Academic literature on the topic 'Steinmetz compensator'

In France, high-speed railway lines are powered by a 2 × 25 kV/50 Hz electrification system. The substations include two single-phase transformers connected to the high-voltage electrical transmission network on different pairs of phases according to a so-called “V-connection scheme”. In practice, due to the large variations in the power absorbed by the trains, this connection does not make it possible to satisfactorily limit the unbalance in the three-phase voltages. In order to correctly size a balancing system to be associated with the substation, it is necessary to calculate, with precision, the voltage unbalance factor as a function of the power drawn by the trains. In its first part, this paper presents modelling of the substation and proposes an algorithm which allows for the calculation of the upstream line voltage as a function of the power consumption at the secondary of the transformers. The voltage unbalance factor can then be determined over a long period of operation. In the second part of this paper, the same approach is applied with an unbalance-compensator based on Steinmetz circuits controlled by AC choppers. Finally, in both cases, the results of the calculations are validated by simulations performed with PLECS simulation software.

Current unbanlance is one of the three-phase traction substation power quality problems. Through comparative analysis of commonly used unbalanced control methods for electrification railway, it can be seen that Steinmetz compensation theory is the effective solution for electrification railway unbalance.But the Steinmetz compensation capacity is large. If compensation target is limited in the unbalanced degree within the scope of the national standard, the compensation capacity can be greatly reduced. Through the optimization of the compensation measures and MATLAB simulation verification, the results have been showed that the optimizing compensation measures can greatly reduce the compensation capacity for meeting the national unbalanced degree standard.

Pour accroitre le trafic ferroviaire, la qualité de l’alimentation en énergie électrique est primordiale. Il est nécessaire de garantir d’une part, un niveau de tension satisfaisant pour le bon fonctionnement des engins de traction et d’autre part un prélèvement d’énergie au réseau amont de transport d’électricité satisfaisant les normes de qualités. Pour les lignes électrifiées en 25kV/50Hz, l’augmentation de la puissance consommée ne peut être tolérée par le fournisseur d’énergie électrique qu’à condition que le déséquilibre des tensions, dû au raccordement de la sous-station entre deux phases, soit minime. Pour satisfaire cette contrainte et relever le défi de l’augmentation du trafic sur ses lignes, SNCF-Réseau doit faire appel à des solutions électroniques de puissance.Les systèmes de compensation actuellement utilisés par SNCF-Réseau sont basés sur des onduleurs de tension triphasés. Ceux-ci présentent des pertes élevées et leur maintenance est délicate. C'est dans ce contexte qu’une nouvelle topologie modulaire à faibles pertes a été proposée en 2016 dans le cadre d’un projet ANR porté par le LAPLACE et associant les partenaires industriels SCLE et CIRTEM. Celle-ci est basée sur un circuit de compensation de Steinmetz contrôlée par des gradateurs MLI.Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet « High Voltage Balancing System » (HVBS), financé par le programme France 2030 opéré par l’ADEME. L’objectif de ce projet, débuté en 2019, est le dimensionnement, le développement et la réalisation industrielle d’une nouvelle topologie de compensateur de déséquilibre dédiée aux sous-stations ferroviaires 25kV/50Hz.Cette thèse présente tout d’abord les perspectives d’évolution du trafic ferroviaire puis dresse un l'état de l'art des topologies de compensateurs de déséquilibre. Par la suite, une étude comparative, considérant les pertes dans les semi-conducteurs et les énergies stockées dans les éléments réactifs permet de mettre en avant l'intérêt de la nouvelle solution proposée.Deux outils de dimensionnement, considérant les puissances consommées par les sous-stations, sont ensuite présentés. L’un est dédié aux sous-stations monophasées classiques, l’autre concerne les sous-stations à schéma en « V », utilisées principalement pour l’alimentation des lignes à grande vitesse.Afin de préparer l’installation du compensateur sur le réseau de transport d’électricité, une analyse harmonique du courant absorbé par la sous-station doit être réalisée. Celle-ci est ensuite exploitée dans un modèle de simulation qui permet de vérifier qu’il n’y a pas d’interactions entre le réseau haute tension triphasé, le système de compensation et la sous-station. Ceci démontre la robustesse du compensateur et de son contrôle vis-à-vis des perturbations harmoniques générées par les trains.Enfin, la dernière partie de cette thèse est dédiée à la réalisation et au test d'une branche expérimentale connectée au réseau 20kV et comprenant 54 gradateurs MLI connectés en série. Les résultats expérimentaux obtenus sur la plateforme d’essais de la société SCLE, sont présentés. Ils valident le bon fonctionnement de la solution développée et ouvrent la voie à son installation dans une des sous-stations critiques du réseau ferré national
