FR2970442A1

FR2970442A1 - Regulation de tension dans un engin ferroviaire hybride

Info

Publication number: FR2970442A1
Application number: FR1150290A
Authority: FR
Inventors: Yannick Evain; Frederic Bechade; Michel Bouesseau
Original assignee: SNCF Mobilites
Current assignee: SNCF Voyageurs SA
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-20
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: WO2012095595A3; EP2663465A2; WO2012095595A2; FR2970442B1

Abstract

Engin ferroviaire (2) comprenant une pluralité de sources (6,8,10) d'énergie électrique embarquées et raccordées par un bus de tension (14), ledit engin comprenant en outre des moyens de régulation de la tension du bus (14), caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent au moins un supercondensateur (10) raccordé au bus de tension (14), ledit supercondensateur (10) faisant partie de la pluralité de sources.

Description

i Régulation de tension dans un engin ferroviaire hybride La présente invention concerne un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie électrique embarquées et raccordées par un bus de tension. Elle concerne également un procédé de régulation de la tension du bus de tension. L'invention s'intéresse plus particulièrement au domaine du transport ferroviaire, notamment au domaine des engins ferroviaires hybrides. Actuellement, deux architectures principales d'engins ferroviaires sont exploitées en Europe. La première architecture repose sur des locomotives électriques et la deuxième architecture repose sur des locomotives diesel. A bord des locomotives électriques, l'énergie est distribuée par prélèvement sur une caténaire à travers des pantographes, des transformateurs (dans le cas de réseaux alternatifs) et des convertisseurs. Sur une locomotive diesel, l'énergie est produite sur place par un générateur associé à un moteur thermique. Les deux architectures ont une partie commune constituée de moteurs de traction et d'auxiliaires. D'une part, l'hybridation des locomotives diesel favorise une économie de carburant résultant en une réduction des émissions nocives et des nuisances sonores. D'autre part, pour une locomotive électrique, l'hybridation par du stockage d'électricité en local permet le lissage de la consommation sur la caténaire et une meilleure qualité du réseau de distribution de l'énergie. Un engin ferroviaire hybride comprend conventionnellement une pluralité de sources et de consommateurs d'énergie électrique embarqués et raccordés par un bus de tension. Les sources d'énergie électrique comprennent généralement un groupe électrogène et/ou une pile à combustible et/ou une alimentation électrique externe, de type caténaire, et/ou un supercondensateur et/ou une batterie et/ou un volant d'inertie. Le bus de tension raccordant les sources d'énergie électrique est généralement défini dans une plage de tension de fonctionnement. En dehors de cette plage de tension, le fonctionnement et la sécurité des sources raccordées au bus ne peuvent être garantis. Il est donc primordial d'assurer la stabilité de la tension du bus en assurant une régulation de cette tension afin d'éviter les

surtensions et les sous-tensions. Ce problème est accentué par le fait que les engins ferroviaires sont fréquemment utilisés pour des missions à arrêts multiples et fréquents, par exemple des missions de triage ou de desserte locale et urbaine. Lors de ces utilisations, des surtensions et des sous-tensions peuvent apparaître pendant la connexion et/ou la déconnexion d'au moins un consommateur alors que les sources d'énergie alimentent le bus de tension appelées transitoires de fonctionnement de l'engin. Il importe de limiter l'apparition de ces surtensions et sous-tensions.

Une solution conventionnelle, pour limiter les surtensions, consiste à raccorder un consommateur au bus. Ce consommateur se présente souvent sous la forme d'un bloc résistif à perte par effet joule. Cette solution n'est cependant pas optimale en raison de la dissipation d'énergie électrique sous forme de chaleur.

La présente invention vise à améliorer la situation. A cet effet, l'invention concerne d'abord un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie électrique embarquées et raccordées par un bus de tension, ledit engin comprenant en outre des moyens de régulation de la tension du bus, caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent au moins un supercondensateur raccordé au bus de tension, ledit supercondensateur faisant partie de la pluralité de sources. L'utilisation d'un ou de plusieurs supercondensateur(s) raccordé(s) au bus de tension et utilisé(s) comme source(s) d'énergie électrique pour réguler la tension du bus permet de minimiser les pertes d'énergie lors des phases de limitation des surtensions. Elle permet également de restituer l'énergie absorbée pendant les surtensions lors des sous-tensions. En outre, l'utilisation de supercondensateurs raccordés au bus de tension a un effet très stabilisant car elle génère très peu d'ondulations et/ou de résonance. Par ailleurs, le temps de cycle de charge et de décharge d'un supercondensateur rend ce dernier particulièrement adapté à la régulation de la tension sur le bus. Avantageusement, les moyens de régulation comprennent un dispositif de correction de la tension du bus.

