Nouvelle topologie de Compensateur de Puissance Réactive pour

T
TH HÈ ÈS SE E
En vue de l'obtention du
D
DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E
Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Électrique
JURY
M. Mohamed MACHMOUM Rapporteur
M. Pompeo MARINO Rapporteur
M. Hervé CARON Examinateur
M. Daniel CORNIC Examinateur
M. Yvon CHÉRON Examinateur
M. Philippe LADOUX Directeur de thèse
Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE - UMR5213
Directeur de Thèse : M. Philippe LADOUX
Présentée et soutenue par
Luc Anthony LOWINSKY
Le 27 mai 2010
Titre : Nouvelle topologie de Compensateur de Puissance Réactive
pour les Réseaux Ferrés 25 kV / 50 Hz

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TH HÈ ÈS SE E
En vue de l'obtention du
D
DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E
Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Électrique
JURY
M. Mohamed MACHMOUM Rapporteur
M. Pompeo MARINO Rapporteur
M. Hervé CARON Examinateur
M. Daniel CORNIC Examinateur
M. Yvon CHÉRON Examinateur
M. Philippe LADOUX Directeur de thèse
Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE - UMR5213
Directeur de Thèse : M. Philippe LADOUX
Présentée et soutenue par
Luc Anthony LOWINSKY
Le 27 mai 2010
Titre : Nouvelle topologie de Compensateur de Puissance Réactive
pour les Réseaux Ferrés 25 kV / 50 Hz

Résumé
Le travail présenté dans ce mémoire s’est déroulé dans le cadre d’une collaboration entre le
groupe Convertisseur Statique du laboratoire LAPLACE et le département " Installations
Fixes de Traction Electrique " de la Direction de l’Ingénierie de la SNCF.
Aujourd'hui, la majorité du trafic sur le réseau ferré monophasé 25 kV / 50 Hz est assurée
par des locomotives équipées de redresseurs contrôlés à thyristors. Du fait de
l'augmentation du trafic, l'utilisation de ces locomotives nécessite la mise en place de moyen
de compensation de puissance réactive afin de maintenir la tension caténaire à un niveau
acceptable et de réduire la facture en énergie réactive. La correction du facteur de
déplacement est réalisée en partie par des batteries de compensation fixes dont la
puissance est limitée par la tension maximale admissible à vide sur la caténaire. Afin
d’adapter le niveau de compensation à la consommation, la partie fixe est complétée par un
dispositif réglable basé sur une réactance contrôlée par des thyristors. Bien qu’il soit simple
dans son principe, ce dispositif nécessite un filtrage des harmoniques en basse fréquence
avec des circuits LC volumineux.
L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle topologie de compensateur de
puissance réactive à haut rendement et utilisant un contrôle à modulation de largeur
d’impulsion dans le but de minimiser le volume des éléments de filtrage.
La première partie de ce mémoire est consacrée à une étude comparative de différentes
topologies du point de vue des pertes dans les semi-conducteurs et du dimensionnement
des éléments de filtrage associés. Les résultats de cette étude montrent que les topologies à
base de gradateurs MLI, constituent les solutions les plus intéressantes pour réaliser le
compensateur.
La deuxième partie du travail concerne l’étude de l’insertion d’un compensateur à base de
gradateurs MLI sur le réseau ferré avec la prise en compte des interactions harmoniques. Le
cas d’étude concerne une sous-station où doit être implantée une compensation variable de
3 MVAR. Un relevé des courants délivrés par la sous-station a été effectué dans le but
d’analyser leur contenu harmonique. Une modélisation de la sous-station et du
compensateur est ensuite proposée et des simulations temporelles de l’ensemble sont
réalisées en prenant en compte les formes d’ondes réelles des courants absorbés par les
trains.
Finalement, cette étude par simulation permet d’affiner le dimensionnement du
compensateur à gradateurs MLI et des éléments de filtrage associés. Elle met en évidence
l’avantage d’une solution, avec des gradateurs MLI en montage élévateur de tension, qui
fonctionne sans transformateur et réutilise les batteries de compensation fixes déjà installées
en sous-station à la fois comme diviseur de tension et éléments de filtrage.
Afin de valider le principe de cette nouvelle topologie de compensateur statique de
puissance réactive, un démonstrateur de 1,2 MVAR est mis en œuvre et testé sur une
plateforme d'essai de la SNCF.
Mots clés :
Compensation de puissance réactive variable, Gradateur MLI, Impédance active,
Modélisation dans les domaines fréquentiel et temporel d’une sous station ferroviaire et des
moyens de compensation associés.

Abstract
The work presented in this thesis is the result of collaboration between the Static Converters
research group of LAPLACE Laboratory and the department "Installations Fixes de Traction
Electrique" of the Engineering Division of the French Railways company, SNCF.
Nowadays, most of the traffic in 25 kV – 50 Hz lines is achieved by old locomotives equipped
with thyristor rectifiers. As traffic and load increase, reactive power compensation devices
are required to keep the overhead line voltage at acceptable level and to reduce the
spending for reactive power. The basic power factor correction is completed by fixed
compensation banks. But the difficulty of such configuration is the no-load operation of
overhead lines. The voltage can increase out of the 29 kV standard limit and to avoid this
problem, variable reactive power compensator is often added to the fixed compensation
banks. Nowadays, SNCF is equipped with thyristor based static VAR compensators (SVC).
The main drawback of this topology is the requirement of a large LC shunt filter tuned for the
third harmonic.
The goal of this thesis is to find a new high-efficiency topology of STATic COMpensator
(STATCOM) using PWM control to minimize the filtering components.
The first part of this thesis focuses on a comparative study of different topologies in terms of
semiconductor losses and filter elements size. The results of this study show that the
topologies based on PWM AC Chopper are the most interesting solutions to achieve the
compensator.
The second part of the work concerns the influence of the connection of a STATCOM to a
substation and focuses on the harmonic interactions with locomotives. The study case
concerns a high traffic substation where a 3 MVAR STATCOM should be installed.
Substation output current measurement was carried out in order to analyze its harmonic
content. Models of the substation and the STATCOM are then proposed and simulations
using real current waveforms are performed.
Finally, this simulation study helps to refine the features of the AC Chopper topology and its
filter elements. It highlights the advantage of a solution, with boost AC Choppers which
operate without transformer and reuse the fixed compensation banks already installed in the
substation as voltage divider and filter.
To validate the principle of this new topology of STATCOM, a 1.2 MVAR prototype is built in
LAPLACE laboratory and tested on a SNCF test platform.
Keywords :
Variable Reactive Power Compensation, AC Chopper, Active Impedance Concept, Modelling
in time and frequency domains of Railway Substations and Reactive Power Compensation
Devices.