Comment simuler des convertisseurs modulaires à plusieurs niveaux en temps réel

Principaux enseignements

• La validation du contrôle MMC perd toute crédibilité dès lors que les états au niveau cellulaire sont lissés par moyennage.
• Une simulation en temps réel à comptage complet dépend davantage du partitionnement et du respect des délais que d'une limite maximale de cellules.
• L'exécution au niveau des sous-modules revêt une importance capitale lorsque vous devez vérifier l'équilibrage, la réponse des dispositifs de protection et la synchronisation matérielle en boucle fermée.

Pour obtenir une simulation MMC précise en temps réel, il est nécessaire de modéliser un nombre suffisant de sous-modules afin de mettre en évidence les comportements de contrôle et d'équilibrage que l'on observe sur le matériel.

Cette exigence est importante car les MMC sont intégrés dans des applications de réseau où les décalages de synchronisation et la dispersion cachée des condensateurs entraînent des risques de test coûteux. Les investissements annuels dans le réseau devront passer d’environ 300 milliards de dollars à plus de 600 milliards de dollars d’ici 2030, ce qui oblige les équipes de validation à accélérer le rythme sans pour autant négliger les détails électriques. Les premiers travaux de contrôle peuvent débuter à l’aide de modèles simplifiés. Mais vous ne pouvez pas vous arrêter là si votre objectif est de prouver, en boucle fermée, qu’un contrôleur maintiendra les tensions des cellules, l’ Énergie de l’armement et les délais de protection aux niveaux requis.

Un convertisseur MMC empile des sous-modules dans chaque branche de phase

Un convertisseur MMC compose chaque branche de phase à partir de deux bras, et chaque bras contient de nombreux sous-modules répétés ainsi qu’une bobine de bras. Chaque sous-module stocke de l’ Énergie ité dans son condensateur et bascule entre les états « inséré » et « contourné ». C’est cette structure qui confère au convertisseur des incréments de tension fins. C’est également ce qui rend la simulation détaillée coûteuse.

Imaginez un convertisseur triphasé à six bras, comportant 250 cellules en demi-pont dans chaque bras. Votre contrôleur ne commande pas un seul grand commutateur. Il détermine quelles cellules doivent être activées afin que la tension des bras, le courant circulant et la répartition des condensateurs restent sous contrôle. Chaque cellule possède son propre état de tension de condensateur, et ces états tendent à diverger à moins que votre méthode d'équilibrage ne les corrige en permanence.

Vous ne vous contentez pas de simuler un étage de puissance. Vous simulez en réalité de nombreux petits accumulateurs d’ Énergie s reliés entre eux par le courant de branche. C’est pourquoi un convertisseur MMC se comporte différemment lors du démarrage, d’une inversion de polarité ou d’un blocage de grille. Un modèle qui ne tient pas compte des cellules peut bien afficher la puissance aux bornes, mais il ne reflétera pas le comportement au niveau des cellules que votre contrôleur doit gérer.

Les limites en temps réel dépendent du nombre de sous-modules

Les limites en temps réel apparaissent lorsque le solveur doit mettre à jour des centaines, voire des milliers d'états de commutation avant la fin de l'échantillon suivant. Chaque sous-module ajouté apporte un nouvel état de commutation, une nouvelle tension de condensateur et une nouvelle commande de grille que le solveur doit traiter avant la fin du pas de temps suivant. Les solveurs pour processeurs généraux sont les premiers à atteindre leurs limites. Cela s'explique par l'échelle MMC.

Les études publiées par le MMC décrivent des conceptions HVDC comportant entre 200 et 400 sous-modules par branche, soit entre 1 200 et 2 400 cellules dans un convertisseur triphasé. Un modèle de cette envergure doit mettre à jour les tensions des condensateurs, les états d’insertion, les courants de branche et les E/S de contrôle dans le respect d’un délai strict. Si ce délai n’est pas respecté, l’exécution n’est plus en temps réel, même si une relecture hors ligne semble encore plausible.

Une configuration de laboratoire équipée d’un contrôleur à une fréquence d’échantillonnage de 50 microsecondes illustre clairement le problème. Un modèle simplifié peut s’exécuter sans difficulté sur un processeur. En revanche, un modèle de commutation à comptage complet, intégrant une logique d’équilibrage et de gestion des défaillances, ne peut pas respecter les mêmes contraintes de temps sans recourir à du matériel parallèle. Cette limite découle directement du nombre d’états électriques que l’on maintient actifs.

« Chaque sous-module ajouté introduit un nouvel état de commutation, une nouvelle tension de condensateur et une nouvelle commande de grille que le solveur doit traiter avant la fin du pas de temps suivant. »

Les modèles moyennés masquent l'ondulation de tension du condensateur sous contrôle

Les modèles moyennés indiquent les courants dans les branches et la puissance aux bornes, mais ils masquent l'ondulation au niveau des cellules et le comportement de tri que la logique d'équilibrage doit gérer. Ils lissent les actions de commutation pour les transformer en variables continues. Cela les rend utiles pour la conception préliminaire des systèmes de contrôle. Cela supprime également les signaux exacts sur lesquels reposent de nombreux tests MMC.

