Bibliothèques pour CCHT et convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC/SM)

"Le système de convertisseur modulaire multiniveau(MMC) offre de nombreux avantages par rapport aux convertisseurs de source de tension conventionnels et dans les applications de transmission d'énergie à courant continu, de micro-réseau ou d'Énergie renouvelable. La topologie particulière de la MMC offre une grande variété de nouvelles caractéristiques, nécessitant l'utilisation d'un contrôleur sophistiqué pour les exigences de contrôle supplémentaires."

Pour cet article, nous nous sommes entretenus avec Wei Li, qui travaille actuellement dans le département AXES (Application eXpertise and Electrical Simulation) d'OPAL-RT, au sein de l'équipe qui se concentre sur les outils HVDC. Il travaille au développement d'outils de modélisation MMC (convertisseur modulaire multiniveau) pour la simulation de ce type de convertisseur et de topologie mixte.
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Interviewer (IV) : "Bonjour et merci de nous avoir accordé cet entretien. Serait-il juste de dire, Wei Li, que le CCHT et les MMC sont quelque chose que le marché veut maintenant ?"

Wei Li (WL) : "Oui, MMC (convertisseur modulaire multiniveau) est un terme technique désignant un type de convertisseurs, qu'il s'agisse de systèmes à courant alternatif vers des systèmes à courant continu ou vice versa. Normalement, nous disons qu'il s'agit d'un sous-ensemble du CCHT, qui est lui-même une sorte de lien permettant de connecter deux systèmes à courant alternatif. La MMC semble être l'avenir de la technologie CCHT. Plusieurs grands projets d'ingénierie sont actuellement en cours et utilisent la technologie MMC pour le CCHT.

IV : "Alors pourquoi le marché est-il nécessairement prêt pour cela maintenant ?"

WL: "Parce qu'elle présente plusieurs avantages techniques - les gens ont fait leurs recherches. Et maintenant, les gens utilisent ces technologies pour construire. Par rapport aux technologies précédentes, c'est un peu plus difficile, et il y a plusieurs défis à relever pour le contrôleur. Pour nos systèmes, nous fournissons des bancs de Simulation HIL (HiL) en temps réel et des bancs d'essai. La fonction principale du banc d'essai en temps réel HiL est de permettre à ces fabricants de valider leurs contrôleurs avant de les mettre en service sur le terrain. En particulier lorsqu'ils testent la haute tension, la haute puissance - c'est difficile, et ce n'est pas nécessairement ce que l'on veut au départ, de tester sur le terrain".

"Il y a cinq ans, c'était difficile, mais aujourd'hui, lorsqu'ils constatent le succès des projets CCHT en cours, ils choisissent de tester leurs contrôleurs dans nos systèmes. Cela présente plusieurs avantages pour eux : le premier est qu'ils testent à un stade plus précoce - pour le prototypage et avant même qu'il n'y ait du matériel en jeu. Deuxièmement, même si vous avez déjà construit votre contrôleur, il est coûteux, potentiellement dangereux et vous ne pouvez pas tester tous les scénarios. Vous ne pouvez pas tester volontairement des scénarios de défaillance, car vous pourriez interrompre le service ou endommager l'équipement, entre autres choses. Et vous devez savoir que votre contrôleur ou votre système de protection, par exemple, fonctionnera bien dans les pires scénarios - c'est un autre avantage de l'essai au stade du prototype".

"Nous avons déjà à notre actif plusieurs projets HVDC MMC, qui ont déjà utilisé nos modèles et simulateurs comme bancs d'essai pour le matériel. Cela fait donc plusieurs années que nous procédons ainsi, avec beaucoup de succès. Mais au fur et à mesure que la technologie évolue, les utilisateurs ont essayé d'autres technologies pour les systèmes réels. C'est pourquoi notre simulateur en temps réel doit suivre les tendances des marchés. En Chine, par exemple, l'appel d'offres pour un contrat a déjà été lancé par plusieurs fabricants, et la construction est prévue pour l'année prochaine. Avec MMC, il y a des centaines de modules empilés pour une utilisation à haute tension. Auparavant, dans un système ou un projet, tous les modules étaient identiques : soit tous les demi-ponts, soit tous les ponts complets. Aujourd'hui, ils sont mélangés pour certains avantages techniques. Il est possible que les gens aient eu des difficultés à simuler ces modules auparavant. Ils disposaient peut-être d'une solution de contournement, mais elle n'était pas simple.

"Maintenant, ce que nous faisons dans nos modèles, c'est que nous pouvons avoir des types de sous-modules mixtes : 80 % pour l'un, 20 % pour l'autre, etc. Pour reproduire ces scénarios - parce que dans le monde réel, il y aura des types mixtes - il faut pouvoir simuler le mélange et changer le ratio du mélange à volonté. Le comportement du système pendant la panne est nouveau et différent, et nous devons être en mesure de le simuler. Lors de la conception, ils testent donc différents scénarios pour voir lequel est optimal".

