Power quality improvements in 25kV 50 Hz railway substation based on chopper controlled impedances

摘要

Ce travail est le résultat d'une collaboration entre le laboratoire LAPLACE, la "Seconda Università degli Studi di Napoli" (SUN) et la Société National des Chemins de fer Français SNCF. Le sujet de recherche concerne l'utilisation de dispositifs électroniques de puissance dans les sous stations ferroviaires 25kV/50Hz afin d’améliorer la qualité de l'énergie électrique. Dans le transport ferroviaire, le système d'électrification monophasé 25kV/50Hz est largement diffusé en particulier pour les lignes ferroviaires à grande vitesse. Bien qu'aujourd'hui les systèmes d’alimentation en courant continu soient encore largement utilisés, l'adoption du courant alternatif monophasé offre des avantages économiques pour les infrastructures d'environ 30% en termes d'investissement, d'exploitation et d'entretien. Initialement, compte tenu de la simplicité du circuit, il n'y avait aucune nécessité d'intégrer de l'électronique de puissance dans les sous stations. Toutefois, au cours de la décennie passée, l'intérêt pour ces équipements est apparu car ils peuvent apporter une solution d'optimisation du réseau lorsque le trafic augmente ou lorsqu’une nouvelle sous station est envisagée. Deux principaux types de dispositifs sont installés aujourd'hui sur le réseau ferré français : les compensateurs de puissance réactive et les compensateurs de déséquilibre de tension. Cette thèse présente de nouvelles topologies de compensateurs basées sur le concept d’impédances contrôlées par gradateur MLI. Comparées aux solutions existantes, ces topologies ont des caractéristiques particulièrement intéressantes en termes de pertes dans les semi-conducteurs et de volume des composants réactifs. Le manuscrit contient trois parties principales: La première partie présente le principe de l’électrification en 25kV/50Hz et souligne l’intérêt d’installer des moyens de compensation statique dans les sous stations. Après une description des solutions actuellement utilisées, le concept d’impédance contrôlée par gradateur MLI (CCI : Chopper Controlled Impedance ) est ensuite présenté. La deuxième partie du travail concerne l'utilisation du concept de CCI pour la compensation de puissance réactive. La sous-station SNCF de Revest est considérée comme cas d’étude. Celle-ci est équipée d'un transformateur monophasé de 60MVA dont le primaire est connecté à une ligne de transport 225kV. Deux topologies de compensateur de puissance réactive, basées sur des montages abaisseur ou élévateur de tension sont présentées. Le dimensionnement des gradateurs est effectué sur la base d'une campagne de mesures réalisée à la sous station. Des simulations numériques utilisant des formes d’ondes réelles de courant et de tension sont présentées. Des résultats expérimentaux effectués à la plateforme de test de la SNCF sur un prototype de 1,2MVAR permettent de valider le concept de CCI. La dernière partie du travail concerne le problème du déséquilibre de tension en amont de la sous station.Un circuit de Steinmetz « actif », toujours basée sur des gradateurs MLI, est présenté et étudié. La sous station SNCF d'Evron est alors considérée comme cas étude. Celle-ci comporte un transformateur de 32MVA et est connectée à une ligne de transmission 90kV. Les mesures effectuées sur le site permettent le dimensionnement du compensateur ainsi que l’utilisation des formes d'onde réelles de courant et de tension dans les simulations numériques. Une comparaison avec des solutions classiques basées sur des onduleurs 2 niveaux et 3 niveaux souligne les avantages de la solution proposée. Ainsi, les résultats des calculs et des simulations montrent que l'énergie stockée dans les éléments réactifs est réduite d’un facteur six et que les pertes dans les semi-conducteurs sont réduites de 40%. Des résultats expérimentaux obtenus sur une maquette de 1.5 kVA permettent de valider le principe du circuit de Steinmetz actif. ABSTRACT : This work is the result of collaboration between the LAPLACE laboratory, the “Seconda Università degli Studi di Napoli” (SUN) and the French national railways operator SNCF. The research topic treated herein concerns the use of power electronic devices in 25kV/50Hz railways substations to achieve power quality improvements. In railway transportation, single-phase 25kV-50Hz electrification system is widely diffused especially for high-speed railway applications. Although electrified DC systems are still widely applied, the adoption of AC single-phase system offers economical advantages for the infrastructures of about 30% in terms of investment, exploitation and maintenance.In early ages, due to its very simple diagram, there was no necessity to integrate power electronics in substations. However, for the last decade, the interest in power electronic equipments raised since they can provide the solution for network optimization when traffic increases or when a difficulty is foreseen for a substation implementation. Two types of devices are implemented today on the French Railway Network: Reactive Power compensators and Voltage Unbalance compensators.This thesis presents an investigation into new topologies based on the concept of “Chopper Controlled Impedances”(CCI). Compared to existing solutions, the new topologies show interesting features in terms of semi-conductor losses reduction and volume of reactive components. The manuscript is developed through three main parts: Firstly, the French railways system is introduced and the interest in installing power electronic compensators in substations is highlighted. After a brief description of currently used solutions, the CCI concept is presented: the use of Pulse Width Modulated AC Choppers allows achieving structures which behave as variable impedances. In the second part, the use of CCI structures in reactive power compensation is investigated. The SNCF substation of Revest is under study. It is equipped by a 60MVA single phase transformer with the primary side connected to a 225kV transmission line. Based on the step-down or step-up functioning mode of CCIs, two topologies of reactive power compensator are presented. The converter design is developed on the base of a measurement campaign carried out at the substation. Numerical simulations using real current and voltage waveforms are presented. Finally, experimental results carried out at the SNCF test platform on a 1.2MVAR prototype are shown. In the last part, the problem of voltage unbalance is treated. Using the concept of CCI, the feasibility of an active Steinmetz circuit based on AC choppers is explored. As a case study, the substation of Evron is considered. It is a 32MVA substation connected to a 90kV transmission line. Measurements carried out on the substation site allow the compensator design and the possibility to consider real waveforms for current and voltage in numerical simulations. A comparison with classical solution based on two levels VSI and three levels NPC-VSI highlights the advantages of the proposed solution. Calculation and simulation results show that the stored energy in reactive elements is reduced by a factor six whereas the semiconductor losses are 40% lower. Experimental results obtained on a scaled demonstrator (1.5 kVA) validate the principle of the active Steinmetz circuit.