Vous pouvez régler une boucle de puissance active et réactive externe à l'aide d'un modèle basé sur la moyenne des branches et obtenir rapidement des résultats stables. Les difficultés apparaissent lorsque vous testez l'équilibrage des condensateurs lors d'un changement brusque de puissance, d'une perturbation de tension continue ou d'une séquence d'arrêt et de redémarrage. Ces événements entraînent une redistribution de l'Énergie e d'une cellule à l'autre. Un modèle lissé ne permet pas de mettre en évidence la dispersion de tension qui oblige votre logique de tri à travailler davantage sur certaines cellules que sur d'autres.

Cela revêt une importance capitale lorsque l’acceptation du contrôle repose sur des limites plutôt que sur des moyennes. Une tension moyenne sur une branche peut sembler correcte alors qu’une poignée de condensateurs de cellules s’écartent de la plage admissible. Vous validez alors un élément erroné. Les modèles basés sur des moyennes restent utiles, mais surtout en amont du processus, avant que vous n’ayez besoin de prouver que les états des sous-modules restent sous contrôle.

Les détails relatifs à la commutation doivent correspondre à la question de contrôle posée

Le niveau de précision approprié du modèle dépend de ce que votre régulateur doit démontrer, et non d’une règle figée concernant le niveau de détail. Certaines tâches ne nécessitent que des tendances d’ Énergie s au niveau des bras. D’autres exigent de prendre en compte chaque état d’insertion et de dérivation. Vous perdrez du temps si vous entrez trop de détails dès le début. À l’inverse, vous passerez à côté de certains modes de défaillance si vous n’en incluez pas assez par la suite.

Une vérification du régulateur de courant peut commencer par des données moyennes, car l'objectif est d'évaluer la stabilité de la boucle et la réponse globale en puissance. Une vérification de l'équilibrage des condensateurs nécessite en revanche de connaître tous les détails de la commutation, car le contrôleur agit sur l'ordre des cellules et la dispersion des tensions. Les temps de protection doivent également être pris en compte, car le comportement en cas de grille bloquée dépend des chemins d'Énergie s stockées et des états individuels des cellules, que un modèle moyen ne permet pas de mettre en évidence.

La question pertinente est simple : quel état caché pourrait invalider le résultat de votre contrôleur ? Une fois que vous y avez répondu, le choix du modèle se précise. Vous n’avez pas besoin de toutes les cellules pour chaque test. En revanche, vous avez besoin de toutes les cellules lorsque la loi de commande ou la logique de protection dépend de la vérité au niveau des cellules.

Comment simuler un MMC en situation de « full count » ?

Pour simuler un MMC à pleine capacité, il faut séparer les opérations électriques rapides des tâches de supervision plus lentes et maintenir l'état de chaque sous-module actif dans la boucle. Le modèle doit préserver les événements de commutation, les mises à jour des condensateurs et les E/S du contrôleur à des instants d'échantillonnage déterministes. L'exécution à pleine capacité est avant tout un problème de partitionnement. Ce n'est qu'ensuite un problème de résolution.

Une configuration pratique commence par la définition précise de la topologie des bras, du nombre de cellules et du type de sous-module. OPAL-RT est utilisé pour ce type d’exécution car le réseau à commutation rapide peut être simulé en parallèle tandis que l’interface du contrôleur reste synchronisée. Cela est essentiel lorsque l’on transmet à un contrôleur physique des commandes de porte, des mesures et des signaux de défaut qui doivent arriver à temps. Si l’un des deux côtés prend du retard, le test perd de sa valeur même si les formes d’onde semblent toujours régulières à l’écran.

• Définissez la topologie des bras et le nombre total de sous-modules avant de commencer tout réglage.
• Définir des durées d'échantillonnage fixes pour les mises à jour de l'étage de puissance et l'échange de contrôleurs.
• Conserver la tension de chaque condensateur comme état actif dans le flux d'exécution.
• Introduire des perturbations qui obligent la logique d'équilibrage à réorganiser les cellules insérées.
• Vérifiez les marges de synchronisation avant de vous fier à un résultat obtenu en boucle fermée.

Cette séquence garantit la fiabilité du modèle. Elle permet également d'éviter une erreur courante : celle où les ingénieurs règlent le système de commande sur une installation réduite et ne se rendent compte qu'ensuite que l'installation détaillée nécessite des temps de réponse, des limites de gain ou des seuils d'équilibrage différents. La simulation en conditions réelles donne les meilleurs résultats lorsqu'elle est considérée dès le départ comme l'plateforme de test de référence.

