Commande primaire externe dans les applications d'électronique de puissance

L'entreprise

GEISER est un groupe de recherche en électronique de puissance de l'Université d'Alcalá (Universidad de Alcalá), une université publique située à 25 km de Madrid, en Espagne. Reconnu comme l'un des laboratoires d'électronique de puissance les plus importants d'Europe, GEISER a mis au point plus d'une douzaine de systèmes de conversion de puissance, faisant ainsi preuve d'une expertise approfondie en matière de conversion et de contrôle de l'Énergie .

Velox-PS, une jeune entreprise du secteur de l'Énergie , forte de plus de 15 ans d'expérience dans la conception de convertisseurs et de systèmes de commande, parraine ce projet, ce qui témoigne du vif intérêt commercial que suscite la commande primaire externalisée pour les applications industrielles.

Les défis

• Contraintes liées à la vitesse de contrôle : le contrôle principal doit agir extrêmement rapidement (en moins d'une milliseconde), ce qui rend son externalisation hors du matériel du convertisseur techniquement complexe.
• Interférences électromagnétiques : les systèmes d'électronique de puissance génèrent d'importantes interférences électromagnétiques, ce qui nécessite des canaux de communication insensibles au bruit et garantissant une isolation galvanique.
• Mises à jour de contrôle rigides : les approches traditionnelles intègrent le contrôle principal au niveau local, au sein des convertisseurs ; toute modification de l'algorithme nécessite donc une reprogrammation des équipements de puissance, ce qui ralentit la recherche et le développement.
• Coordination multi-appareils : la gestion indépendante de plusieurs convertisseurs entraîne une redondance des ressources ; la centralisation du contrôle sur un seul plateforme nécessite une communication déterministe et à faible latence entre tous les appareils.

La solution OPAL-RT

L'équipe a mis au point un système de contrôle principal externe combinant la puissance de calcul en temps réel d'OPAL-RT et une communication optique à haut débit :

• Simulateur en temps réel : l'OP5707XG d'OPAL-RT fait office de contrôleur externe et exécute à la fois les algorithmes de contrôle primaire et secondaire, mis en œuvre directement à partir de modèles MATLAB/Simulink grâce à la génération automatique de code.
• Communication SFP haut débit : une communication pouvant atteindre 5 Gbit via 16 canaux de fibre optique SFP relie le convertisseur au simulateur, garantissant ainsi l'immunité électromagnétique, l'isolation galvanique et la capacité de communication sur de longues distances.
• Modules d'interface du convertisseur : un système de commande sur mesure composé de trois modules gère l'acquisition par convertisseur analogique-numérique (mesures de tension/courant), le conditionnement et la transmission des données SFP, ainsi que la génération de signaux PWM pour la commutation des IGBT.
• Latence ultra-faible : l'ensemble de la boucle de commande — depuis l'acquisition des données des capteurs jusqu'à la sortie PWM, en passant par le traitement externe — fonctionne avec des périodes de commande d'environ 100 µs.

Les résultats

Ce projet a démontré avec succès que le contrôle primaire externalisé constituait un paradigme viable pour l'électronique de puissance :

• Concept éprouvé : il a été démontré que la commande primaire peut être mise en œuvre de manière fiable en dehors du convertisseur, sur un simulateur externe en temps réel, sans compromettre les performances.
• Prototypage rapide d'algorithmes : les nouveaux algorithmes de contrôle sont déployés instantanément via MATLAB/Simulink sans qu'il soit nécessaire de reprogrammer les équipements électriques physiques, ce qui accélère considérablement les itérations de R&D.
• Contrôle centralisé de plusieurs appareils : une seule interface OPAL-RT ( plateforme ) assure le contrôle principal de plusieurs convertisseurs, ce qui réduit la redondance matérielle et simplifie l’architecture du système.
• Validation par le secteur : le parrainage de Velox-PS confirme la viabilité commerciale du produit, dont les applications s'étendent aux laboratoires d'essais sur mesure, aux alimentations haute puissance, aux stations de contrôle de la qualité de l'énergie et aux solutions de traction.

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