THESE DOCTEUR Petronela-Valeria BUZILA Gestion

N° d’ordre : 41772
UNIVERSITE LILLE 1 – SCIENCES ET TECHNOLOGIES
THESE
Présentée en vue d’obtenir le grade de
DOCTEUR
en
Spécialité : Génie Électrique
par
Petronela-Valeria BUZILA
Soutenue le 29 septembre 2015 devant le jury d’examen :
Directeur de thèse :
Benoit ROBYNS
Professeur, HEI, L2EP
Co-directeur de thèse :
Stéphane BRISSET
Maître de Conférences, Ecole Centrale de Lille, L2EP
Rapporteur :
Daniel HISSEL
Professeur, Université de Franche-Comté Besançon, FC LAB
Rapporteur :
Bruno SARENI
Professeur, Institut National Polytechnique de Toulouse, LAPLACE
Examinateur :
Julien POUGET
Dr., Chef de projet, SNCF Innovation & Recherche
Examinateur :
Betty SEMAIL
Professeur, Université Lille 1 Sciences et Technologies, L2EP
Examinateur :
Nicolas RETIERE
Professeur, Université Joseph Fourier Grenoble, G2Elab
Membre invité :
Dhaker ABBES
Enseignant-Chercheur, HEI, L2EP
Thèse préparée dans le Laboratoire L2EP, EA 2697
Ecole Doctorale SPI 072 – Université Lille Nord-de-France
Gestion énergétique optimale des Installations Fixes de Traction
Electrique Ferroviaire Hybrides

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Table de matières
Liste des figures ......................................................................................................................... 7
Liste de tableaux ...................................................................................................................... 11
Liste de notations et abréviations ............................................................................................ 12
Introduction générale .............................................................................................................. 14
1 Installations Fixes de traction Electrique Ferroviaire à production et stockage intégré
(IFTE hybrides) ............................................................................................................................. 16
1.1 Introduction .............................................................................................................. 16
1.2 Présentation et analyse du système d’alimentation électrique ferroviaire actuel ..... 16
1.2.1 Description des flux énergétiques ......................................................................... 17
1.2.1.1 Système d’alimentation électrique en 1500 V à courant continu................... 17
1.2.1.2 Système d’alimentation électrique en 25 kV monophasé – 50 Hz ................ 18
1.2.2 Description des flux financiers associés à la consommation d’électricité de
traction 20
1.2.2.1 L’achat d’énergie sur le marché libéralisé ..................................................... 21
1.2.2.2 Les coûts d’accès au réseau de transport et de distribution public d’électricité
(TURPE) 22
1.2.2.3 Le mécanisme d’ajustement et d’équilibrage ................................................ 24
1.2.3 Problématique vis-à-vis des enjeux énergétiques du système ferroviaire ............ 25
1.3 Présentation du projet de recherche CONIFER ....................................................... 26
1.3.1 Contexte et enjeux du projet ................................................................................. 26
1.3.1.1 Positionnement et objectifs de la thèse .......................................................... 27
1.3.2 Acteurs impliqués et/ou impactés par la gestion du système électrique ferroviaire
29
1.3.2.1 Les acteurs du ferroviaire autour de la sous-station ....................................... 29
1.3.2.2 Jeux d’acteurs des mondes du transport ferroviaire et de l'électricité et enjeux
autour de l’hybridation ....................................................................................................... 31
1.3.2.3 Définition des services que pourraient remplir le stockage ........................... 34
1.4 Les systèmes multi-sources dans les applications ferroviaires ................................ 37
1.4.1 Expansion et développement du système d’électrification ferroviaire ................. 37
1.4.2 Perspectives d’hybridation en stationnaire ........................................................... 39
1.4.2.1 Applications stationnaires avec stockage ....................................................... 39
1.4.2.2 Applications stationnaires multi-sources ....................................................... 40
1.5 Concepts d’étude pour l’hybridation d’une sous-station d’alimentation électrique
ferroviaire 42