"Nous avons déjà cette nouvelle fonctionnalité, nous allons l'annoncer pour dire aux gens que nous pouvons le faire. Pour ces nouvelles fonctionnalités, les gens peuvent tester des modules mixtes dans un projet, et pendant la simulation, vous pouvez changer le ratio des modules dans une simulation et voir ce qui change, et valider la conception sur la base de ces changements. Au final, le contrôleur se retrouve sur un banc d'essai de Simulation HIL (HiL)".

IV : "Il semble que nous ayons déjà ce produit ou ce banc d'essai ?"

WL : "Nous disposons d'une bibliothèque appelée MMC dans eFPGASIM et HYPERSIM. Chaque boîte peut contenir des centaines de modules. Nous prenons en charge les deux plates-formes, nous utilisons du matériel et des logiciels et nous disposons désormais de bibliothèques MMC complètes. Nous savions comment nous devions procéder, mais nous disposons désormais d'un produit prêt à l'emploi - un banc d'essai - capable de prendre en charge les MMC/mixtes SM et de répondre aux progrès réalisés par le marché.

"Il s'agit donc plutôt de l'annonce d'une nouvelle fonctionnalité. Je travaille ici depuis plus de dix ans et j'ai une formation d'ingénieur électricien. Ma spécialité, ce sont les systèmes électriques, et quand je suis arrivé, nous avions l'équipe EMS (systèmes électromagnétiques) : nous nous occupions des besoins particuliers des clients en matière de modélisation des systèmes électriques, mais à l'époque, ce n'était pas spécifique à la modélisation des MMC. Au fur et à mesure que l'équipe s'est développée, chaque membre de l'équipe a commencé à être responsable de divers domaines spécifiques. C'était il y a 6 ou 7 ans. Aujourd'hui, mon équipe a rejoint AXES. Nous sommes maintenant l'équipe FACTS & HVDC".

IV : "Comment entendons-nous parler de ces nouveaux développements sur le marché, alors que le marché commence à faire des progrès technologiques ?

WL: "Tout d'abord, nous suivons de près les besoins des marchés. Nous essayons de comprendre quels sont les sujets de recherche actuels dans les universités, puis nous écrivons et lisons des articles sur ces sujets ; nous assistons à des conférences ; nous restons à l'écoute. Pour ce qui est de ce sujet particulier, il s'agit d'un sujet d'actualité. Plusieurs projets MMC sont en cours dans le monde, ainsi que de nombreux projets CCHT conventionnels. Nous sommes en contact étroit avec les services publics et les fabricants, ce qui nous permet de nous tenir au courant de l'actualité.

"Avec les industriels, nous essayons de comprendre quel est leur projet. Pour les universitaires, nous voulons voir ce qu'ils recherchent. Et nous nous projetons dans l'avenir de 5 à 10 ans, ou aussi loin que nous le pouvons. Aujourd'hui, la plupart des MMC sont utilisées pour le CCHT, et le STATCOM est un autre dispositif qui fournit de la puissance réactive. Nous fournissons donc également des solutions, des outils, etc. au monde universitaire, car outre les avantages évidents, cela nous permet de nous projeter un peu dans l'avenir avec les sujets de recherche.

"Lorsque nous fournissons des solutions de simulation en temps réel, la première tentative consiste toujours à utiliser la méthode générale : construire les modèles en utilisant les différents composants de base des systèmes électriques. Ces théories existent depuis de nombreuses années. Lorsque les gens doivent valider leurs contrôleurs de MMC en temps réel, cela devient complexe et difficile. Nous devons simuler des milliers de modules en temps réel. C'est presque impossible avec les méthodes de simulation conventionnelles. Nous devons examiner ce circuit spécifique, optimiser le modèle et effectuer des recherches à l'avance. C'est une autre façon de garder une longueur d'avance sur le marché. Nous pouvons alors aller au-delà des méthodes conventionnelles parce que nous sommes déjà optimisés pour la topologie mixte. Ensuite, les gens diront : "Je veux construire des topologies différentes" sur le terrain. Lorsqu'ils le feront, nous devrons leur permettre de simuler tous leurs changements en temps réel.

IV : "On a aussi l'impression que lorsque nous avons de gros projets, tout s'adapte. C'est ce que vous voulez dire ?"

WL : "Oui, parce qu'il y a tellement de composants et qu'ils travaillent tous ensemble, et qu'ils doivent faire de la simulation en temps réel, ce qui est rapide. C'est pourquoi nous avons trouvé un moyen optimisé de le faire, et nous pouvons le faire en temps réel, avec une résolution et un niveau de détail bien meilleurs. Il faut optimiser et examiner des opérations spécifiques lorsque l'on passe à l'échelle supérieure. Lorsque les gens viennent vous voir et vous disent qu'il y a des modules mixtes, vous savez que vous avez du travail à faire. Heureusement, nous avons d'excellents spécialistes en R&D et des clients qui ont identifié leurs besoins. Lorsqu'ils commencent à prendre les offres et à fabriquer les systèmes, nous avons déjà fait le travail de fond, ce qui nous permet d'être en avance sur la courbe".

