Explication de l'intégration du matériel de puissance dans la boucle pour les ingénieurs en simulation et validation

Principaux enseignements

• Dimensionnez un amplificateur PHIL en fonction des cas de défaut, de courant d'appel et de puissance inverse prévus dans votre plan de test, car la puissance nominale ne donne qu'une idée très limitée de ce que le banc d'essai est capable de supporter.
• Le temps de retard et la bande passante de l'amplificateur déterminent la plage de fréquences dans laquelle vos résultats sont fiables ; veillez donc à indiquer cette plage à côté de chaque mesure.
• Vérifiez sur papier le rapport d'impédance correspondant au cas le plus défavorable de votre réseau et choisissez l'algorithme d'interface avant de mettre le matériel sous tension.

La fiabilité d'un banc d'Simulation HIL s de puissance dépend entièrement de celle de l'amplificateur et de l'interface qui complètent le circuit.

Les tests PHIL consistent à soumettre un onduleur, un système de batteries ou un dispositif de protection physique à un réseau simulé, avec une tension et un courant réels. L'amplificateur de puissance se trouve entre les deux ; par conséquent, ses caractéristiques nominales, sa bande passante et son temps de retard influencent chaque résultat que vous enregistrez. Si vous le choisissez uniquement en fonction de sa puissance nominale, vous obtiendrez un banc d'essai qui se déclenchera dès le premier cas de réseau faible ou qui signalera un comportement que le dispositif n'a jamais produit.

Aux États-Unis, les projets de stockage en attente d’un raccordement au réseau totalisaient 749 GW à la fin de l’année 2025. Cette capacité est raccordée via des composants électroniques de puissance qui doivent faire leurs preuves face aux défauts, aux réseaux fragiles et aux situations d’îlotage avant que quiconque ne les mette sous tension sur site. Le choix des amplificateurs et la stabilité de la boucle constituent un choix important. Il convient de le faire avant de passer commande.

Ce que les tests d'Simulation HIL s de puissance signifient pour les laboratoires d'Énergie

Les tests d'Simulation HIL s de puissance consistent à connecter un dispositif de puissance physique à une simulation en temps réel via un amplificateur de puissance, de sorte qu'un flux d'Énergie s réel traverse l'interface. Le simulateur calcule le réseau, l'amplificateur reproduit la tension de celui-ci aux bornes du dispositif, et des capteurs renvoient le courant mesuré au modèle à chaque pas de temps.

Imaginez un onduleur à batterie de 5 kW posé sur votre banc d'essai. Le simulateur exécute un modèle de ligne d'alimentation présentant un défaut situé trois nœuds plus loin ; l'amplificateur fait chuter la tension aux bornes à mesure que ce défaut se développe, et l'onduleur réagit en produisant un courant réel. Ce courant est réinjecté dans le modèle, ce qui modifie la tension de la ligne d'alimentation à l'étape suivante.

L'appareil et le réseau simulé s'influencent mutuellement, ce qui explique que l'on observe des interactions telles que des oscillations de tension sur une longue ligne d'alimentation. Cela signifie également que le banc d'essai constitue une boucle de rétroaction, et que les boucles de rétroaction peuvent devenir instables.

En quoi le PHIL diffère-t-il des essais HIL au niveau du contrôleur ?

La principale différence entre le PHIL et le HIL réside dans ce qui traverse l'interface. Le HIL de contrôleur échange des signaux basse tension entre un contrôleur et une installation simulée ; il n'y a donc pas de transfert de puissance significatif. Le HIL de puissance échange des tensions et des intensités au niveau nominal avec l'étage de puissance lui-même, ce qui implique l'ajout d'un amplificateur, de capteurs et d'un problème de stabilité auquel les tests au niveau des signaux ne sont jamais confrontés.

Un programme d’onduleur formant un réseau indique à chacun sa place. Il faudrait d’abord valider le micrologiciel de commande sur le contrôleur HIL, en exécutant des scénarios de défaillance sur un convertisseur simulé, sans risque pour le matériel. Vient ensuite le PHIL, avec l’étage de puissance finalisé, son filtre et ses limites thermiques sur le banc d’essai. Sauter la première étape transforme le PHIL en une opération de débogage coûteuse. Sauter la deuxième étape laisse la résonance du filtre, l’erreur des capteurs et la limitation de courant non testées jusqu’à la mise en service sur site.