Ce dispositif de correction comprend notamment un premier correcteur proportionnel intégral. Un tel correcteur permet en effet une grande précision de la régulation. De préférence, le premier correcteur proportionnel intégral permet d'imposer une tension du bus satisfaisant à la réalisation de l'équilibre des courants entrant et sortant du bus étant donné que la somme de ces courants doit être nulle (loi des noeuds ou loi de Kirchhoff). La tension de consigne du bus ainsi déterminée est assignée au supercondensateur. Avantageusement, les moyens de régulation comprennent également des 10 moyens de commande du niveau de charge du supercondensateur. Le niveau ou taux de charge d'un supercondensateur est défini comme étant le pourcentage de la charge courante par rapport à la charge maximale prévue dans le supercondensateur. La commande de ce niveau de charge permet de garantir que le supercondensateur peut à tout moment fournir ou absorber du 15 courant du bus de tension. De préférence, les moyens de commande du niveau de charge du supercondensateur comprennent un deuxième correcteur proportionnel intégral, notamment distinct du premier correcteur proportionnel intégral. Selon une réalisation préférée, le deuxième correcteur proportionnel intégral 20 réagit de manière lente, son action se concrétisant sur des durées allant de la seconde à plusieurs dizaines de seconde. Avantageusement, la pluralité de sources d'énergie électrique embarquées comprend un groupe électrogène. Ce groupe électrogène, comprenant un moteur diesel, produit l'énergie 25 nécessaire à la traction et à l'alimentation des auxiliaires de l'engin ferroviaire. Avantageusement, la tension du bus est régulée pour être comprise entre 520 et 600 V, de préférence pour être égale à 540 V. L'invention concerne également un procédé de régulation de la tension d'un bus de tension raccordant une pluralité de sources d'énergie électrique 30 embarquées sur un engin ferroviaire, ladite pluralité de sources comprenant au moins un supercondensateur et un groupe électrogène, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :

- définition d'une consigne de courant en sortie du groupe électrogène ; - mesure du courant en sortie du groupe électrogène ; - comparaison de la consigne de courant et du courant mesuré pour obtenir une valeur d'erreur de courant; - application d'un premier correcteur proportionnel intégral à la valeur d'erreur de courant pour obtenir une consigne de tension du bus ; et - fourniture de la consigne de tension au supercondensateur. Avantageusement, ce procédé comprend les étapes de : -définition d'une consigne de niveau de charge du supercondensateur ; - mesure du niveau de charge du supercondensateur ; - comparaison de la consigne de niveau de charge et du niveau de charge mesuré pour obtenir une valeur d'erreur de niveau de charge du supercondensateur ; - application d'un deuxième correcteur proportionnel intégral à la valeur d'erreur de niveau de charge du supercondensateur pour obtenir un courant de déséquilibre; et - charge ou décharge du supercondensateur selon le signe du courant de déséquilibre. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant la structure d'un engin ferroviaire selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est un schéma illustrant les moyens de régulation de la tension du bus de tension de l'engin de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement du dispositif de correction de tension selon un mode de réalisation de l'invention ; et

