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05-Session4_00-SNCF-SEE_24_10_2012.pdf

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        <identifier identifierType="DOI">10.23723/2991/3106</identifier><creators><creator><creatorName>Hervé Caron</creatorName></creator><creator><creatorName>Philippe Ladoux</creatorName></creator></creators><titles>
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	    <date dateType="Created">Sat 17 Nov 2012</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 15 May 2018</date>
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1Journées SEE HVDC 2012 Le Réseau Ferroviaire 1500V DC État de l’art et Perspectives SNCF (IGTE ZU 11) : Hervé Caron LAPLACE :Philippe Ladoux 2Journées SEE HVDC 2012 • Etat de l’art du réseau 1500 V DC - La structure actuelle du réseau - La problématique de la coupure • Nouvelle structure d’alimentation du réseau 1500 V DC - Augmentation de la puissance disponible - Le système 2 x 1500 V et ses différentes topologies - Le dimensionnement des convertisseurs DC/DC - Résultats de simulation - Le choix du convertisseur DC/DC - Essais sur plateforme - Conclusion Plan 3Journées SEE HVDC 2012 La structure (1/4) réseau transport THT Sous stations caténaire Réseau distribution HT 4Journées SEE HVDC 2012 La structure (2/4) disjoncteurs HT transformateur abaisseur redresseur barre 1500 V départs caténaires sectionneurs disjoncteurs 5Journées SEE HVDC 2012 La structure (3/4) Herse de distribution Groupe transfo -redresseur Portique d ’arrivée HT 6Journées SEE HVDC 2012 La structure (4/4) Distribution du courant de traction : S/ST 1 S/ST 2 Poste de Sectionnement et mise en parallèle 7Journées SEE HVDC 2012 La problématique de la coupure Garantir la coupure pour un courant de 50kA (2 GT en parallèle). Garantir la coupure à vide Disjoncteur électromécanique 8Journées SEE HVDC 2012 La problématique de la coupure Avantages / Inconvénients -Faibles pertes au passage du courant -Déclenchement direct -Pouvoir de coupure élevé -Forte capacité d’absorption d’énergie -Séparation galvanique -Prix de revient réduit - Temps de réaction élevé - Apparition d’un arc électrique - Usure des contacts - Apparition d’une surtension - Nuisances sonores - Maintenance fréquente 9Journées SEE HVDC 2012 Exemple Id tm Surtension, début de la phase de décroissance du courant La coupure 10Journées SEE HVDC 2012 Augmentation de la puissance disponible 7 6 5 4 3 2 1 0 P Vloc (MW) (kV) 1.2 kV 5.4 MW 7 6 5 4 3 2 1 0 P Vloc (MW) (kV) 1.2 kV 5.4 MW (a) Solution PMP rails rails RTE RTE 15 km PMP caténaire caténaire rails rails RTE RTE 15 km PMP caténaire caténaire Puissance disponible au Pk 7,5 Section caténaire : 432 mm² Section feeder : 256 mm² Poids du rail : 60 kg/m Tension à vide : 1 750 V 11Journées SEE HVDC 2012 10 8 6 4 2 0 P Vloc (MW) (kV) 1.2 kV 7.2 MW 10 8 6 4 2 0 P Vloc (MW) (kV) 1.2 kV 7.2 MW (b) Solution PMP + Feeder Feeder 1 rails rails RTE RTE 15 km PMP Feeder 2 caténaire caténaire Feeder 1 rails rails RTE RTE 15 km PMP Feeder 2 caténaire caténaire Puissance disponible au Pk 7,5 Section caténaire : 432 mm² Section feeder : 256 mm² Poids du rail : 60 kg/m Tension à vide : 1 750 V Augmentation de la puissance disponible 12Journées SEE HVDC 2012 Système 2 x 1 500 V • Objectifs – Garantir un niveau de tension minimal sur tout le tronçon (à