Les caractéristiques nominales des amplificateurs qui déterminent ce que votre banc d'essai peut tester

Le choix d'un amplificateur doit se faire en partant du scénario le plus défavorable de votre plan de test. L'amplificateur doit pouvoir supporter la tension la plus élevée, fournir le courant transitoire le plus important et absorber la puissance inverse la plus élevée que votre appareil est susceptible de produire, tout en conservant une marge suffisante.

Le fonctionnement à quatre quadrants constitue le premier filtre pour les travaux d’ Énergie . Un onduleur de stockage se charge et se décharge, tandis qu’un onduleur solaire soumis à un test de maintien de tension injecte du courant réactif dans les deux sens. Une source à deux quadrants ne peut pas absorber cette puissance ; elle se déclenche donc ou subit des distorsions au moment même où le test devient intéressant. Les conceptions régénératives renvoient l’ Énergie e absorbée vers l’alimentation du laboratoire, ce qui permet de limiter la chaleur générée lors de cycles prolongés.

Notez ces 5 chiffres figurant dans votre plan de test avant de comparer les fiches techniques.

• Tension terminale maximale en cas de surtension et de maintien de l'alimentation
• Courant de crête lors de défauts et courant d'appel, ainsi que leur durée
• Puissance maximale que l'appareil peut renvoyer vers le banc d'essai
• Fréquence la plus élevée que vous souhaitez reproduire, y compris les harmoniques
• Impédance de réseau minimale et maximale que vous prévoyez de simuler

Un onduleur de 5 kW a rarement besoin d'un amplificateur de 5 kW. Un cas de défaut nécessitant le double du courant nominal pendant quelques cycles, ou une surtension à 120 % de la valeur nominale, détermine la taille de l'amplificateur bien avant que ne le fasse la puissance indiquée sur la plaque signalétique.

Pourquoi la bande passante de l'amplificateur limite la précision de la boucle

La bande passante et le temps de retard déterminent la fidélité avec laquelle l'amplificateur reproduit la grille simulée, ainsi que la marge de phase conservée par la boucle. Chaque microseconde qui s'écoule entre une tension simulée et son apparition aux bornes ajoute un déphasage qui augmente avec la fréquence.

« La puissance nominale vous indique ce que vous pouvez tester, et le délai vous indique dans quelle mesure vous pouvez vous y fier. »

Le déphasage en degrés est égal à 360 multiplié par la fréquence et par le temps de retard de la boucle. Une boucle présentant un temps de retard total de 100 microsecondes présente un déphasage d'environ 2,2 degrés à 60 Hz et de 36 degrés à 1 kHz. La fondamentale semble correcte. Ce n'est pas le cas des harmoniques et des résonances de filtre proches de 1 kHz, et c'est précisément là que le contrôleur de courant d'un onduleur est le plus sensible.

Les amplificateurs linéaires offrent la bande passante la plus large et le délai le plus court, au détriment du rendement et de la dissipation thermique. Les amplificateurs à découpage permettent d’atteindre des puissances plus élevées et offrent une régénération propre, mais leur filtre de sortie limite la bande passante. Une étude sur les harmoniques penche en faveur des amplificateurs linéaires, tandis qu’un test de cycles de stockage prolongés convient mieux à un amplificateur à découpage. Il s’agit donc de choisir l’inconvénient avec lequel vous pouvez vous accommoder.

Comment les algorithmes d'interface assurent la stabilité d'une boucle PHIL fermée

L'algorithme d'interface est la règle qui établit une correspondance entre les grandeurs simulées et les commandes de l'amplificateur, ainsi qu'entre les mesures et le modèle, et qui détermine si la boucle converge. La méthode du transformateur idéal est la plus simple et la plus précise, mais elle ne reste stable que lorsque l'impédance matérielle est supérieure à l'impédance de la source simulée.