To increase railway traffic, the quality of the electrical power supply is crucial. On the one hand, it is necessary to guarantee a satisfactory voltage level for the proper operation of traction units and, on the other hand, to ensure that the energy drawn from the upstream electricity transmission network meets quality standards. For 25kV/50Hz electrified lines, the increase in power consumption can only be tolerated by the power supplier if the voltage unbalance, due to the substation connection between two phases, is minimal. To meet this constraint and to meet the challenge of increasing traffic on its lines, SNCF-Réseau has to rely on power electronics solutions.The balancing systems currently used by SNCF-Réseau are based on three-phase voltage inverters. These systems have high losses, and their maintenance is complex. It is against this background that a new low-loss modular topology was proposed in 2016 as part of an ANR project led by LAPLACE and involving industrial partners SCLE and CIRTEM. This solution is based on a Steinmetz compensation circuit controlled by PWM AC choppers.This thesis was carried out as part of the “High Voltage Balancing System” (HVBS) project, funded by the France 2030 program operated by ADEME. The aim of this project, which began in 2019, is the design, development, and industrial realisation of a new unbalance compensator topology dedicated to 25kV/50Hz railway substations.This thesis first presents the future prospects for railway traffic, followed by a state-of-the-art review of unbalance balancing topologies. Subsequently, a comparative study, considering semiconductors losses and the reactive elements stored energies, highlights the advantages of the proposed new solution.Two design tools, considering the power consumed by the substations, are then presented. One is dedicated to conventional single-phase substations, while the other concerns "V" scheme substations, mainly used for the power supply of high-speed lines.To prepare for the installation of the compensator on the power transmission network, a harmonic analysis of the current absorbed by the substation must be carried out. This is then used in a simulation model to check that there are no interactions between the three-phase high-voltage network, the compensation system, and the substation. This demonstrates the robustness of the compensator and its control against harmonic disturbances generated by the trains.Finally, the last part of this thesis is dedicated to the realisation and testing of an experimental branch connected to the 20kV network and comprising 54 PWM AC choppers connected in series. The experimental results obtained on SCLE's test platform are presented. They validate the proper operation of the developed solution and pave the way for its installation in one of the critical substations of the national railway network

Ce travail est le résultat d'une collaboration entre le laboratoire LAPLACE, la "Seconda Università degli Studi di Napoli" (SUN) et la Société National des Chemins de fer Français SNCF. Le sujet de recherche concerne l'utilisation de dispositifs électroniques de puissance dans les sous stations ferroviaires 25kV/50Hz afin d’améliorer la qualité de l'énergie électrique. Dans le transport ferroviaire, le système d'électrification monophasé 25kV/50Hz est largement diffusé en particulier pour les lignes ferroviaires à grande vitesse. Bien qu'aujourd'hui les systèmes d’alimentation en courant continu soient encore largement utilisés, l'adoption du courant alternatif monophasé offre des avantages économiques pour les infrastructures d'environ 30% en termes d'investissement, d'exploitation et d'entretien. Initialement, compte tenu de la simplicité du circuit, il n'y avait aucune nécessité d'intégrer de l'électronique de puissance dans les sous stations. Toutefois, au cours de la décennie passée, l'intérêt pour ces équipements est apparu car ils peuvent apporter une solution d'optimisation du réseau lorsque le trafic augmente ou lorsqu’une nouvelle sous station est envisagée. Deux principaux types de dispositifs sont installés aujourd'hui sur le réseau ferré français : les compensateurs de puissance réactive et les compensateurs de déséquilibre de tension. Cette thèse présente de nouvelles topologies de compensateurs basées sur le concept d’impédances contrôlées par gradateur MLI. Comparées aux solutions existantes, ces topologies ont des caractéristiques particulièrement intéressantes en termes de pertes dans les semi-conducteurs et de volume des composants réactifs. Le manuscrit contient trois parties principales: La première partie présente le principe de l’électrification en 25kV/50Hz et souligne l’intérêt d’installer des moyens de compensation statique dans les sous stations. Après une description des solutions actuellement utilisées, le concept d’impédance contrôlée par gradateur MLI (CCI : Chopper Controlled Impedance ) est ensuite présenté. La deuxième partie