquera Isometric view of Porto Velho Converter building Pole 3 5.5m Stress shield Stress shield Valve 7 Modules (78/83 levels) DC Connection 600kV DC Connection Tier Module 8.4m AC Connection 60Hz Stress shieldStress shield Support beam 4m RIO MADEIRA (336 Modules, 3864 thyristor levels Total) Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 38 Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde Transformateur de conversion 500/258 kV – 320 MVA - 300 t Pylone CCHT +/- 600 kv Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 39 Rio Madeira – La plus longue ligne CCHT au monde Inde – Développement d’un programme CCHT +/- 800 kV  Programme pour transporter l’énergie produite dans les régions de ressources naturelles vers les centres industriels  2011 NER – Agra +/-800kV 6000MW 1730 km Multiterminal Bipole scheme by ABB/BHEL Mise en service: 2014 & 2015  2012 Champa - Kurukshetra +/-800kV 3000MW 1300 km Bipole scheme (+ provision for 3000 MW additional ) by Alstom Grid Mise en service: 2015 Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 40 Biwanath Chariali Alipurduar Agra ABB/BHEL Alstom Grid Centrales Thermiques Charbon Centrales Hydrauliques Inde – NER - Agra +/- 800 kV 6000 MW - Multiterminal Bipole - 1300 km  Les convertisseurs de la région NER permettent de collecter la puissance produite par différentes centrales hydrauliques  Interconnexion CCHT +/- 800 kV pour réduire les pertes à 6%  Chaque pôle à une puissance nominale de 1500 MW avec une possibilité de surcharge permanente de 33% =>2000 MW  Le “Master control “ incluant l’équilibre des ordres de puissance des différents convertisseurs sera localisé à Agra Source : ABB India - Champa +/- 800 kV 3000 MW Bipole 1300 km  Partie d’un grand programme de production d’énergie de type IPP. Le CCHT est également utilisé pour facilité le contrôle des flux de puissance  +/-800kV 3000MW 1300 km Bipole  Conducteur de retour métallique  Champa pooling station and Kurukshetra  Disposition pour augmenter plus tard la puissance de la liaison à 6000MW (bipole 3000MW additionnel qui utilisera les conducteurs actuels ). Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 42 Schéma unifilaire du convertisseur de Champa Transformateur de conversion Class 400 kV Transformateur de conversion Class 800 kV Single tier arrangement Thyristor valves Journées SEE – Calais 23 & 24 Oct 2012 43 CHAMPA - RIO MADEIRA Comparaison des valves à thyristors Stress shield Stress shield Valve 10 modules (112 levels) Connection 800kV DC Connection Tier Module AC Connection 50Hz Stress shield Stress shield Support beam 11.1m 5.3m CHAMPA (480 Modules, 5376 thyristor levels Total) 5.5m Stress shield Stress shield Valve 7 Modules (78/83 levels) DC Connection 600kV DC Connection Tier Module 8.4m AC Connection 60Hz Stress shield Stress shield Support beam 4m RIO MADEIRA (336 Modules, 3864 thyristor levels Total) DC 5,5m 8,5 m 26 m Journées SEE - 23 & 24 Oct 2012 44 Rio Madeira 1ph/2 w Converter Transformer 600 kV DC class Champa 1ph/2 w Converter Transformer 800 kV DC class Journées SEE - 23 & 24 Oct 2012 45 CHAMPA - RIO MADEIRA Comparaison des Transformateurs de conversion GRID www.alstom.com