"Les clients ont des besoins différents. Ainsi, certains clients construisent des systèmes CCHT et doivent valider leur contrôleur avec HiL. Ainsi, lorsqu'ils conçoivent leurs systèmes, la topologie, etc. Et pour des raisons commerciales, la phase de conception est généralement confidentielle. Une fois que le système est prêt, ils ont besoin de HiL : des bancs d'essai qui peuvent simuler précisément leur système. Nous savons ce qu'ils veulent, nous préparons le modèle et nous devons répondre à leurs exigences pour simuler leur système en temps réel. Rarement, si nous ne pouvons pas le faire immédiatement avec les outils disponibles, nous devons trouver une solution, optimiser un modèle ou développer quelque chose. Notre principal objectif ou point de réussite est donc de simuler leur système en temps réel. Nous avons besoin d'une solution qui soit non seulement suffisamment rapide, mais aussi suffisamment détaillée et précise - cesont là les trois points clés.

"Dans le monde universitaire, c'est un peu différent, ils essaient de comprendre quelles sont les possibilités, parfois avec des conceptions très créatives. Ils travaillent avec nous, c'est généralement plus itératif, et ils peuvent nous demander de fournir des modèles ou d'essayer quelque chose de nouveau. Mais un cycle d'essai complet pour eux, tel que je le comprends, consiste à concevoir le système et le contrôleur à l'aide d'une simulation hors ligne ; ils essaieront ensuite de construire des systèmes équivalents à échelle réduite, avec le contrôleur qui est directement téléchargé dans un simulateur en temps réel. Il s'agit d'un prototypage rapide de contrôle (RCP) - il ne s'agit que d'un prototype de contrôleur. Au cours de ce cycle, ils essaient d'optimiser leurs paramètres et de valider le fonctionnement du contrôleur. Puis, avant que le contrôleur ne soit utilisé sur le terrain, il est connecté à un simulateur. C'est ce que nous appelons le HiL. Enfin, le contrôleur est connecté à l'appareil réel".

IV : "Et nous avons des produits dans toutes ces catégories, n'est-ce pas ?"

WL : "Exactement. Dès le départ, nos produits offrent une simulation hors ligne, puis une simulation en temps réel entièrement numérique. Notre simulateur en temps réel peut alors être utilisé soit comme un prototype de contrôleur, soit comme une usine. Dans le cas d'un contrôleur prototype, toute la logique de commande est téléchargée dans un simulateur en temps réel et connectée à un dispositif matériel à contrôler. En tant qu'installation, il est utilisé non seulement pour les systèmes en régime permanent, mais aussi, voire surtout, pour simuler le comportement en cas de défaillance. Nous disposons d'un mode de test spécifique qui convient parfaitement aux clients qui utilisent deux simulateurs indépendants : l'un joue le rôle du contrôleur, l'autre celui de l'installation. Il n'y a pas de meilleure façon de simuler le comportement réel, avec le bruit dans les E/S et la latence retardée.

"Il est essentiel de tenir compte de cet élément très important que sont les E/S, car elles peuvent être à l'origine de problèmes dans de nombreux cas. Tester tout cela ensemble dans la même simulation apporte plus de certitude, permet d'économiser de l'argent, de résoudre les problèmes à l'avance et, avec HiL, vous pouvez facilement effectuer de nombreux tests en une journée - lorsque vous avez terminé un test, il vous suffit de réinitialiser le modèle à l'état d'équilibre et de le tester à nouveau. Cela ne prend que quelques secondes. Sur le terrain, il faut mettre tous les équipements hors tension et recommencer. Pour le premier système CCHT multiterminal au monde, il a fallu effectuer 650 à 1 000 tests avant de le mettre en service sur le terrain pour qu'il soit viable.

"Vous pouvez imaginer comment, si vous faites autant de tests, et si chaque jour vous pouvez gagner un peu de temps, vous pouvez gagner énormément de temps. Et dans ce domaine, le temps, c'est de l'argent. En Chine, ces tests sont effectués en l'espace d'un an. Et s'ils le font sur le terrain, 1 000 tests, à raison d'un par jour, cela prendrait trois ans. Mais ils font tout cela en quelques mois. Et ils font chaque test plusieurs fois.

IV : "L'ampleur de tout cela est tout simplement stupéfiante".

WL : "Oui, c'est littéralement génial. Et nous sommes heureux de pouvoir aider les gens."

IV : "Wei Li, merci de nous avoir parlé aujourd'hui".
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À propos de la personne interrogée

Wei Li est titulaire d'une licence en ingénierie de l'université de Zhejiang (Chine), d'une maîtrise en ingénierie de l'université nationale de Singapour et d'un doctorat de l'université McGill (Canada). Il est spécialiste principal de la simulation des réseaux électriques chez OPAL-RT Technologies, à Montréal. Ses domaines d'intérêt sont l'électronique de puissance, l'Énergie renouvelable et la production distribuée. Ses recherches actuelles portent principalement sur la simulation et le contrôle en temps réel des systèmes CCHT à convertisseurs multiniveaux modulaires et des dispositifs FACTS.