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HAL Id: tel-01279238 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01279238 Submitted on 25 Feb 2016 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Contribution au dimensionnement et à la gestion par optimisation de systèmes de stockage d’énergie pour les réseaux électriques ferroviaires Olivier Bossi To cite this version: Olivier Bossi. Contribution au dimensionnement et à la gestion par optimisation de systèmes de stockage d’énergie pour les réseaux électriques ferroviaires. Energie électrique. Université Grenoble Alpes, 2016. Français. NNT : 2016GREAT001. tel-01279238 THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : Génie Électrique Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Olivier BOSSI Thèse dirigée par Nicolas RETIÈRE et codirigée par Laurent GERBAUD préparée au sein du Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab) et de l’École Doctorale Électronique, Électrotechnique, Automatique et Traitement du Signal (EEATS) Contribution au dimensionnement et à la gestion par optimisation de systèmes de stockage d’énergie pour les réseaux électriques ferroviaires Thèse soutenue publiquement le 13 janvier 2016, devant le jury composé de : M. Benoit ROBYNS Professeur, École des Hautes Études d’Ingénieur, Lille, Président M. Mario PAOLONE Professeur, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Rapporteur M. Philippe LADOUX Professeur, INP Toulouse, Rapporteur M. Nicolas RETIÈRE Professeur, Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse M. Laurent GERBAUD Professeur, Université Grenoble Alpes, Co-Directeur de thèse M. Julien POUGET Chef de Projet, SNCF Innovation & Recherche, Examinateur M. Hervé CARON Coordinateur projets de recherche Traction Electrique, SNCF Ingénierie & Projets, Invité 2 Remerciements Même si l’on est souvent seul dans ses travaux, une thèse est avant tout un travail d’équipe. C’est pour cela que je tiens à remercier les nombreuses personnes ayant apporté une contribution, de près ou de loin, à la rédaction de ce manuscrit et aux travaux qui y sont présentés. Je tiens tout d’abord à remercier Benoit Robyns, Mario Paolone et Philippe Ladoux d’avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse et de leurs avis et questions pertinentes permettant d’ouvrir de nouvelles perspectives à ces travaux, ainsi qu’à Hervé Caron d’y avoir apporté sa vision industrielle. Vient ensuite mon encadrement proche : Nicolas Retière, directeur de cette thèse, qui a su apporter son expérience et son esprit de synthèse lorsqu’il était nécessaire de choisir les bonnes orientations, Laurent Gerbaud, pour avoir donné de son temps lorsqu’il était nécessaire d’aller plus loin sur certains aspects méthodologiques et Julien Pouget, pour m’avoir permis d’eﬀectuer ces travaux dans de bonnes conditions en sachant arbitrer entre les contraintes industrielles et académiques. Je tiens à remercier toutes les équipes du G2ELab et de la direction Ingénierie&Recherche de la SNCF avec qui j’ai pu échanger sur de nombreuses choses et partager d’excellents moments, les équipes du département traction électrique de la direction de l’ingénierie de SNCF Réseau, pour avoir fourni la matière permettant de donner une perspective concrète à mes travaux, ainsi que les étudiants et enseignants de l’ENSE3 avec qui j’ai pu collaborer et échanger, que ça soit dans le cadre de projets ou de stages. Enﬁn, je tiens à remercier ma famille et mes amis pour avoir su me donner un coup de main quand le besoin se faisait sentir, ainsi que par la même occasion tous ceux que j’aurais éventuellement oubliés. 3 REMERCIEMENTS 4 Table des matières Remerciements 3 Introduction 9 1 Problématique industrielle 11 1.1 Problématiques des réseaux électriques ferroviaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.1 Croissance du traﬁc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.2 Raccordement au réseau de transport d’électricité . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.3 Dérégulation des marchés de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.4 Contraintes économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.5 Contraintes normatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.6 Synthèse des problématiques associées à l’électriﬁcation des réseaux ferroviaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2 Description des réseaux d’électriﬁcation ferroviaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1 Principe d’un réseau d’électriﬁcation ferroviaires . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 Systèmes d’électriﬁcation ferroviaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.2.1 Le système 1500V courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2.2 Le système 25kV-50Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.2.3 Variante 2×25kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.3 Solutions technologiques pour le renforcement du réseau . . . . . . . . . . 19 1.2.3.1 Construction de nouvelles sous-stations . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.3.2 Renforcements du circuit de traction . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.3.3 Solutions basées sur l’utilisation d’électronique de puissance . . 20 1.2.3.4 Ajout de systèmes de stockage d’énergie . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.4 Choix des solutions technologiques envisagées dans nos travaux . . . . . . 21 1.3 Les systèmes de stockage d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.1 Applications actuelles des systèmes de stockage d’énergie dans les réseaux électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.2 Applications actuelles des systèmes de stockage dans le ferroviaire . . . . 22 1.4 Conclusion et identiﬁcation de notre problématique scientiﬁque . . . . . . . . . . 23 2 Méthodes de conception 25 2.1 Méthodes de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.1 Méthodes de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5 TABLE DES MATIÈRES 2.1.1.1 Méthodes de calcul des circuits électriques . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1.2 Méthode du « Load Flow » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Logiciels de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.2.1 Logiciels de simulation électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.2.2 Logiciels de calcul scientiﬁque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.2.3 Logiciels de simulation ferroviaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.3 Limites d’utilisation des analyses par simulation . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2 Méthodes d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Ingenierie_Lourd/ bossi-2016-archivage.pdf