cuivre équivalent ) – Augmentation du rendement et de la puissance disponible à la caténaire – Économie des frais de raccordement RTE ou EDF • Synoptique du transfert d’énergie Groupe Redresseur Feeder Groupe Redresseur Traction Circuit de traction ConvertisseurRESEAU HT Sous Station Feeder 13Journées SEE HVDC 2012 Les topologies du 2 x 1 500 V Topologies à Feeder Positif Groupes redresseurs 3500 V référencés au rail Groupes redresseurs 1750 V référencés à la caténaire Caténaire Rail Feeder (+) C R Vconv I2 I1 ISS1 ISS2 IF2IF1 Vloc IT xxtt D/2 D/2 F+ ISS2 Caténaire ISS1 Rail Feeder (+) Vconv I2 I1 IF2IF1 Vloc IT xxtt D/2 D/2 F+ C R 14Journées SEE HVDC 2012 Les topologies du 2 x 1 500 V Topologie à Feeder négatif Groupes redresseurs 1750 V Pôle positif référencé au rail Caténaire Rail Feeder (-) C F- Vconv I2 I1 ISS1 ISS2 IF2IF1 Vloc IT xxtt D/2 D/2 R 15Journées SEE HVDC 2012 Les topologies du 2 x 1 500 V Topologie à Feeder positif et négatif Groupes redresseurs 3500 V indépendants du circuit de traction Vconv Caténaire Rail Feeder (-) IF2 IF1 Vloc IT xt D/2 D/2 F- I2 I1 R C D Feeder (+) F+ 16Journées SEE HVDC 2012 • Régime statique – Mise en équation (lois de Kirchhoff ) • Pire des cas  croisement des trains – Circuit Équivalent à un train de 8 000 A – Convertisseurs représentés par un modèle moyen – Calculs avec Excel – Simulation circuit avec PSIM Modélisation du 2 x 1 500 V Double voie avec circulations symétriques Sous station 1 Sous station 2 Sous station 1 Sous station 2 Circuit de traction équivalent pour l’étude des croisements de train 17Journées SEE HVDC 2012 Modélisation des Convertisseurs Continu-Continu PCONV = V1. I1 = V2.I2 Modélisation du 2 x 1 500 V F+ R C I1 = m . I2 m I2V1 V2 = m . V1 F- R C m I2V1 I1 = m . I2 V2 = m . V1 Vconv Vconv Feeder positif Feeder négatif F+ R C I2 V1 F- m I1 = m . I2 V2 = m . V1 Vconv Feeder positif et négatif (Quadripôle) 18Journées SEE HVDC 2012 • Tension minimale au pantographe lors du croisement des trains : 1150 V • ddp maximale dans le circuit : 3500 V • Même section de feeder (2 x 256 mm2) Dimensionnement des convertisseurs continu-continu FeedNEG FeedPOSR FeedPOSC FeedPOSNEG (Quad) VFR0 - 1 750 V 3 500 V 3 500 V - VFC0 - 3500 V 1750 V 1750 V Vff = 3500 V I2MAX 5 900 A 3 900 A 4 200 A 3 450 A VCRréf 1 550 V 1 535 V 1 550 V 1 540 V I2 VCONV VCRréf I2MAX Convertisseur limité en courant I2 = I2MAX Convertisseur régulé en tension VCONV = VCRréf Convertisseur Inactif 19Journées SEE HVDC 2012 Résultats de simulation • Tension disponible au pantographe Lieu de croisement des trains IT = 2 x 4000 A 20Journées SEE HVDC 2012 Résultats de simulation • Rendement du circuit de traction Lieu de croisement des trainsIT = 2 x 4000 A 21Journées SEE HVDC 2012 • Puissance des groupes redresseurs feeder Résultats de simulation 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 FeedNEG FeedPOS_R FeedPOS_C PfeedMax(MW) 2 MW 2.9 MW 3.4 MW 4,5 5,5 5 FeedPOSNEG 5,3 MW (1750 V) (1750 V)(3500 V) (3500 V) 22Journées SEE HVDC 2012 Feeder Négatif Gain : 1.9 par rapport au système initial 1.4 par rapport au système renforcé If = 0 A If = 900 A If = 1800 A Vcr(kV) 1.2 kV If = 0 A If = 1400 A If = 2800 A 1.2 kV Vcr(kV) Feeder Positif Résultats de simulation Puissance disponible au Pk 7,5 P (W) 23Journées SEE HVDC 2012 Feeder Négatif Feeder Positif Résultats de