Couplage de fréquence de 100 MW entièrement

4 Revue ABB 9/10 1996
our des raisons historiques, les réseaux
ferroviaires de nombreux pays sont exploi-
tés avec une fréquence qui diffère de celle
du réseau national ou avec du courant
continu [1,2,3]. D’une part, les compagnies
ferroviaires disposent de leurs propres cen-
trales électriques, mais d’autre part, leurs
réseaux sont le plus souvent reliés aux
réseaux nationaux, à cause de leur besoin
de puissance fortement variable. Par
exemple en Allemagne, environ 40 coupla-
ges de réseau existent entre le réseau fer-
roviaire et le réseau national. Les chemins
de fer couvrent environ un quart de leur
besoin d’énergie par ces couplages. Ceux-
ci participent également à la stabilisation
du réseau ferroviaire. Etant donné que la
plupart de ces couplages permettent
l’échange d’énergie dans les deux direc-
tions, c’est-à-dire du réseau national vers
le réseau ferroviaire et vice versa, la pro-
duction de courant du réseau ferroviaire
peut être plus économique.
Exploitation du couplage
de fréquence et protection
de l’environnement
Lors de la production de fonte brute, de
grandes quantités de gaz de hauts four-
neaux sont produites dans l’aciérie Bremen
GmbH. Ce gaz est mené par des gazoducs
dont le diamètre atteint 1,8 m vers la cen-
trale électrique voisine de Mittelsbüren. Les
Stadtwerke Bremen AG en produisent du
courant électrique ferroviaire livré à la Deut-
sche Bahn AG. Cette collaboration exercée
avec succès depuis 1964 pour l’utilisation
du gaz de hauts fourneaux signifie un
grand profit pour l’environnement, car elle
permet d’économiser du charbon dans
d’autres centrales électriques et donc de
réduire fortement les émissions de CO
2
.
Pourtant, par suite de la diminution
du besoin d’électricité ferroviaire pendant
les fins de semaine, une partie du gaz
de hauts fourneaux devait jusqu’ici être
brûlée à la torche. Par le couplage de fré-
quence entièrement statique de 100 MW
qui vient d’être mis en service à Mittels-
büren , , , les Stadtwerke Bremen
peuvent transformer du courant ferroviaire
en courant triphasé et vice versa, en amé-
liorant en même temps l’utilisation du gaz
de hauts fourneaux. A l’avenir, presque
toute la quantité de gaz pourra être utilisée
pour la production d’électricité. Ce que la
Deutsche Bahn AG n’utilise pas est trans-
formé et alimenté dans le réseau des
Stadtwerke Bremen AG.
Jusqu’à ce jour, l’avantage écologique
de cette coopération entre l’aciérie, les
chemins de fer et les Stadtwerke se mani-
feste par env. 750000 t de CO
2
par année
dont l’émission est évitée dans d’autres
centrales électriques. Avec le nouveau
convertisseur, l’environnement est soulagé
d’env. 150000 t de CO
2
supplémentaires.
En complément, le couplage de fré-
quence entièrement statique pour le trans-
port d’énergie du réseau de 16
2
⁄3Hz dans
celui de 50 Hz et vice versa améliore la
sécurité des fournitures des deux réseaux,
étant donné qu’une pénurie d’énergie de
l’un d’eux peut être compensée avec l’aide
de l’autre.
Par le couplage des réseaux, les sec-
tions de courant ferroviaire de la centrale
Mittelsbüren peuvent être intégrées dans la
production de courant triphasé, ou inverse-
ment, le réseau ferroviaire peut être ali-
menté à prix avantageux par le réseau de
50 Hz, en cas de manque de gaz de hauts
fourneaux ou lorsque la pleine puissance
de la centrale n’est pas disponible pour
une autre raison quelconque. Ce faisant,
on assure que toutes les centrales sont
constamment adaptées à la situation des
alimentations, du combustible et des
coûts, et que les obligations de livraison
envers la Deutsche Bahn AG peuvent tou-
jours être garanties, indépendamment de la
livraison de gaz de hauts fourneaux.
