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Soutenance de thèse d’Andrea VERDICCHIO

par Isabelle Clarysse - publié le

Andrea VERDICCHIO soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

"Nouvelle électrification ferroviaire en courant continu moyenne tension" ;

La soutenance se déroulera jeudi 24 octobre 2019 à 10h, site ENSEEIHT, en salle des thèses (C002).

Jury :
M. Mauro Carpita - Professeur, Heig-vd, Yverdon-les-Bains ( Suisse) - Rapporteur
M. Gerard Coquery - Directeur de recherche, IFSTTAR - Rapporteur
M. Sébastien Sanchez - Chercheur associé, Laboratoire Laplace - Examinateur
Mme Marie Laure Locatelli - Chargé de recherche, CNRS, Laplace - Examinateur
M. Christian Schaffer - Professeur, INP-Grenoble,G2ELAB - Examinateur
M. Philippe Ladoux - Professeur, INPT, Laboratoire Laplace - Directeur de thèse
M. Hervé Caron - Responsable de section, SNCF-Reseau I&P - Membre invité
M. Jean-Gabriel Ampeau - Adjoint au chef de departement, SNCF-Reseau - Membre invité

Résumé :

Depuis le début du 20ème siècle, différents systèmes d’électrification ferroviaire en courant continu et en courant alternatif ont été développés en Europe. Les systèmes en courant alternatif monophasé moyenne tension (25 kV-50 Hz ou 15 kV 16,7 Hz) permettent d’utiliser une caténaire légère de faible section de cuivre mais de par leur principe mettent en jeu de la puissance fluctuante et de la puissance réactive qu’il faut compenser par des dispositifs volumineux et coûteux. Les systèmes d’électrification à courant continu (1,5kV ou 3kV) ne possèdent pas ces inconvénients mais en contrepartie, leur relativement faible niveau de tension implique la circulation de courants élevés dans la caténaire ce qui s’oppose à toute augmentation de trafic car la section de cuivre ne peut pas être augmentée au-delà de 1000 mm2. Du point de vue du matériel roulant, les locomotives alimentées en courant alternatif ont une chaine de conversion d’énergie électrique complexe et volumineuse (transformateur abaisseur, redresseur, filtre basse fréquence puis onduleur). En revanche, une chaine de conversion fonctionnant sous caténaire à courant continu se réduit à un filtre d’entrée et à un onduleur de traction. Aujourd’hui, les progrès technologiques réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance permettent d’envisager le développement de réseaux électriques à courant continu moyenne tension pour accompagner la transition énergétique en intégrant plus facilement des sources d’énergies renouvelables et des éléments de stockage d’énergie.

Partant de ce constat, l’objectif de ce travail de thèse est de proposer un nouveau système d’électrification ferroviaire à courant continu moyenne tension, d’une part, dans le but de combiner les avantages des systèmes actuels d’électrification et d’autre part, d’envisager à moyen terme la rénovation des lignes électrifiées à courant continu.

Le premier partie de ces travaux de thèse présente un état de l’art des systèmes d’électrification ferroviaire existants et des chaines de traction associés. Le deuxième partie met en évidence l’intérêt d’une électrification à courant continu moyenne tension pour la traction ferroviaire. Une méthode de calcul, permettant de déterminer le niveau de tension continue pour un trafic donné, est proposée. Il est ainsi montré que le choix d’un niveau de tension à 9 kV permet d’obtenir des sections de caténaire et un espacement des sous-stations comparables au système 25kV-50 Hz. La troisieme partie propose, tout d’abord, une stratégie permettant de faire évoluer le système d’électrification 1,5 kV existant en France vers un système 9 kV. En attendant que le parc d’engins de traction soit adapté pour fonctionner sous une caténaire à 9 kV, il est possible de préparer l’évolution du système d’électrification en déployant une ligne de transport d’énergie électrique en 9 kV (feeder) en parallèle de la caténaire 1,5 kV existante. Au terme de la période de transition, le niveau de tension 1,5 kV est complètement supprimé et la totalité de l’infrastructure ainsi que les engins de traction fonctionnent alors sous 9 kV. Ensuite, la troisieme partie est consacrée à l’étude d’une topologie associant des convertisseurs DC/DC isolés et permettant de remplir la fonction de transformateur électronique indispensable pour le renforcement de l’alimentation de la caténaire 1,5 kV à partir du feeder 9 kV. La derniere partie de ces travaux de these présente la réalisation et les essais d’un convertisseur DC/DC isolé d’une puissance de 300 kW utilisant des modules MOSFET SiC 3,3 kV.

Abstract :

Since the beginning of the 20th century, various DC and AC rail electrification systems have been developed in Europe. Single-phase, medium-voltage AC systems (25 kV-50 Hz or 15 kV 16.7 Hz) allow the use of a light overhead-line of small copper cross-section but by their principle involve fluctuating power and reactive power that have to be compensated by large and expensive devices. DC electrification systems (1.5kV or 3kV) do not have these disadvantages but in return, their relatively low voltage level involves the circulation of high currents in the overhead-line which limits any increase in traffic because the copper section cannot be increased beyond 1000 mm2. From a rolling stock point of view, AC powered locomotives have a complex and voluminous conversion chain (step-down transformer, rectifier, low-frequency filter and traction inverter). On the other hand, a conversion chain operating under direct current catenary is reduced to an input filter and a traction inverter. Today, the technological progress made in the field of power electronics makes it possible to envisage the development of medium voltage DC grids to support the energy transition by integrating more easily renewable energy sources and storage devices.

On the basis of this observation, the aim of this thesis is to propose a new medium voltage DC railway electrification system, on the one hand, with the aim of combining the advantages of the current railway electrification systems and on the other hand, to consider in the medium term the renovation of lines electrified in DC.

The first chapter of this thesis presents a state of the art of existing railway electrification systems and associated traction chains. The second chapter highlights the interest of a medium voltage DC electrification for railway traction. A calculation method for determining the DC voltage level for a given traffic is proposed. Therefore, it is shown that the choice of a voltage level at 9 kV makes it possible to obtain an overhead-line cross-section and a substation spacing comparable to the 25 kV-50 Hz system. In its first part, the third chapter proposes a strategy to upgrade the existing 1.5 kV French electrification system to a 9 kV system. Until the fleet of traction units is adapted to operate at 9 kV, it is possible to prepare the evolution of the electrification system by deploying a transmission line at 9 kV (feed-wire) in parallel with the existing 1.5 kV overhead-line. At the end of the transition period, the 1.5 kV voltage level is completely removed and the entire infrastructure as well as the traction units operate at 9 kV. The second part of this chapter is dedicated to the study of a topology, based on an association of isolated DC/DC converters, to fulfil the function of solid state transformer which is essential for the power reinforcement of the 1.5 kV system from the 9 kV feed-wire. The fourth chapter presents the realization and tests of an isolated DC / DC converter with a power level of 300 kW using 3.3 kV SiC MOSFET modules.