Prenons une interface de transformateur idéale de type tension, avec une impédance de réseau simulée de 0,5 ohm et un dispositif présentant une impédance apparente de 2 ohms. Le rapport est de 0,25 et la boucle se stabilise. Modélisons maintenant un réseau faible à 3 ohms par rapport au même dispositif. Le rapport est de 1,5 ; chaque tour de boucle amplifie l’erreur, et l’amplificateur se déclenche en raison d’une surintensité. Les études sur les réseaux faibles sont ce que demandent les gestionnaires de réseau ; cette limite est donc atteinte rapidement.

Chaque alternative permet d'obtenir de la stabilité au prix d'une certaine précision ou d'un certain effort. Les chercheurs qui ont ajouté un prédicteur de Smith à une interface de duplication partielle de circuit ont fait passer la marge de gain d'environ 1 à 3, ce qui a suffi à faire sortir la boucle de la zone de instabilité.

Effectuez le contrôle de stabilité sur papier avant de mettre quoi que ce soit sous tension. Si le rapport d'impédance correspondant à votre cas de maillage le plus faible est proche de 1 ou supérieur à 1, modifiez d'abord la méthode d'interface et considérez toute fréquence de coupure du filtre comme une contrainte de précision.

Exemples de bancs d'essai PHIL pour les travaux d'Énergie s sur le réseau électrique

Les exemples utiles de bancs d'essai PHIL ont tous un point commun : l'amplificateur, le simulateur, les capteurs et les dispositifs de protection ont été choisis pour former un ensemble. La validation du contrôleur « micro-réseau », le maintien en fonctionnement de l'onduleur de stockage et la détection d'îlotage s'effectuent tous sur la même boucle, seuls le modèle et le dispositif testé étant interchangés.

Un banc d’essai « micro-réseau » illustre bien ce principe. Un amplificateur émule la ligne d’alimentation du réseau, un second émule un parc solaire côté courant continu, et un onduleur de stockage physique est intercalé entre les deux, tandis que le simulateur gère le reste du réseau. Chez OPAL-RT, nous construisons le banc d’essai OP1400 autour d’un amplificateur de puissance à quatre quadrants, disponible en unités de 5 kW pouvant être étendues jusqu’à 30 kW, tandis que l’OP1420 intègre un banc d’essai PHIL complet d’ micro-réseau , basé sur le même principe. Un banc intégré permet de connaître les délais de boucle et les limites de protection pour l’ensemble de la chaîne, ce qui vous permet de consacrer votre première semaine aux cas de test.

Le choix de l'amplificateur est une décision qui influe sur la stabilité et qui doit être prise dès le début

Considérez l'amplificateur, l'algorithme d'interface et le plan de test comme un seul et même problème de conception, et résolvez-le avant d'acheter le matériel. Un banc d'essai choisi de cette manière permettra de tester les cas de grille faible et de défaillance pour lesquels vous l'avez conçu. 

« Un banc d'essai choisi uniquement en fonction de sa puissance en kilowatts passe ses premiers mois à être réglé en fonction de limites que personne n'a consignées par écrit. »

La plupart des boucles PHIL instables dont on entend parler ne sont pas dues à un équipement défectueux. Quelqu’un a dimensionné l’amplificateur pour une puissance nominale, a choisi l’interface la plus simple et a atteint la limite d’impédance dès le premier cas difficile. La solution consistait à installer un filtre qui éliminait discrètement le comportement recherché. Il s’agit là d’une erreur de planification, que l’on peut éviter à peu de frais en consacrant un après-midi à quelques calculs d’impédance.

Les laboratoires qui tirent une valeur durable des tests PHIL maintiennent cette rigueur après la mise en service. Ils vérifient à nouveau les marges de stabilité lorsque le modèle change et indiquent la plage de fréquences valide à côté de chaque résultat. OPAL-RT collabore avec les équipes sur ce type de planification en laboratoire, car un résultat que l'on peut défendre auprès d'un fournisseur d'électricité vaut bien plus qu'un kilowatt supplémentaire d'amplificateur.