Des blocs de machines tournantes
aux convertisseurs statiques
Autrefois, les stations de conversion de fré-
quence entre les réseaux ferroviaires et
nationaux étaient équipées de convertis-
321
COUPLAGE DE FRÉQUENCE
Rüdiger Boeck
Stadtwerke Bremen AG
Osvin J. Gaupp
Peter Dähler
Eugen Bärlocher
Johannes Werninger
ABB Industrie AG
Plinio Zanini
ABB Production d’énergie SA
Couplage de
fréquence de 100 MW
entièrement statique
de Bremen
Pour l’échange d’énergie entre un réseau ferroviaire et le réseau national, on
utilise actuellement de préférence des convertisseurs de fréquence stati-
ques. Avec sa puissance de 100 MW, l’installation de couplage de fréquence
entièrement statique réalisée en technologie GTO de Bremen est mondiale-
ment la plus grande de ce genre. Le développement conséquent des thyris-
tors GTO, une commande d’un nouveau type et le couplage en série des GTO
ont rendu possible la construction économique d’un couplage de fréquence
entièrement statique de 16
2
⁄3Hz – 50 Hz d’une puissance aussi élevée. Par
rapport aux installations antérieures, ce couplage se distingue par un com-
portement sensiblement amélioré du rendement sur toute la gamme de puis-
sance et par une disponibilité plus élevée.
P

Revue ABB 9/10 1996 5
seurs tournants. Parallèlement aux progrès
et à la fiabilité de l’électronique de puis-
sance depuis l’introduction des thyristors
déclenchables (GTO), on préfère de plus en
plus les installations de conversion stati-
ques, à savoir pour les raisons suivantes:
•
Comportement du rendement amélioré
d’env. 5% sur toute la gamme de puis-
sance [2]
•
Frais d’investissement plus bas, à cause
de la suppression des fondations coû-
teuses des machines rotatives
•
Temps de maintenance et d’arrêt plus
courts et donc disponibilité accrue
•
Simplification du service, par la
construction modulaire de composants
plus facilement manipulables
Les couplages de fréquence statiques pour
réseaux ferroviaires en usage jusqu’à ce
jour sont formés d’unités de convertisseurs
de 15 MVA au maximum. ABB a accompli
un premier pas en direction de puissances
plus élevées dans l’installation des Che-
mins de fer fédéraux suisses (CFF) de Giu-
biasco de 2 fois 25 MVA. Celle-ci est en
exploitation commerciale depuis 1994
[1, 3].
Bremen:
puissance élevée avec un seul
convertisseur
En 1991, les Stadtwerke Bremen AG
avaient mandaté ABB Production d’énergie
SA et ABB Industrie SA pour l’élaboration
d’une étude de faisabilité d’un convertis-
seur de fréquence de haute puissance
pour 16
2
⁄3Hz – 50 Hz, avec GTO branchés
en série et d’une puissance de conversion
devant atteindre 100 MW dans les deux
directions. Cette étude a montré que par
un développement sélectif des GTO, par
une nouvelle commande dure et par le
couplage série des GTO [4], il était possible
de construire un couplage de fréquence
entièrement statique pour 16
2
⁄3Hz – 50 Hz
de haute puissance.
Les données principales du couplage de
fréquence Bremen sont rendues dans le
Tableau 1. L’installation est formée d’un
seul convertisseur de 100 MW/MVA. Le
grand bond de puissance réalisé a été
rendu possible par plusieurs pas d’innova-
tions au profit de la technologie GTO, tout
en assurant la fiabilité la plus élevée.