- la figure 4 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement des moyens de commande du niveau de charge du supercondensateur selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre un engin ferroviaire 2 de type hybride. L'engin 2 est muni de moteurs de traction 4 pour l'entraînement de l'engin. Ces moteurs 4 consomment de l'énergie électrique produite par une pluralité de sources électriques embarquées sur l'engin 2. Ces sources embarquées produisent de l'énergie à bord de l'engin 2. Dans l'exemple de la figure 1, ces sources comprennent un groupe 1 o électrogène 6, un bloc de batteries 8 et un bloc de supercondensateurs 10. Le groupe électrogène 6 comprend notamment un moteur thermique diesel fournissant une puissance égale à 230 kW, par exemple. Il constitue la source principale de l'énergie électrique. En variante, cette source principale peut comprendre une pile à combustible, 15 ou une combinaison d'un groupe électrogène avec une pile à combustible. Le bloc de batteries 8 comprend de préférence des batteries en Ni-Cd (cadmium - nickel), ce qui permet de les charger rapidement. A titre d'exemple, le bloc de batteries 8 comprend 12 modules de 48 éléments de cellules de batteries d'une capacité de 135 Ah. 20 Le bloc de supercondensateurs 10 comprend une pluralité de supercondensateurs, par exemple 200 supercondensateurs 5000 F/2,5V connectés en série. La capacité totale du bloc de supercondensateurs est alors égale, dans cet exemple à 25 F. L'engin 2 comprend également un ensemble d'auxiliaires 12 qui 25 comprennent notamment un ventilateur des moteurs de traction 4, un compresseur d'air pour le fonctionnement des freins de l'engin 2, et un chargeur de batterie couplé à un accumulateur électrique fournissant une énergie à un circuit basse tension (72 V) de l'engin 2. L'ensemble des sources d'énergie électrique, c'est-à-dire le groupe 30 électrogène 6, le bloc de batteries 8 et le bloc de supercondensateurs 10, et des consommateurs d'énergie électrique, c'est-à-dire les moteurs de traction 4 et les

auxiliaires 12, sont raccordés entre eux par l'intermédiaire d'un bus haute tension 14, autrement appelé bus de puissance. Les sources d'énergie électrique 6, 8, 10 sont en outre raccordées à un bus CAN 16, autrement appelé bus de commande, auquel est raccordé un calculateur 18. Le calculateur 18 a pour fonction principale de répartir de manière optimale l'énergie fournie des sources d'énergie disponibles vers les consommateurs et l'énergie fournie par le groupe électrogène 6 vers le bloc de batteries 8 et le bloc de supercondensateurs 10.

De manière préférée, le calculateur 18 opère de sorte que : - le groupe électrogène 6 fournit l'énergie correspondant au régime moyen nécessaire à la mission, c'est-à-dire la composante continue de l'énergie ; - le bloc de batteries 8 fournit l'énergie relative aux sollicitations dont la durée est longue en complément du groupe électrogène 6, c'est-à-dire l'énergie aux basses fréquences ; et - le bloc de supercondensateurs 10 fournit l'énergie correspondant aux demandes de puissance de courtes durées et dont la mise en action est très rapide, c'est-à-dire l'énergie aux hautes fréquences. Dans l'engin 2, le groupe électrogène 6 n'a pas la possibilité de réguler son courant de sortie. Le courant délivré par le groupe électrogène 6 est donc directement dépendant de la tension du bus de tension 14. La présente invention vise à réguler la tension du bus de tension 14 et à contrôler ainsi le courant produit par le groupe électrogène 6. La figure 2 illustre l'utilisation du bloc de supercondensateurs 10 comme moyen de régulation du bus de tension 14, conformément à l'invention. Sur cette figure, ne sont représentés que le groupe électrogène 6, le bus de tension 14 et le bloc de supercondensateurs 10. Sur la figure 2, Ige désigne le courant délivré par le groupe électrogène 6, Iscap désigne le courant délivré ou absorbé par le bloc de supercondensateurs 10 et lx désigne le courant délivré et/ou consommé par les autres sources d'énergie et/ou consommateurs raccordés au bus de tension 14. D'après la loi des noeuds, la somme des courants Igef Iscap et lx est nulle.

En outre, le calculateur 18 commande les sources électriques afin d'avoir Ige= - IX. Ainsi, le courant Iscap moyen délivré par le bloc de supercondensateurs 10 doit rester nul sur un temps relativement long, de l'ordre de quelques minutes, afin d'éviter la charge complète des supercondensateurs ou, à l'inverse, leur décharge complète. L'objectif est de maintenir la charge des supercondensateurs à un niveau moyen constant, égal à 500/0 de la charge maximale par exemple, pour leur permettre d'absorber l'énergie des surtensions ou de restituer de l'énergie lors des baisses de tension. Le choix de la tension du bus 14, notée U14, est donc directement lié au 1 o courant que l'on souhaite en sortie du groupe électrogène 6. Le groupe électrogène 6 produit une tension comparable à celle d'un réseau alternatif triphasé de type industriel 20. Cette tension est fournie au bus de tension 14 à travers un redresseur 22, notamment non piloté, simple à mettre en oeuvre. 15 Selon un exemple de réalisation préféré, le groupe électrogène 6 délivre une tension alternative de type industrielle de 400 volts entre phases de sorte que la tension du bus 14 correspond à la tension composée 400 V redressée à double alternance, soit 540 V continu à la puissance nominale, égale à 230kW dans notre exemple. 20 Ainsi, la tension du bus 14 est régulée par le bloc de supercondensateurs 10 pour être comprise de préférence entre 520 V et 590 V et idéalement égale à 540 V à la puissance nominale. En outre, le bloc de supercondensateurs 10 est raccordé au bus 14 à travers un convertisseur statique 24 permettant le contrôle du courant de charge 25 et de décharge des supercondensateurs. Ce convertisseur statique 24 permet également d'imposer, par son fonctionnement en hacheur abaisseur ou élévateur, la tension au bus 14 selon une consigne Usons de tension qui lui est assignée. Selon une réalisation préférée de l'invention, les moyens de régulation de la tension du bus 14 comprennent un dispositif de correction mettant en oeuvre un 30 premier correcteur proportionnel intégral. Ce dispositif de correction 30 est illustré à la figure 3.

