• Langue : Anglais
• Discipline : Génie électrique
• Identifiant : 2025ULILN044
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 15/12/2025

Résumé en langue originale

L'augmentation du trafic ferroviaire et des coûts de l'énergie, incitent SNCF Réseau à améliorer la performance de ses sous-stations (SST). Alors que les SST en courant alternatif (AC) couvrent les grandes lignes, les SST en courant continu (DC) représentent encore une part importante du réseau ferré national. En cas de fort trafic, leur tension relativement basse (1500V) peut être une limitation. Le projet RACCOR-D, étape vers des réseaux DC de tension supérieure, vise à moderniser les SST en intégrant des systèmes photovoltaïques (PV), de stockage d'énergie (ESS) et une supervision énergétique associée (EMS).Le développement de cette supervision soulève plusieurs défis scientifiques et techniques, pour coordonner de façon optimale ESS et PV, dans un environnement contraint par la variabilité de la charge ferroviaire et les incertitudes de prévision. L'efficacité de l'EMS dépend ainsi de sa capacité à anticiper les besoins énergétiques, à planifier l'utilisation de l'ESS et à réagir en temps réel aux fluctuations de puissances, tout en garantissant le maintien de la tension DC et la minimisation des coûts. Ces exigences sont particulièrement complexes dans les réseaux ferroviaires DC, où les dynamiques rapides des trains et les limitations de tension nécessitent des stratégies de supervision robustes et adaptatives.L'objectif de cette thèse est de développer un superviseur énergétique dédié au réseau ferroviaire DC, visant à optimiser la gestion de l'ESS dans la première architecture du projet RACCOR-D (PV et ESS connectés en SST au bus DC). Cette supervision énergétique vise à améliorer les performances énergétique et économique de la SST, tout en respectant les contraintes techniques propres au réseau ferroviaire DC. Elle agit sur un unique levier : la puissance de référence de l'ESS. Le superviseur énergétique est structuré en deux niveaux temporels :• Long terme : EMS de type “J-1” basé sur une optimisation non linéaire, qui détermine la planification optimale de l'ESS pour le lendemain, en s'appuyant sur les prévisions de consommation de puissance de la SST et sur les objectifs économiques, notamment l'optimisation de l'utilisation de l'ESS (selon la variabilité du tarif d'utilisation du réseau de transport d'électricité, et la diminution des coûts des pénalités liés au dépassement de la puissance souscrite).• Court terme : fondé sur une supervision en temps réel à base de logique floue (LF), qui ajuste dynamiquement la consigne de puissance de l'ESS, à partir de mesures instantanées (tension DC, état de charge de l'ESS, puissance réseau, etc.) et de la planification “J-1”. Ce second niveau compense les écarts dus aux erreurs de prévision et aux aléas, en respectant les contraintes techniques et les objectifs économiques.Une 2de architecture est ensuite étudiée, qui intègre le PV et l'ESS au Point de Mise en Parallèle (PMP) entre deux SST. Cette partie aborde le problème de chute de tension au niveau de la catenaire et du train (pantographe), observée dans les réseaux ferroviaires DC. Une méthode de supervision en temps réel basée sur la LF est proposée pour superviser l'ESS, qui limite ces baisses de tension, et les maintient dans des limites opérationnelles. Cette architecture ouvre des perspectives pour le réseau ferroviaire DC, notamment en termes de réduction des chutes de tension, d'augmentation du trafic et d'optimisation de l'espacement entre les SST.Le superviseur est validé expérimentalement en simulation temps réel, démontrant sa réactivité dans des conditions d'exploitation réalistes (consommation de puissance de la SST échantillonnée à 1s). Pour préparer son déploiement en conditions réelles, une architecture industrielle de type SCADA est développée, garantissant une communication fiable entre le superviseur et les composants du réseau ferroviaire intelligent. Cette étape est le socle de l'implantation du superviseur sur PC industriel et de son intégration au démonstrateur de SST ferroviaire DC.

Résumé traduit

The increase in railway traffic and rising energy costs is driving SNCF Réseau to improve the performance of its substations (SSTs). While alternating current (AC) substations supply the main railway lines, direct current (DC) substations still account for a significant portion of the national rail network. Under heavy traffic conditions, their relatively low voltage (1500 V) can become a limiting factor. The RACCOR-D project, a step towards higher-voltage DC networks, aims to modernize these substations by integrating photovoltaic (PV) systems, energy storage systems (ESS), and an associated energy supervision system.The development of this supervision system raises several scientific and technical challenges related to the optimal coordination of ESS and PV in an environment constrained by the variability of railway loads and forecasting uncertainties. The proposed supervision effectiveness depends on its ability to anticipate energy needs, plan ESS usage, and react in real time to power fluctuations, while ensuring DC voltage stability and cost minimization. These requirements are particularly challenging in DC railway networks, where the rapid dynamics of trains and voltage limitations demand robust and adaptive supervisory strategies.The objective of this thesis is to develop an energy supervisor dedicated to DC railway networks, aimed at optimizing ESS management within the first architecture of the RACCOR-D project (PV and ESS connected to the DC bus of the substation). This energy supervision system seeks to improve the energy and economic performance of the substation while respecting the technical constraints specific to DC railway networks. It acts on a single control variable: the reference power of the ESS. The energy supervisor is structured around two temporal levels:• Long-term level: A day-ahead EMS based on nonlinear optimization, which determines the optimal ESS schedule for the following day. It relies on power consumption forecasts of the substation and economic objectives, notably optimizing ESS use according to electricity transmission tariff variability and reducing costs associated with exceeding the subscribed power.• Short-term level: A real-time supervision system based on fuzzy logic (FL), which dynamically adjusts the ESS power reference using instantaneous measurements (DC voltage, ESS state of charge, grid power, etc.) and the day ahead schedule. This second level compensates for deviations caused by forecast errors and unforeseen events, while ensuring compliance with technical constraints and economic objectives.A 2nd architecture is then investigated, integrating PV and ESS at the Parallel Connection Point (PMP) between two substations. This part addresses the issue of voltage drops occurring along the catenary and at the train's pantograph, as observed in DC railway networks. A real-time fuzzy logic-based supervision method is proposed to control the ESS, limiting these voltage drops and maintaining them within operational boundaries. This architecture opens new perspectives for DC railway networks, particularly in terms of reducing voltage drops, increasing traffic capacity, and optimizing the spacing between substations.The supervisor is experimentally validated through real-time simulation, demonstrating its responsiveness under realistic operating conditions (substation power consumption sampled at 1 s). To prepare for real-world deployment, an industrial SCADA-type architecture has been developed, ensuring reliable communication between the supervisor and the components of the intelligent railway network. This stage forms the foundation for implementing the supervisor on an industrial PC and integrating it into the DC railway substation demonstrator.