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Mod´ elisation d’un r´ eseau ´ electrique de tramway : du composant au syst` em

Mod´ elisation d’un r´ eseau ´ electrique de tramway : du composant au syst` eme Eric Morin To cite this version: Eric Morin. Mod´ elisation d’un r´ eseau ´ electrique de tramway : du composant au syst` eme. Electric power. Universit´ e Joseph-Fourier - Grenoble I, 2005. French. <tel-00011960> HAL Id: tel-00011960 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011960 Submitted on 16 Mar 2006 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 destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. Université Joseph Fourier N° attribué par la bibliothèque /__/__/__/__/__/__/__/__ /__/__/ THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UJF Spécialité : « Génie Electrique » Préparée au Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble UMR 5529 Dans le cadre de l’école doctorale « Electronique, Electrotechnique, Automatique, Télécommunication, Signal » Présentée et soutenue publiquement par Eric MORIN Le 25/01/2005 Titre : Modélisation d’un réseau électrique de tramway : du composant au système Directeurs de thèse : James ROUDET Nicolas RETIERE JURY M. SEDDIK BACHA , Président M. JEAN PAUL HAUTIER , Rapporteur M. XAVIER ROBOAM , Rapporteur M. JAMES ROUDET , Directeur de thèse M. NICOLAS RETIERE , Directeur de thèse M. DANIEL CORNIC , Invité 3 La communication consiste à comprendre celui qui écoute. Jean Abraham 4 Remerciements 5 Remerciements Remerciements 6 Remerciements 7 Remerciements Cette thèse s’est déroulée au Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble (LEG), d’octobre 2001 à janvier 2005, en convention CIFRE avec la société ALSTOM TRANSPORT®. Mes remerciements s’adressent tout d’abord à Jean-Paul Hautier et Xavier Roboam. Je leur exprime ma gratitude pour avoir accepté de faire partie du jury, et pour l’intérêt qu’ils ont porté à mes travaux de recherche. Au-delà de la simple présidence du jury, je tiens à remercier Seddik Bacha pour sa bonne humeur et pour ses conseils toujours très avisés sur cette thématique scientifique. Je remercie également mes deux directeurs de thèse, Nicolas Retière et James Roudet, sans qui ce travail n’aurait pu être réalisé. Je remercie tout d’abord Nicolas Retière pour sa pertinence dans sa réflexion scientifique et sa rigueur dans la relecture du mémoire de thèse. Son encadrement a été remarquable. Je remercie enfin James Roudet pour son expérience et sa personnalité qui font de lui une personne d’exception. Au sein de la société ALSTOM TRANSPORT, je remercie tout d’abord Laurence Miguet pour son implication dans le projet de partenariat avec le LEG. Je remercie ensuite chaleureusement Daniel Cornic. Son dynamisme et sa bonne humeur, mariés à ses compétences techniques ont été les vecteurs de la qualité de son encadrement. Le courant passe ! J’adresse également ma plus profonde reconnaissance à Pierre-Marie Lepeu, pour l’homme qu’il est. Je le remercie pour son suivi, son écoute, son aide, et ses conseils éclairés. Je remercie amicalement Marius Iordache, pour m’avoir encadré sur la thématique des harmoniques, sans oublier Alain Manet et Pierre Authié pour leur bonne humeur et leurs conseils dans le monde des simulations. Après trois années passées au LEG, je ne peux que remercier toutes les personnes que j’ai côtoyées. L’énumération serait trop longue, et les oublis seraient regrettables, alors je globalise mes remerciements en saluant les hommes et les femmes qui font la vie du labo. Je remercie mes amis, les grenoblois pure souche ou ceux d’adoption, sans oublier les éternels tarins. Plus que des amis, je fais une mention spéciale à tous mes compagnons de cordée : merci pour les courses et les plombs. A vos agendas pour la suite ! Remerciements 8 Je tiens à remercier vivement mes parents et ma famille pour l’éducation et le soutien qu’ils m’apportent depuis toujours. Un petit coucou et un grand merci au fréro pour sa joie et sa bonne humeur. Et que les habitants de Doucy (France) ne se sentent point oubliés ! Les derniers mots de ces remerciements sont pour ma Delphine. Merci de tout cœur d’avoir été à mes côtés pour m’encourager et me soutenir. A notre avenir… Table des matières 9 Table des matières Remerciements.......................................................................................7 Table des matières.................................................................................9 Liste des abréviations..........................................................................13 Introduction ..........................................................................................17 Chapitre 1 : Une vision système des réseaux d’alimentation électrique des tramways...................................................................21 1.1. Présentation des équipements..............................................................22 1.1.1. Sous-stations de traction ......................................................................................22 1.1.2. Matériel roulant .....................................................................................................24 1.1.3. Retour des courants de traction, courants vagabonds .........................................26 