En comparaison des convertisseurs for-
més de plusieurs installations partielles, la
Schéma de principe du couplage de fréquence entièrement statique de 100 MW Bremen
ARéseau triphasé 6Impédance de lissage
BRéseau ferroviaire 7Filtre 33 Hz
8Filtre passe-haut
1Convertisseur à thyristors 9Condensateurs de circuit intermédiaire proches du convertisseur
2Circuit intermédiaire à tension continue 10 Limiteur de tension
3Convertisseur GTO (12 x) 11 Barres collectrices du circuit intermédiaire
4Installation de filtrage et de compensation (11/23, 5/13: filtres) 12 Transformateur additionneur, réseau ferroviaire
5Circuit d’extinction totalisateur SLK 13 Transformateur de convertisseur, réseau triphasé
1
5/1311/ 23
112 kV
50 Hz Y
Y
D
D
4
Ld/2
Ld/2
CF
LFRfLf
Cf
CD
2
11
10
31
A
121 kV
16 2/3 Hz
B
+
-
5
13
7
689
12 ×
12
COUPLAGE DE FRÉQUENCE

6 Revue ABB 9/10 1996
puissance élevée concentrée sur un seul
convertisseur fournit un rendement plus
élevé. Par suite du nombre plus petit de
composants, la fiabilité est par principe
plus élevée, tandis que les frais d’investis-
sement et d’exploitation sont plus bas.
Dans l’installation Bremen, il est essentiel
que la redondance soit assurée dans le
convertisseur lui-même.
Configuration et disposition du
couplage de fréquence
Le circuit principal du couplage de réseaux
Bremen est formé essentiellement
du convertisseur à thyristors du côté
triphasé, du circuit intermédiaire à tension
continue, ainsi que du convertisseur GTO
et des transformateurs du convertisseur
du côté ferroviaire. On y trouve également
les équipements de filtrage et de compen-
sation du réseau triphasé et du circuit
intermédiaire, ainsi que les principaux
appareils de protection contre les surten-
1
136 4
Z 50
52
L 210
8
T 12 T 13
12 12
14
11
L 401 L 433
13
10 7
9
T 11 T 01
MPMP
Vue en plan du couplage de fréquence avec rez-de-chaussée du bâtiment des convertisseurs
1Local des transformateurs auxiliaires 8Echangeur de chaleur eau/air T11–T13 Transformateurs 16
2
⁄ 3
Hz
2Local du filtrage 50 Hz 9Local du convertisseur 50 Hz et SLK T01 Transformateur 50 Hz
3Distribution ASC et AC 10 Installation de récupération L210 Compensation de
4Local des batteries du refroidissement 16
2
⁄ 3
Hz puissance réactive 50 Hz
5Installation de distribution 20 kV 11 Local du convertisseur 16
2
⁄ 3 Hz L401 Impédance de lissage
6Distribution DC 12 Ventilation L433 Impédance du filtre 33 Hz
7Installation de récupération 13 Condensateurs du filtre 33 Hz
du refroidissement 50 Hz 14 Gaines de ventilation
2
Tableau 1:
Données principales du couplage de fréquence Bremen
Puissance nominale permanente
Transport d’énergie dans les deux sens, 100 MVA, cos ϕ = 0,8
mesuré du côté ferroviaire 100 MVA, cos ϕ = 1,0
Réseau triphasé
Tension de service 112 kV ±5%
Fréquence de service 50 Hz ±0,5%
Réactions sur le réseau triphasé
Harmoniques de tension selon VDEW
Réseau ferroviaire
Tension de service nominale (100 MVA) 121 kV
Gamme de la tension de service 97...123 kV
Gamme de la fréquence de service 16
2
⁄ 3 Hz ±2%
Réactions sur le réseau ferroviaire
Harmoniques de tension
Distorsion totale P
n
DU 150 ≤0,5%
Rendement garanti
Puissance sur la barre collectrice 16,7 Hz
Direction de transport 16
2
⁄ 3 Hz ⇒50 Hz
72 MW, cos ϕ = 0,8 94,9%
90 MW, cos ϕ = 1,0 95,6%
COUPLAGE DE FRÉQUENCE

Revue ABB 9/10 1996 7
sions dans le circuit intermédiaire et pour
la protection de l’installation lors d’un
décrochage de l’onduleur (SLK). Dans le
réseau des Stadtwerke Bremen AG, la ten-
sion et la fréquence sont pratiquement
constantes. En revanche, dans le réseau
ferroviaire, tant la tension (97 à 123 kV)
que la fréquence (16,3 à 17,0 Hz) peuvent
varier fortement en exploitation normale.