Le dispositif de correction 30 comprend des moyens de comparaison 32 d'une consigne de courant Ions et du courant Ige mesuré en sortie du groupe électrogène 6, à l'aide d'un capteur de courant par exemple. La consigne de courant en sortie du groupe électrogène Ions est préalablement définie selon le courant souhaité en sortie du groupe électrogène 6 et nécessaire pour satisfaire aux besoins de la mission à effectuer, pour la traction, l'alimentation des auxiliaires et la charge des batteries, par exemple. Les moyens de comparaison 32 délivrent en sortie une valeur d'erreur Er,ge qui est fournie au premier correcteur proportionnel intégral 34.

Le premier correcteur proportionnel intégral 34 conduit la source principale d'énergie électrique, c'est-à-dire le groupe électrogène 6 dans le mode de réalisation décrit, à son point de fonctionnement souhaité en quelques secondes, notamment en 10 secondes maximum. Le résultat obtenu en sortie du premier correcteur proportionnel intégral 34 est ensuite limité dans son amplitude à travers un écréteur 36. Le résultat obtenu alors en sortie du dispositif de correction 30 est la consigne Usons de la tension du bus 14 qui doit être fournie au bloc de supercondensateurs 10. La tension du bus 14 est ainsi imposée grâce au bloc de supercondensateurs 10. Selon une réalisation préférée de l'invention, les moyens de régulation de la tension du bus 14 comprennent également un dispositif de commande du niveau de charge du bloc de supercondensateurs 10 afin de garantir que le bloc de supercondensateurs 10 peut à tout moment fournir ou absorber du courant du bus de tension 14. La figure 4 illustre ce dispositif de commande 40. Le dispositif de commande 40 comprend des moyens de comparaison 42 d'une consigne de niveau de charge du bloc de supercondensateurs SOC1 et du niveau de charge du bloc de supercondensateurs SOC2 mesuré à partir d'une mesure de tension aux bornes du bloc de supercondensateurs 10, la charge Q et la quantité d'énergie E d'un supercondensateur étant liées à la tension U à ses bornes et à la capacité C selon les relations Q=CU et E=1/2CU2

La consigne de niveau de charge du bloc de supercondensateurs SOC1 est préalablement définie afin que le bloc de supercondensateurs 10 puisse à tout moment fournir ou absorber du courant du bus de tension 14. Cette consigne de niveau de charge est par exemple fixée à 500/0 de la charge maximale prévue dans le bloc de supercondensateurs 10. Les moyens de comparaison 42 délivrent en sortie une valeur d'erreur Ersoc, qui est fournie à un deuxième correcteur proportionnel intégral 44. Le deuxième correcteur proportionnel intégral 44 est choisi très lent afin de laisser dériver lentement la charge ou la décharge du bloc de 1 o supercondensateurs 10 sans atteindre la charge complète ou la décharge complète et sans provoquer de variations brusques de l'équilibre du bus de tension 14 sous peine de créer des surtensions indésirables. La quantité d'électricité stockée Q dans un supercondensateur répond à la loi physique décrite par la relation Q= 1 x t où 1 est le courant qui charge ou 15 décharge le supercondensateur, et t est la durée de la charge ou de la décharge. Etant donnée la valeur de la capacité C égale à 25F du bloc de supercondensateurs 10 dans notre exemple, le courant peut atteindre quelques dizaines d'ampères et le temps peut être de plusieurs secondes. Le résultat obtenu en sortie du deuxième correcteur proportionnel intégral 20 44 est ensuite limité en amplitude à travers un écréteur 46. Le résultat obtenu alors en sortie du dispositif de commande 40 est un courant de déséquilibre Ides. Le courant Ides est ajouté à la précédente équation de la loi des noeuds qui devient donc : 25 Ige + lx + 1 scap + Ides = O.