1.2. Structures des réseaux d’alimentation ..................................................26 1.2.1. Lignes Aériennes de Contact (LAC) .....................................................................26 1.2.2. Alimentations Par le Sol (APS) .............................................................................27 1.2.3. Notions de signalisation........................................................................................30 1.3. Stockage énergétique et production embarquée ..................................31 1.3.1. Domaines d’applications.......................................................................................31 1.3.2. Techniques modernes pour le stockage énergétique...........................................32 1.3.3. Alimentation embarquée via la pile à combustible................................................33 Chapitre 2 : Des enjeux, des problématiques, une thèse.................37 2.1. Enjeux....................................................................................................37 2.2. Perturbations inhérentes aux réseaux d’alimentation électrique...........39 2.2.1. Perturbations en régime permanent .....................................................................39 2.2.2. Perturbations en régime transitoire.......................................................................41 2.3. Méthodes d’estimations spectrales .......................................................42 2.3.1. Approches temporelles .........................................................................................42 2.3.2. Approches fréquentielles directes.........................................................................43 2.3.3. Approches fréquentielles itératives.......................................................................46 2.3.4. Choix d’une méthode d’estimation spectrale ........................................................47 2.4. Modélisation des systèmes de transmission.........................................48 2.4.1. Méthode de Carson / Pollaczek............................................................................49 2.4.2. Méthode de la profondeur de pénétration complexe ............................................51 2.4.3. Méthode PEEC .....................................................................................................53 2.4.4. Méthode des éléments finis ..................................................................................53 2.4.5. Choix d’une méthode de modélisation des systèmes de transmission.................54 Chapitre 3 : Des modèles temporels et fréquentiels pour les structures passives...........................................................................57 3.1. Modélisation d’une ligne aérienne de contact .......................................57 3.1.1. Présentation et détail de la structure ....................................................................57 3.1.2. Approche par les éléments finis............................................................................58 Table des matières 10 3.2. ALImentation Statique par le Sol (ALISS) .............................................68 3.2.1. Présentation et détail de la structure ....................................................................68 3.2.2. Matrices caractéristiques ......................................................................................69 3.2.3. Comparaisons LAC / ALISS..................................................................................70 3.3. Modélisation des transformateurs de sous-station................................71 3.3.1. Matrices primitives ................................................................................................72 3.3.2. Transformateur Dyn...............................................................................................73 3.3.3. Transformateur Ddyn.............................................................................................76 3.3.4. Applications...........................................................................................................79 3.4. Points clefs sur les structures passives modélisées .............................80 Chapitre 4 : Vers une analyse dynamique des réseaux d’alimentation électrique ..................................................................83 4.1. Transition dynamique entre secteurs conducteurs................................84 4.1.1. Analyse du scénario..............................................................................................84 4.1.2. Modélisation du contact électrique........................................................................86 4.1.3. Etude de la transition ............................................................................................90 4.2. Comportement dynamique du réseau de La Rochelle..........................93 4.2.1. Schéma électrique équivalent de la ligne .............................................................93 4.2.2. Simulations ...........................................................................................................98 4.3. Bilan des analyses dynamiques..........................................................105 Chapitre 5 : Vers une analyse harmonique des réseaux d’alimentation électrique ................................................................109 5.1. Prérequis de la méthode de calcul harmonique..................................109 5.2. Modélisation d’un pont redresseur monophasé ..................................111 5.2.1. Eléments théoriques ...........................................................................................111 5.2.2. Démarche générale de résolution.......................................................................116 5.2.3. Définition de la taille du système, initialisation des inconnues............................117 5.2.4. Résolution fréquentielle itérative.........................................................................121 5.2.5. Validation ............................................................................................................125 5.2.6. Cas des interharmoniques..................................................................................126 5.3. Modélisation d’un pont redresseur triphasé ........................................127 5.3.1. Eléments théoriques ...........................................................................................127 5.3.2. Définition de la taille du système, initialisation des inconnues............................132 5.3.3. Résolution fréquentielle itérative.........................................................................134 5.3.4. Validation ............................................................................................................136 5.3.5. Influence de l’empiètement sur les spectres.......................................................136 5.4. Réseaux simples d’étude ....................................................................137 5.4.1. Association d’un transformateur Dyn au pont redresseur triphasé......................138 5.4.2. Association en parallèle de ponts redresseurs monophasés..............................139 5.5. Bilan des analyses fréquentielles........................................................141 5.5.1. Validité et performance.......................................................................................141 5.5.2. Perspectives .......................................................................................................143 Conclusion et perspectives...............................................................147 Annexe I. Calcul du flux par le potentiel vecteur magnétique...151 Table des matières 11 Cas de conducteurs filiformes en magnétostatique ...................................151 Considérations énergétiques......................................................................152 Annexe II. Composantes matricielles des transformateurs........155 Transformateur Dyn ....................................................................................155 Transformateur Ddyn ..................................................................................157 Annexe III. Mesure des paramètres d’un transformateur.............159 Rappels théoriques : cas du transformateur à deux enroulements............159 Méthodologie pour un transformateur à neuf enroulements ......................161 Résultats des mesures effectuées .............................................................162 Principe de généralisation des résultats.....................................................164 Annexe IV. Détermination d’une fréquence équivalente ..............167 Annexe V. Méthode de calcul numérique des harmoniques.......169 Transformation d’une grandeur par la modulation .....................................169 Passage d’une notation complexe à une notation matricielle ....................170 Annexe VI. Dérivées des termes de la jacobienne........................173 Pont redresseur monophasé ......................................................................173 Pont redresseur triphasé ............................................................................180 Publications pendant la thèse...........................................................187 Bibliographie ......................................................................................191 12 Liste des abréviations 13 Liste des abréviations AC Alternative Current ALISS ALImentation Statique par le Sol APS Alimentation Par le Sol BTA Basse Tension de niveau A, cf. Tableau 1-1 BTB Basse Tension de niveau B, cf. Tableau 1-1 CEM Compatibilité ElectroMagnétique DC Direct Current DFT Discrete Fourier Transform FFT Fast Fourier Transform HTA Haute Tension de niveau A, cf. Tableau 1-1 HTB Haute Tension de niveau B, cf. Tableau 1-1 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MEF Méthode des Elements Finis MLI Modulation de Largeur d’Impulsion LAC Ligne Aérienne de Contact MTL Multiconductor Transmission Line PAC Pile A Combustible PEEC Partial Element Equivalent Circuit PCC Poste de Commandes Centralisées STREAM Système de Transport Electrique à Attraction Magnétique TBT Très Basse Tension, cf. Tableau 1-1 AC DC TBT 0 – 50 V 0 – 120 V BTA 50 V – 500 V 120 V – 750 V BTB 500 V – 1 kV 750 V – 1,25 kV HTA 1 kV – 50 kV 1,25 kV – 75 kV HTB > 50 kV > 75 kV Tableau 1-1 : Classifications des tensions alternatives et continues 14 Introduction 15 Introduction Introduction 16 Introduction 17 Introduction L’accessibilité uploads/Science et Technologie/ morin-version-finale-compressee.pdf