La tension nominale et le courant nominal
du circuit intermédiaire sont 10 kV, resp.
10,5 kA.
L’installation a été placée directement
derrière la station de distribution 110 kV
des Stadtwerke Bremen AG, à la limite de
l’installation de distribution de 110 kV de la
Deutsche Bahn AG. Un bâtiment de deux
étages abrite les convertisseurs, la com-
mande, la régulation et la surveillance. A
cause de la pollution considérable de l’air
par l’aciérie et par suite du climat maritime,
tous les bancs de condensateurs se trou-
vent également dans le bâtiment. Seuls les
transformateurs, les bobines de compen-
sation, les inductances de lissage et les
bobines des circuits de filtrages sont instal-
lés devant le bâtiment , .
Le bâtiment présente une projection
en plan horizontal de 54 ×15 m. La sub-
division des locaux du premier étage est en
principe la même que celle du rez-de-
chaussée, étant donné que les compo-
sants principaux (les deux convertisseurs,
les condensateurs du circuit intermédiaire
et les circuits d’extinction totalisateurs)
sont répartis sur les deux étages et dispo-
sés de manière identique. Cette disposition
a été choisie pour obtenir des barres de
liaison aussi courtes que possibles.
Une grande attention a été vouée à une
bonne clarté de l’installation et à la facilité
d’accès aux composants. Cette installation
tire donc entièrement profit des avantages
inhérents de la configuration modulaire des
convertisseurs statiques: convivialité de la
maintenance, frais d’entretien restreints,
32
temps de réparation et de remplacement
courts en cas de dérangement, et donc
une disponibilité élevée. Le local du
convertisseur côté ferroviaire est dimen-
sionné de manière à garantir une bonne
accessibilité à tous les composants. La
moitié des convertisseurs et des modules
de limitation de tension se trouve sur cha-
cun des étages.
Les armoires de contrôle-commande
sont installées à l’étage supérieur, en posi-
tion centrale par rapport aux composants
de puissance, de manière à raccourcir les
liaisons câblées. L’interface homme-ma-
chine servant à la conduite locale est éga-
lement placée à l’étage supérieur.
Les transformateurs, ainsi que les bobi-
nes de compensation, de filtrage et de lis-
sage sont installés en dehors du bâtiment,
à proximité immédiate des composants de
puissance correspondants .
3
Couplage de fréquence entièrement statique de 100 MW Bremen
1Bâtiment des convertisseurs 2Inductances shunts 3Echangeur de chaleur eau/air 4Transformateurs 16
2
⁄ 3
Hz
3
1 2 34
COUPLAGE DE FRÉQUENCE

8 Revue ABB 9/10 1996
Principe du fonctionnement et
conception du côté ferroviaire
La tension continue du circuit intermédiaire
est maintenue constante par le convertis-
seur du côté triphasé. Le convertisseur
GTO fournit une tension interne réglable à
volonté en amplitude et en phase. Sa fré-
quence est déterminée par l’exploitation
interconnectée. Les valeurs de référence
des variables réglantes du convertisseur de
fréquence sont la tension et la position de
phase au point de branchement du réseau
ferroviaire.