Le partitionnement entre le processeur et le FPGA détermine la vitesse de simulation des sous-modules

Le partitionnement entre le processeur et le FPGA détermine si un modèle MMC à comptage complet respectera son pas de temps ou non. Les processeurs gèrent efficacement le contrôle de supervision, la communication et les tâches réseau plus lentes. Les FPGA gèrent en parallèle les opérations de commutation répétitives. Les sous-modules MMC s'adaptent presque parfaitement à ce schéma parallèle. C'est pourquoi le partitionnement revêt une importance plus grande que la vitesse d'horloge brute du processeur.

Imaginons une configuration dans laquelle votre contrôleur externe s'exécute toutes les 50 microsecondes, mais où votre réseau de sous-modules nécessite des mises à jour de l'ordre de la microseconde. Un processeur peut gérer la couche de contrôle plus lente et la coordination du système. Le FPGA, quant à lui, peut mettre à jour simultanément les états d'insertion, les sommes d'armement et les tensions des condensateurs pour de nombreuses cellules. Cette répartition permet de conserver les détails de commutation sans imposer un chemin série unique.

Vous devez considérer la limite de partition comme un choix technique, et non comme une simple commodité logicielle. Si vous surchargez le processeur, l'exécution prend du retard. Si vous surchargez le FPGA, la maintenance du modèle devient plus difficile. Un bon partitionnement consiste à placer les calculs physiques répétitifs et rapides à proximité du matériel parallèle, et la logique de contrôle configurable là où vous pouvez encore itérer rapidement.

Combien de sous-modules un modèle en temps réel peut-il comporter ?

Le nombre de sous-modules que vous pouvez inclure en temps réel dépend de la fidélité, du temps d'échantillonnage, de la logique de gestion des défauts et des E/S, et non d'une limite unique publiée. Un modèle allégé peut prendre en charge un nombre de cellules bien plus important qu'une configuration HIL dotée de nombreux mécanismes de protection. Pour répondre honnêtement à cette question, il faut commencer par l'objectif du test. La réponse dépendra finalement de la marge temporelle mesurée sur la cible plateforme.

Une petite configuration de recherche peut comporter 50 cellules par branche, avec une commutation détaillée et une bonne marge de synchronisation, sur un matériel modeste. Une étude à l'échelle industrielle peut nécessiter 300 ou 400 cellules par branche, une logique à états bloqués, un équilibrage, des réacteurs de branche et un contrôleur physique connecté via des E/S analogiques et numériques. Il s'agit là de problèmes différents, même si les deux sont qualifiés de « simulation MMC ». Le nombre de cellules à lui seul ne vous apprend pas grand-chose.

Vous n’obtiendrez une réponse utile qu’après avoir clairement défini quatre éléments : le type de sous-module, la taille fixe du pas, le couplage de contrôle et les perturbations de test. Une fois ces éléments fixés, les tests de synchronisation permettront de déterminer si le modèle est adapté. Les ingénieurs qui se contentent de demander un nombre maximal de cellules passent souvent à côté de la question la plus difficile, à savoir dans quelle mesure la « vérité électrique » doit être préservée tout en garantissant que chaque pas se termine dans les délais impartis.

Le comptage complet des cellules met en évidence le comportement d'équilibrage avant les tests matériels

Le comptage complet des cellules est essentiel lorsque la qualité du contrôleur dépend des états propres à chaque cellule. Il est possible de régler les boucles de courant moyen sur des modèles réduits, mais on ne peut valider l'équilibrage, la réponse en porte bloquée ou la dispersion de l'Énergie tant que tous les sous-modules ne sont pas présents. Les problèmes matériels trouvent généralement leur origine dans ces détails cachés. C’est pourquoi une exécution détaillée en temps réel justifie pleinement son coût.

Un algorithme d'équilibrage peut sembler fonctionner correctement sur une installation moyennée, mais échouer dès que quelques condensateurs dérivent, que l'ordre d'insertion change et que le courant de circulation augmente lors d'une perturbation. Il en va de même pour les tests de redémarrage après une commande de blocage. Si le modèle ne prend pas en compte chaque cellule, vous acceptez l'existence de zones d'ombre où le contrôle du MMC devient difficile. Il est essentiel de disposer d'un comptage complet des cellules lorsque vous devez vous fier à la logique d'équilibrage avant la première mise sous tension du matériel.

Il s'agit de la norme pratique vers laquelle s'orientent de nombreux laboratoires, et OPAL-RT y répond parfaitement, car le convertisseur est modélisé en temps réel au niveau des sous-modules, au lieu d'être masqué derrière des moyennes de l'ARM. On obtient ainsi un processus de validation plus rigoureux et plus pertinent. Le résultat est un contrôleur qui a déjà été confronté aux détails électriques qu'il rencontrera sur le banc d'essai.

« Le comptage complet des cellules est essentiel lorsqu’il faut pouvoir se fier à la logique d’équilibrage avant la première mise sous tension du matériel. »