NNT : 2016SACLC026 THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY PREPAREE A CENTRALESUPELEC ECOLE DOCTORALE N° 575 Electrical, optical, bio-physics and engineering (Physique et ingénierie : Electrons, Photons, Sciences du vivant) Spécialité de doctorat (Génie électrique) Par Mme Sarah NASR Optimisation d’un réseau ferroviaire à l’aide de solutions smart-grids Thèse présentée et soutenue à Gif-sur-Yvette, le 23 mars 2016 : Composition du Jury : Mr. Demba DIALLO Professeur, Université Paris-sud Président Mr. Bruno FRANCOIS Professeur, Ecole Centrale de Lille Rapporteur Mr. Luc LORON Professeur, Polytech Nantes Rapporteur Mr. Pierre LEFRANC Maître de conférences, INP Grenoble Examinateur Mme Florence OSSART Professeur, UPMC University Pierre et Marie Curie-Paris 6 Examinatrice Mr. Marc PETIT Professeur adjoint, CentraleSupélec Co -encadrant Mr. Marius IORDACHE Expert, Alstom Transport Co-encadrant Mr. Olivier LANGLOIS Expert, Alstom Transport Invité Titre : Optimisation d’un réseau ferroviaire à l’aide de solutions smart-grids Mots clés : efficacité énergétique, ferroviaire, freinage électrique, grille-horaire, DC micro- grid Résumé : L'amélioration de l'efficacité Le micro-grid est relié au réseau par un énergétique est devenue aujourd'hui une onduleur réversible AC/DC de faible nécessité dans tous les domaines puissance. L'ensemble est géré localement techniques. La réduction de la par un système gestion de puissance. Une consommation, et donc du bilan carbone, évaluation énergétique montre que cette est placée parmi les priorités mondiales tel solution est intéressante lorsqu’un que le paquet énergie-climat 2020 de investissement, station de charge, est l'Union Européenne. Les systèmes nécessaire pour charger les bus. En plus, ferroviaires font partie des plus grands dans le cas du DC micro-grid, aucun consommateurs d'énergie. Des solutions contrat avec le fournisseur d’électricité n’est électriques sont développées pour réduire nécessaire. La stabilité du système est les pertes dans ces systèmes, optimiser la aussi étudiée et une commande de consommation et donc réduire la facture stabilisation, le backstepping, est énergétique globale. Étant donné la appliquée. Ce nouveau concept d’une diversité de ces systèmes, deux catégories future station intelligente permettra au principales sont considérées. La première système ferroviaire de communiquer avec regroupe les lignes urbaines caractérisées son environnement qui est en pleine par une électrification en mode DC et un évolution. La deuxième catégorie est trafic relativement dense. Dans ce cas, constituée par les lignes régionales et les l'énergie de freinage brûlée dans les lignes à grandes vitesses fonctionnant en rhéostats des trains constitue une perte mode AC. Contrairement au cas précédent, considérable. La solution proposée l’excès d’énergie de freinage est renvoyé à consiste à récupérer cette énergie à l'aide travers les sous-stations d’alimentation. Par d'un DC micro-grid installé dans une station conséquence, une deuxième solution passager. Elle permettra une interaction propose la réduction de la consommation avec son environnement non-ferroviaire totale par l’optimisation du profile de vitesse comme par exemple réutiliser cette énergie de chaque train et la synchronisation de la pour charger des bus électriques hybrides grille horaire. Ceci est réalisé à l’aide d’un stationnant à proximité. Ce micro-grid algorithme d’évolution différentielle. contient un premier convertisseur DC/DC Chaque profil de vitesse est découpé en qui récupère l’excès d'énergie de freinage zones auxquelles sont attribuées des d'un train et l'injecte dans un DC busbar. paramètres de conduite. L'optimisation de Un deuxième convertisseur DC/DC va ces derniers permet de générer un ensuite la stocker dans un système de nouveau profile de conduite optimal. Les stockage hybride pour que le bus électrique résultats montrent la possibilité de faire des puisse se charger une fois branché au DC économies d’énergie tout en respectant la busbar. ponctualité des trains. 2 | P a g e Title : Optimization of railway network using smart-grid solutions Keywords : energy efficiency, railway, electric braking, timetable, DC micro-grid Abstract : Increasing energy efficiency is The micro-grid is also connected to the grid nowadays a requirement in all technical using a low power AC/DC converter. A fields. The reduction of global power management system ensures consumption, thus carbon footprint, has optimizing power flow between different become the world's priority, as for components. An energy evaluation showed example, the climate and energy package that this solution is a good Investment of the European Union. Railways' share of especially because no contract is needed energy consumption is one of the highest. with the energy provider. The system's Electrical solutions are developed in order stability is studied and a stabilizing to reduce these systems' losses, optimize command, the backstepping, is applied. their consumption and