simulation Répartition des courants dans le système de 2 x 1500 V Caténaire Rail Feeder (+) C R I2 I1 IF2IF1 IT F+ Irail1 I3 Icat1VFR Irail3Irail2 Icat2Icat3Caténaire Caténaire Rail Feeder (+) C R I2 I1 IF2IF1 IT F+ Irail1 I3 Icat1VFR Irail3Irail2 Icat2Icat3Caténaire I2 Irail1 Irail3Irail2 Caténaire Rail Feeder (-) C F- I1 Icat1 Icat2 IT R VCF Icat3 Rail IF1 IF2I3 I2 Irail1 Irail3Irail2 Caténaire Rail Feeder (-) C F- I1 Icat1 Icat2 IT R VCF Icat3 Rail IF1 IF2I3 24Journées SEE HVDC 2012 Le convertisseur continu-continu Topologies 4 Fils (Feeder Pos et Neg) 3 Fils (Feeder Pos) 3000 V 1500 V 3000 V 1500 V F+ F- C R F+ C RR 3 Fils (Feeder Neg) 3000 V 1500 V F- C R F- Iin Iin Iin Iout Iout Iout 25Journées SEE HVDC 2012 Le convertisseur continu-continu Topologie Multicellulaire L1 Lp Cf2 C1n Cpn Cf1 I1 Ip IT11 T1n Tp1 Tpn E VC1n VCpn L1 Lp Cf2 C1n Cpn Cf1 I1 Ip IT11 T1n Tp1 Tpn E VC1n VCpn Modules IGBT 6,5 kV / 600 A 3,3 kV / 1200 A 1,7 kV / 2400 A max ifn E L 2 4 maxVCpfn I Ckj max , VCLfpnLCMn E C 22 32 p blocs en parallèle n cellules imbriquées Commandes des cellules entrelacées Eléments de filtrage 26Journées SEE HVDC 2012 Le convertisseur continu-continu Choix de n et p : Contraintes / Circuits de voie (signalisation) Refroidissement air forcé 27Journées SEE HVDC 2012 Le convertisseur continu-continu Choix de n et p : 1 700V / 2 400A 3 300 V / 1 200A 6 500 V / 600A n 4 2 1 p 3 6 15 fsw 1 500 Hz 900 Hz 600 Hz f0 18 000 Hz 5 400 Hz 9 000 Hz fin 4 500 Hz 5 400 Hz 9 000 Hz PTOT 47 kW 51 kW 51 kW Energie : ECf 477 J / 6680 J 3 012 J / ΣECf 20 kJ 18 kJ / Ls 0,15 mH 1 mH 5 mH Energie : ELs 160 J 270 J 390 J ΣELs 480 J 1 620 J 5 850 J Cs 160 F 460 F 100 F ECs 210 J 630 J 128 J 2 raies / bande interdite 1 raie / bande interdite0 raie 28Journées SEE HVDC 2012 Le convertisseur continu-continu Bloc élémentaire 1 MW Caloduc Filtre d’équilibrage Condensateur Flottant Condensateur d’entrée 29Journées SEE HVDC 2012 80 cm 130 cm 150 cm Le convertisseur continu-continu Bloc élémentaire 1 MW 30Journées SEE HVDC 2012 Le convertisseur continu-continu Bloc élémentaire 1 MW BLOC EN COURS D’ASSEMBLAGE Cellule de commutation à IGBT ABB 1500G330300 Montée sur CALODUC FERRAZ 31Journées SEE HVDC 2012 Essais à Vitry/Seine Circuit d’essai Dispositif représentatif de 4,5 km de voie unique avec feeder. Charge : 1500V / 1,5 MW Tension Feeder : + 3500V 32Journées SEE HVDC 2012 Essais à Vitry/Seine Bloc élémentaire 1 MW 33Journées SEE HVDC 2012 Essais à Vitry/Seine Vue d’ensemble du circuit d’essai 34Journées SEE HVDC 2012 Essais à Vitry/Seine Résultats Expérimentaux Action progressive du convertisseur Situation Initiale 2 fois 1500 V Rendement du circuit de traction 83 % 88 % 35Journées SEE HVDC 2012 Essais à Vitry/Seine Résultats Expérimentaux Compatibilité avec les circuits de voie 0,001 0,01 0,1 1 10 100 0 500 1000 1500 2000 2500 3000Fréquence en Hz CourantrailenA Analyse spectrale du courant dans le rail sur la bande 0 à 3000 Hz Raie à 2.fdec Redresseur (300 Hz) 36Journées SEE HVDC 2012 Conclusion ETUDES COMPLEMENTAIRES : - ETUDE DE LA COMPATIBILITE DU 2x 1500 V / INFRASTRUCTURE - IMPACT DU 2 x 1500 V / ECONOMIES D’ENERGIE - CHOIX DE LA TENSION FEEDER (10 KV ?) - COUPURE EN MOYENNE TENSION DC ESSAIS EN LIGNE : - MESURES DE PUISSANCE & RENDEMENT - MESURES CEM - MESURES THERMIQUES - COMPARATIF FEEDER POSITIF ET NEGATIF