Cette équation est utilisée par le calculateur 18 qui commande les sources électriques afin d'avoir : Ige = - lx- Ides- 30 Il convient de noter que le courant de déséquilibre Ides n'est consommé ni produit par aucun bloc puisqu'il n'est introduit que dans les calculs. Ce petit déséquilibre de courant a pour conséquence de faire monter ou descendre la 2970442 io

tension du bus 14. Etant donné que la tension du bus 14 est régulée par le bloc de supercondensateurs 10 comme décrit ci-dessus, le bloc de supercondensateurs 10 fournit ou absorbe ce courant de déséquilibre Ides. Ainsi, le bloc de supercondensateurs 10 va se charger ou se décharger en fonction du 5 signe du courant de déséquilibre Ides. La régulation de la tension du bus 14 utilisant le bloc de supercondensateurs 10 et les dispositifs de correction et de commande des figures 3 et 4 permet une restitution de l'énergie absorbée pendant les surtensions lors des sous-tensions. En outre, l'utilisation des supercondensateurs 10 est très stabilisante car elle génère très peu d'ondulations ou de résonance. Bien entendu, d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. A titre d'exemple, le bloc de condensateurs décrit comprend 200 supercondensateurs 5000F/2,5 V, la capacité totale résultante étant de 25F. On peut prévoir que le bloc de supercondensateurs comprend plusieurs modules connectés en parallèle de 200 supercondensateurs 5000F/2,5 V chacun. En mettant en oeuvre 4 modules, par exemple, la capacité totale résultante est alors de 100 F. Il est également possible d'utiliser des supercondensateurs de capacité différente, par exemple 2600F ou 9000F.20

Claims

REVENDICATIONS1. Engin ferroviaire (2) comprenant une pluralité de sources (6,8,10) d'énergie électrique embarquées et raccordées par un bus de tension (14), ledit engin comprenant en outre des moyens de régulation de la tension du bus (14), caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent au moins un supercondensateur (10) raccordé au bus de tension (14), ledit supercondensateur (10) faisant partie de la pluralité de sources.
2. Engin (2) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de régulation comprennent un dispositif de correction (30) de la tension du bus (14). Zo
3. Engin (2) selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de correction (30) comprend un premier correcteur proportionnel intégral (34).
4. Engin (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens de régulation comprennent des moyens de commande (40) du niveau de charge du supercondensateur (10). 15
5. Engin (2) selon la revendication 5, dans lequel les moyens de commande (40) comprennent un deuxième correcteur proportionnel intégral (44).
6. Engin (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pluralité de sources d'énergie électrique embarquées comprend un groupe électrogène (6). 20
7. Procédé de régulation de la tension d'un bus de tension (14) raccordant une pluralité de sources (6,8,10) d'énergie électrique embarquées sur un engin ferroviaire (2), ladite pluralité de sources comprenant au moins un supercondensateur (10) et un groupe électrogène (6), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : 25 - définition d'une consigne de courant (Dons) en sortie du groupe électrogène (6); - mesure du courant (Ige) en sortie du groupe électrogène (6) ; - comparaison de la consigne de courant (I.$) et du courant mesuré (Ige) pour obtenir une valeur d'erreur de courant (Enge); 30 - application d'un premier correcteur proportionnel intégral (34) à la valeur d'erreur de courant (Enge) pour obtenir une consigne de tension du bus (U.$); et - fourniture de la consigne de tension (U.$) au supercondensateur (10).
8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre les étapes de : - définition d'une consigne de niveau de charge (SOC1) du supercondensateur (10) ; - mesure du niveau de charge (SOC2) du supercondensateur (10); s - comparaison de la consigne de niveau de charge (SOC1) et du niveau de charge mesuré (SOC2) pour obtenir une valeur d'erreur de niveau de charge (Ersoc) du supercondensateur (10); - application d'un deuxième correcteur proportionnel intégral (44) à la valeur d'erreur de niveau de charge (Ersoc) du supercondensateur (10) pour Zo obtenir un courant de déséquilibre (Ides) ; et - charge ou décharge du supercondensateur (10) selon le signe du courant de déséquilibre (Ides).