Les systèmes PHIL

Les systèmes PHIL permettent, non seulement de tester des contrôleurs réels (par ex.: le cas des interfaces avec des signaux de faible puissance), mais aussi de soumettre de l’équipement à des stress réels en permettant à une simulation de faire circuler les puissances simulées physiquement par le biais d’amplificateurs de puissance [4]. Pour ce faire, il existe plusieurs types d’amplificateurs, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients. Selon [5], les amplificateurs linéaires sont les plus performants, puisqu’ils garantissent une entrée de contrôle analogique et une meilleure précision. Les travaux dans [5] permettent aussi de mieux cerner les enjeux entourant les amplificateurs dédiés aux simulations de type PHIL. Les travaux proposés dans [6], [7] et [8] présentent aussi certaines applications typiques de simulation de type PHIL.

La stabilité des simulations avec les systèmes PHIL est un élément primordial à garantir dans toutes les installations de ce type. De plus, il faut garantir la stabilité du système en maintenant une précision acceptable de mesures effectuées. L’étude [9] montre certaines directives et conditions à suivre afin de maintenir le système stable.

Afin de réaliser la boucle de simulations temps réel PHIL, l’ auteur de l’article [9] a utilisé la plateforme ‘Real Time Digital Simulator (RTDS)’. Cette plateforme assure des simulations très proches des systèmes réels puisqu’elle se compose de processeur à vitesse élevée et de plusieurs E/S qui assurent l’interfaçage entre le système RTDS et l’équipement réel. La stabilité du système PHIL dépend de l’impédance équivalente du côté du simulateur ainsi que du côté de l’équipement réel à tester (Device Under Test: DUT). Il est aussi important de noter que les délais causés par les différentes composantes de la boucle des équipements réels agissent directement sur la stabilité du système.

Les études [10] et [11] montrent que la stabilité et la précision dépendent aussi des caractéristiques des dispositifs d’interfaçage. Un filtre passe-bas peut réduire le bruit de haute fréquence, mais en contrepartie, il diminue la précision des résultats. La compensation de phase peut être utilisée pour réduire l’effet des retards des mesures de la boucle de PHIL. D’après cette étude, il faut opter pour un compromis entre la stabilité du système avec boucle PHIL et la précision des mesures obtenues.

Le facteur coût est également un critère très important à considérer pour la validation des performances des systèmes de simulation temps réel. Les systèmes de test en boucle fermée de type PHIL nécessitent des équipements matériels et des topologies de contrôle, comme le montre l’étude [12]. La performance et l’efficacité de ces équipements sont influencées par le coût. Il y a donc un autre compromis à satisfaire entre les performances exigées et les coûts associés pour l’application. Cet article [12] utilise la méthode ‘Voltage Source Converter (VSC)’ en réalisant une sortie de tension selon les références de tension et de courant fourni par le système réel.

Étage d’adaptation série

Même si des modèles d’amplificateurs linéaires de puissance sont bien connus et maitrisés depuis des années [13], la sélection des composantes est primordiale et l’absence de documentation, autre que commerciale, concernant la conception du circuit complet demande un effort de recherche, de test et de conception supplémentaire. L’étage d’absorption en série avec l’amplificateur peut être conçu en utilisant des étages de puissance utilisant une topologie dite PUSH-PULL connectée à une source à courant continu (CC) à 4 quadrants. Cette topologie permet de dissiper ou régénérer la puissance provenant de la charge. Il existe plusieurs topologies de source à 4 quadrants. Il y a premièrement les convertisseurs de courant alternatif (CA) à courant continu (CA-CC) utilisant des étages de conversion de la tension par le biais d’étages composés d’électronique de puissance et d’un contrôleur dédié [14]. De plus, les convertisseurs CC-CC peuvent présenter une optimisation des coûts et de l’espace occupé [15]. Cette étude présente une topologie réduite des convertisseurs CC-CC qui assure le même fonctionnement que les topologies traditionnelles. La nouvelle approche [15] se base uniquement sur deux interrupteurs de puissance bidirectionnelle, deux bobines et un condensateur. Avec l’apparition des nouvelles technologies pour la production de l’énergie électrique, telles que les éoliennes et les photovoltaïques, une limitation de puissance de couplage pour certains convertisseurs CC-CC a été constatée [ 16].

Cette problématique nous a amenés à utiliser un nouveau concept de découplage des enroulements primaires dans les transformateurs à bobinages multiples. Ce nouveau concept ‘Four Quadrants Integrated Transformers’ (FQIT) se compose de quatre enroulements au secondaire qui sont disposés dans un modèle quadratique avec deux enroulements primaires perpendiculaires. FQIT permet de surmonter les limitations des convertisseurs traditionnels, tels que ‘Single Input Converters’ (SIC). Ce nouveau transformateur (FQIT) fonctionne comme un transformateur de rapport variable, où la tension de sortie peut être réglée en changeant le déphasage d’angle entre les deux étages de puissance d’entrée. Le fait que les deux enroulements primaires sont découplés, le transformateur 4 quadrants permet aux deux étages de puissance d’entrée de transférer l’énergie dans la charge de sortie simultanément. Cela permet d’optimiser l’utilisation de sources d’énergie diversifiées, de simplifier la structure du système, d’améliorer la flexibilité, de réduire le coût global et d’améliorer l’efficacité énergétique.