reduce global This new smart station allows railways to energy bill. Given their diversity, two main communicate, energetically, with its categories are considered in this study. evolving environment. The second The first one consists of urban lines that category is suburban and high speed lines are characterized by a DC electrification that are AC electrified. Contrarily to the and a relatively dense traffic. In this case, previous case, braking energy is reinjected braking energy burned in trains' rheostats to the upper grid through substations. represents the main share of losses. The Therefore, a second solution is to reduce proposed solution is to recuperate this global energy consumption by optimizing energy using a DC micro-grid implemented trains' speed profiles and timetable's in a passengers' station. It allows an synchronization. It is done using a interaction with the non-railway electrical differential evolution algorithm. Each speed environment, for example, re-using this profile is divided into zones to which are energy in charging electric hybrid buses associated driving parameters. The parked nearby. The excess of braking optimization of the latter allowed energy is recuperated using a DC/DC generating new optimal speed profiles and converter and injected into a DC busbar. A a less-consuming timetable. Simulation second DC/DC converter will store it in a results showed that it is possible to make hybrid storage system. It will then serve to important energy savings while respecting charge the buses connected to the DC train's punctuality. busbar. 3 | P a g e REMERCIEMENT Maintenant que cette aventure est achevée, je tiens à remercier des personnes sans lesquels je n’aurais pas pu y arriver car malgré le fait qu’une thèse de doctorat est préparée par une personne, c’est tout un groupe qui est derrière. D’abord, côté professionnel, je remercie mon encadrant Marius IORDACHE qui m’a donné l’opportunité de développer mes compétences au sein d’Alstom Transport et de vivre une expérience unique en participant à plusieurs projets européens. Ensuite, je remercie mes collègues Olivier LANGLOIS, Julien ROQUES, Laurent NOTTE et Tao LIU qui sont devenus rapidement des amis et étaient un vrai support pour moi. Leur expérience ainsi que leur humour constituaient un package qui me motivait à aller travailler à Saint-Ouen, malgré les 3 heures de route, au lieu d’aller au laboratoire. Ensuite, côté laboratoire, je remercie aussi mon encadrant Marc PETIT et les autres professeurs : Mr. Amir ARZANDE pour avoir été toujours à l’écoute et prêt à m’aider et Mr. Charif KARIMI pour son support technique. Je remercie aussi mes camarades, surtout Jad TAKI, pour la belle ambiance. Je remercie aussi tous les professeurs et les doctorants des autres départements qui m’ont aidé avec leurs compétences multiples et variées. Je remercie surtout ma famille, mon père Riad, ma mère Siham et mon frère Jad qui m’ont accompagné pendant cette période et ont été des murs porteurs. Enfin, un très grand « MERCI » à mon mari, Samer, qui est toujours à mon côté dans toutes les épreuves. C’est surtout grâce à lui que j’ai pu résister jusqu’à la fin. Il est ma source de patience, mon inspiration et mon courage. 4 | P a g e Pour mon pays LIBAN…pour qu’un jour on retrouve la même voie… 5 | P a g e FRENCH ABSTRACT 6 | P a g e Introduction De nos jours, le monde fait face à des enjeux écologiques et économiques majeurs. La réduction de la pollution ainsi que l’optimisation de la consommation des ressources énergétiques épuisables s’avèrent une urgence. Etant donné que les systèmes ferroviaires font partie des plus grands consommateurs d’énergie, leur optimisation demeure pertinente. De point de vue émission du CO2 en Europe, la part du ferroviaire est négligeable par rapport aux autres moyens de transport tel que l’aérien et le routier. Ceci peut être expliqué par le fait qu’aujourd’hui la plupart des lignes sont électrifiées. Cependant, la production de l’énergie électrique consommée par le ferroviaire est souvent polluante (exemple : charbon, fuel..) et les sources renouvelables ne constituent qu’une petite partie. D’où l’importance d’améliorer l’efficacité de ces systèmes. Dans ce contexte, l’Union Européenne a adopté en 2007 le plan 20-20-20 qui vise d’ici 2020 d’atteindre : 20% de réduction des émissions de gaz à effet de serre par rapport à l’année 1990 20% d’augmentation de la part des énergies renouvelables 20% d’augmentation de l’efficacité énergétique globale Par conséquence, l’UE a lancé depuis 2007 plusieurs projets européens pour améliorer les différents secteurs dont le ferroviaire. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de deux projets européens : d’une part, OSIRIS pour les réseaux ferroviaires urbains, d’autre part, MERLIN pour les lignes à grande vitesse. Les deux ont pour objectif commun la proposition de nouvelles solutions technologiques, pour l’amélioration de l’efficacité énergétique de ces systèmes. Ce rapport est donc divisé en trois parties principales.