du travail concerne l'utilisation du concept de CCI pour la compensation de puissance réactive. La sous-station SNCF de Revest est considérée comme cas d’étude. Celle-ci est équipée d'un transformateur monophasé de 60MVA dont le primaire est connecté à une ligne de transport 225kV. Deux topologies de compensateur de puissance réactive, basées sur des montages abaisseur ou élévateur de tension sont présentées. Le dimensionnement des gradateurs est effectué sur la base d'une campagne de mesures réalisée à la sous station. Des simulations numériques utilisant des formes d’ondes réelles de courant et de tension sont présentées. Des résultats expérimentaux effectués à la plateforme de test de la SNCF sur un prototype de 1,2MVAR permettent de valider le concept de CCI. La dernière partie du travail concerne le problème du déséquilibre de tension en amont de la sous station. Un circuit de Steinmetz « actif », toujours basée sur des gradateurs MLI, est présenté et étudié. La sous station SNCF d'Evron est alors considérée comme cas étude. Celle-ci comporte un transformateur de 32MVA et est connectée à une ligne de transmission 90kV. Les mesures effectuées sur le site permettent le dimensionnement du compensateur ainsi que l’utilisation des formes d'onde réelles de courant et de tension dans les simulations numériques. Une comparaison avec des solutions classiques basées sur des onduleurs 2 niveaux et 3 niveaux souligne les avantages de la solution proposée. Ainsi, les résultats des calculs et des simulations montrent que l'énergie stockée dans les éléments réactifs est réduite d’un facteur six et que les pertes dans les semi-conducteurs sont réduites de 40%. Des résultats expérimentaux obtenus sur une maquette de 1.5 kVA permettent de valider le principe du circuit de Steinmetz actif
This work is the result of collaboration between the LAPLACE laboratory, the “Seconda Università degli Studi di Napoli” (SUN) and the French national railways operator SNCF. The research topic treated herein concerns the use of power electronic devices in 25kV/50Hz railways substations to achieve power quality improvements. In railway transportation, single-phase 25kV-50Hz electrification system is widely diffused especially for high-speed railway applications. Although electrified DC systems are still widely applied, the adoption of AC single-phase system offers economical advantages for the infrastructures of about 30% in terms of investment, exploitation and maintenance. In early ages, due to its very simple diagram, there was no necessity to integrate power electronics in substations. However, for the last decade, the interest in power electronic equipments raised since they can provide the solution for network optimization when traffic increases or when a difficulty is foreseen for a substation implementation. Two types of devices are implemented today on the French Railway Network: Reactive Power compensators and Voltage Unbalance compensators. This thesis presents an investigation into new topologies based on the concept of “Chopper Controlled Impedances”(CCI). Compared to existing solutions, the new topologies show interesting features in terms of semi-conductor losses reduction and volume of reactive components. The manuscript is developed through three main parts: Firstly, the French railways system is introduced and the interest in installing power electronic compensators in substations is highlighted. After a brief description of currently used solutions, the CCI concept is presented: the use of Pulse Width Modulated AC Choppers allows achieving structures which behave as variable impedances. In the second part, the use of CCI structures in reactive power compensation is investigated. The SNCF substation of Revest is under study. It is equipped by a 60MVA single phase transformer with the primary side connected to a 225kV transmission line. Based on the step-down or step-up functioning mode of CCIs, two topologies of reactive power compensator are presented. The converter design is developed on the base of a measurement campaign carried out at the substation. Numerical simulations using real current and voltage waveforms are presented. Finally, experimental results carried out at the SNCF test platform on a 1.2MVAR prototype are shown. In the last part, the problem of voltage unbalance is treated. Using the concept of CCI, the feasibility of an active Steinmetz circuit based on AC choppers is explored. As a case study, the substation of Evron is considered. It is a 32MVA substation connected to a 90kV transmission line. Measurements carried out on the substation site allow the compensator design and the possibility to consider real waveforms for current and voltage in numerical simulations. A comparison with classical solution based on two levels VSI and three levels NPC-VSI highlights the advantages of the proposed solution. Calculation and simulation results show that the stored energy in reactive elements is reduced by a factor six whereas the semiconductor losses are 40% lower. Experimental results obtained on a scaled demonstrator (1.5 kVA) validate the principle of the active Steinmetz circuit