4
1.5.1 Vision globale du « Smartgrid ferroviaire » ......................................................... 42
1.5.2 Définition de l’Installation Fixe de Traction Electrique Hybride ......................... 43
1.6 Conclusion ................................................................................................................ 47
2 Méthodologie de conception technico-économique d'une sous-station ferroviaire
hybride ........................................................................................................................................... 49
2.1 Introduction .............................................................................................................. 49
2.2 Problématique de conception systémique des systèmes énergétiques hybrides....... 49
2.3 Etude d’architectures possibles pour les sous-stations de traction électrique
hybrides 50
2.3.1 Typologie des architectures électriques associées au stockage et à la production
d’énergie 51
2.3.2 Analyse des critères de raccordement des installations de production au réseau
ferroviaire 52
2.3.3 Architectures génériques des sous-stations hybrides ............................................ 53
2.3.3.1 Configurations possibles pour les sous-stations hybrides en CC ................... 54
2.3.3.2 Configurations possibles pour les sous-stations hybrides en CA .................. 57
2.4 Pré-dimensionnement optimal d’une sous-station ferroviaire hybride .................... 60
2.4.1 Problématique ....................................................................................................... 60
2.4.1.1 Modélisation en vue d’un dimensionnement optimal .................................... 61
2.4.1.2 Cahier de charges et outils d’optimisation ..................................................... 61
2.4.1.3 Algorithmes d'optimisation pour la conception des systèmes hybrides......... 62
2.4.1.4 Méthodologie de pré-dimensionnement d’IFTEH ......................................... 63
2.4.2 Modélisation quasi-statique des éléments de stockage et des sources de
production d'une IFTEH ......................................................................................................... 65
2.4.2.1 Profils de consommation énergétique des sous-stations ferroviaires ............ 65
2.4.2.2 Modèle de pré-dimensionnement de la production photovoltaïque ............... 66
2.4.2.3 Modèle de pré-dimensionnement de la production éolienne ......................... 66
2.4.2.4 Modèle de pré-dimensionnement du système de stockage ............................ 67
2.4.2.5 Relations économiques et description de la fonction objectif........................ 68
2.4.2.6 Formulation du problème de gestion énergétique et description des
contraintes 69
2.4.2.7 Choix de l'algorithme d'optimisation ............................................................. 69
2.4.3 Application de la méthodologie sur un cas d'étude .............................................. 70
2.4.3.1 Formulation du problème d’optimisation ...................................................... 70
2.4.3.2 Données d’entrée............................................................................................ 71
2.4.3.3 Scénarios d'optimisation et analyse des résultats ........................................... 73

5
2.4.3.4 Stratégie d'optimisation prévisionnelle .......................................................... 75
2.5 Conclusion ................................................................................................................ 76
3 Gestion énergétique optimale d’une sous-station ferroviaire hybride ............................ 77
3.1 Introduction .............................................................................................................. 77
3.2 Synthèse des méthodes de gestion énergétique des systèmes multi-sources ........... 77
3.2.1 Approche multicritères pour la supervision énergétique d’IFTEH ...................... 78
3.2.2 Architecture globale de l’outil de conception optimale de l’IFTEH .................... 79
3.3 Principe et construction de la supervision énergétique court terme ......................... 81
3.3.1 Détermination du cahier des charges et spécifications du système ...................... 81
3.3.2 Structure du superviseur – détermination des entrées et sorties ........................... 81
3.3.3 Représentation graphique des modes de marche basée sur la connaissance du
système 81
3.3.4 Détermination des fonctions d’appartenance........................................................ 82
3.3.5 Représentation graphique des modes de fonctionnement flous ............................ 83
3.3.6 Extraction des règles de gestion ........................................................................... 83
3.3.7 Définition des indicateurs de performance pour l’évaluation de la gestion
énergétique ............................................................................................................................. 84
3.4 Mise en œuvre de la méthodologie de gestion énergétique par logique floue sur le
cas d’application d’une IFTEH .................................................................................................. 84
3.4.1 Structure d’IFTEH étudiée ................................................................................... 84
3.4.2 Gestion énergétique d’IFTEH............................................................................... 85
3.4.2.1 Cahier des charges et spécifications du système ............................................ 85
3.4.2.2 Structure du superviseur ................................................................................ 87
3.4.2.3 Détermination des « graphes fonctionnels » .................................................. 89
3.4.2.4 Fonctions d’appartenance .............................................................................. 94
3.4.2.5 Détermination des « graphes opérationnels » ................................................ 95
3.4.2.6 Règles floues nécessaires pour la gestion énergétique d’IFTEH ................. 100
3.4.3 Simulation et analyse des résultats de gestion énergétique d’IFTEH................. 101
3.4.3.1 Modèles et profils d’entrée .......................................................................... 102
3.4.3.2 Comparaison des différents cas de gestion énergétique............................... 104
3.4.3.3 Evaluation de la gestion énergétique par les indicateurs de performance ... 107
3.5 Optimisation de la gestion énergétique de l’IFTEH ............................................... 109
3.5.1 Formulation du problématique d’optimisation ................................................... 109
3.5.2 Méthodologie mise en place pour l’optimisation des paramètres du superviseur
énergétique ........................................................................................................................... 111
3.5.2.1 Analyse de sensibilité par le plan d’expérience ........................................... 113