Le mode de fonctionnement de principe
du convertisseur GTO est représenté dans
le diagramme vectoriel . Un rôle essen-
tiel est joué par la réactance de court-cir-
cuit X
T
du transformateur monophasé du
convertisseur . La tension de conver-
sion interne U
BI
peut être réglée à volonté
(U
Bi
dans la zone grise). Ce faisant, on
détermine la chute de tension ∆ U
T
et donc
le courant I
B
en amplitude et en phase.
La formation de puissance réactive sup-
portant la tension est limitée par la tension
intérieure réglable maximale. Celle-ci ré-
sulte de la tension continue du circuit inter-
médiaire et du procédé de réglage du
4a
4b
convertisseur GTO décrit ci-après. Il y a
lieu de remarquer qu’à cause des restric-
tions du temps de commutation, on ne
peut pas utiliser toute la tension de com-
mande u
st
(le facteur d’utilisation maximal
est de 0,96).
La puissance apparente S
B
est limitée
par le courant maximal qui peut franchir le
convertisseur GTO et le transformateur de
convertisseur I
B
(petit cercle dans ).
Tandis que dans le cas du transformateur,
cette limite n’est que de nature thermique,
pour le convertisseur GTO, on doit égale-
ment tenir compte de l’aptitude de déclen-
chement des semi-conducteurs. En outre,
une limitation de la puissance active (limita-
tion verticale de la zone grise) est imposée
par la conception de l’alimentation du côté
triphasé (convertisseur à thyristors, etc.).
Le diagramme PQ du côté ferroviaire
correspond aux données de puissance
fixées (Tableau 2). Le cercle U
B
= 121 kV
contient les trois points de travail A, B et C
spécifiés. Il correspond au courant maximal
admissible du convertisseur GTO. Ce cer-
cle détermine également la puissance
maximale en cas de tension basse sur le
réseau ferroviaire. Dans la zone surexcitée,
5
4b
le point B détermine la limite de puissance
imposée par la tension maximale du
convertisseur.
Vu qu’on est en présence d’un conver-
tisseur à thyristors antiparallèles de même
puissance, les mêmes points de travail sy-
métriques A’, B’ et C’ sont valables pour le
flux de l’énergie du réseau ferroviaire vers
le réseau triphasé.
Procédé de commande
et tension de sortie
Pour le procédé de commande, on a choisi
le procédé classique de la modulation
d’impulsions en durée (MID), éprouvé et
connu dans la technique d’entraînement.
Les ordres de commutation des différents
modules Usont obtenus à partir de la
valeur momentanée de la tension de com-
mande sinusoïdale u
st
et de tensions por-
teuses triangulaires (tensions de com-
mande auxiliaires u
hm
et u
hp
) . La fré-
quence porteuse correspond au triple de la
fréquence du réseau ferroviaire. Par consé-
quent, chaque GTO subit trois cycles de
commutation par période du réseau ferro-
viaire.
6
XTZBk IB
PB
SB
QB
UdUBi UB
ust δ
E
-
+
F
_~
∆UT
GTO
a
UBi max
IB maxXT
UBi UB
QB
IB
B
C
A
PB
δ
UT P
+
+
-
-
∆
b
0
Schéma de principe du convertisseur GTO
aSchéma équivalent
ECircuit intermédiaire à tension continue
FRéseau ferroviaire
U
d
Tension continue
U
Bi
Tension de convertisseur interne
X
T
Réactance de court-circuit du transformateur
côté ferroviaire
∆U
T
Chute de tension sur X
T
U
B
Tension du réseau ferroviaire au point de branchement
Z
Bk
Impédance de court-circuit du réseau ferroviaire
P
B
, Q
B
, S
B
Puissances alimentées dans le réseau ferroviaire
I
B
Courant de sortie du convertisseur GTO
u
st
, δ Variables réglantes de la régulation
4
bDiagramme vectoriel simplifié du convertisseur GTO
A,B,C Points de travail spécifiés
COUPLAGE DE FRÉQUENCE