Une topologie de convertisseur CC-CC haute tension pour le transfert d’énergie bidirectionnel entre une source continue base tension et une charge capacitive haute tension est étudiée dans [17], [18] et [19]. Cette topologie est un convertisseur Flyback bidirectionnel qui utilise un contrôle de fréquence de commutation variable pour le mode de charge et un contrôle de fréquence de commutation constante pour le mode de décharge. Le rendement du convertisseur Flyback est de 85% et 80% pour les modes de charge et de décharge respectivement. Le convertisseur bidirectionnel de Flyback est une solution optimisée pour des applications d’onduleur domestique ayant la conversion CA-CC bidirectionnelle.

L’évolution des topologies de convertisseurs CC-CC ne cesse pas à améliorer et à augmenter le rendement. Il existe des topologies de convertisseur CC-CC qui ne présentent pas de problème de démarrage et qui n’ont pas de pics de tension de commutation [20]. Ces convertisseurs se caractérisent aussi par une très petite ondulation sur le courant ce qui présente un atout très important pour l’amélioration des performances par rapport aux autres convertisseurs. Cette nouvelle approche de convertisseur est connue sous le nom de ‘Forward-flyback bidirectionnel dc-dc converter (BDC)’ ou des convertisseurs hybrides.

Étage d’adaptation parallèle 

L’étage parallèle est la partie la plus importante dans ce projet. En effet, cette partie assure le contrôle et la compensation du courant de retour de la charge pour ne pas affecter les équipements électroniques à faible courant (simulateurs, ordinateurs, capteurs, etc.) présents dans la boucle de simulation temps réel. À part son rôle de protection, la partie d’adaptation parallèle assure aussi l ‘interfaçage et le lien de la partie puissance entre l’étage d’ ampl ification et les équipements réels sous test (DUT).

Théories des topologies et techniques de filtrage en parallèle 

La topologie d’absorption parallèle peut être réalisée à partir des topologies de filtre de puissance réactive et harmonique. Ces topologies peuvent être utilisées soit en dissipation ou en mode de génération. L’objectif d’utilisation de ces topologies est d’éliminer les harmoniques et d’absorber la puissance réactive, mais peut être aussi utilisé afin de compenser l’ensemble de puissance. Le filtre de puissance active (Active Power Filter :APF) utilise des onduleurs pour compenser les harmoniques et la puissance réactive. Il introduit au réseau  électrique un signal composé d’harmoniques indésirables, mais de polarités opposées de sorte que la somme des courants initiaux et introduits s’annule. Le filtre de puissance active exécute cette action en utilisant le contrôleur approprié afin de déduire le courant de référence qui comprend la partie harmonique du courant de charge. Le filtre de puissance active peut être installé en série ou en parallèle avec la charge. Lorsqu’ il est placé en parallèle, il est appelé shunt: Shunt Active Power Filter (SAPF). Il est largement utilisé dans le réseau électrique pour éliminer les harmoniques du courant et compenser la puissance réactive afin d’ équilibrer les charges déséquilibrées et réduire les pertes de puissance des sources d’énergie. L’objectif du SAPF est de maintenir le taux de distorsion des harmoniques (THD) du courant de la source au dessous de la limite spécifiée par la norme IEEE 519. Diverses topologies et logiques de contrôle sont employées dans la littérature. Les travaux dans [21] et [22] ont utilisé un onduleur de source de tension (VSI) comme un filtre de puissance active (SAPF) pour compenser les harmoniques et la puissance réactive. Un DC-link est utilisé comme régulateur de tension du condensateur basé sur un correcteur proportionnel et intégral (PI) pour déterminer le courant de référence. Un pont redresseur, avec une charge RL ou RC qui agit comme des charges non linéaires, a été également adopté.

Ces études montrent que la performance du SAPF dépend de deux facteurs : la référence du courant (obtenue par un correcteur PI sur la tension DC-link) ainsi que la boucle contrôle. Il existe plusieurs moyens afin de contrôler le courant, parmi lesquels on peut citer: contrôle à base de MU (Modulation en Largeur d’Impulsion), contrôle du courant d’hystérésis, contrôle d’hystérésis à double bande et méthode de contrôle prédictif MLI. De plus, l’étude présente l’utilisation d’un algorithme MPCC (Model Predictive Current Control) utilisé pour contrôler les commutateurs de puissance afin de générer les harmoniques opposés et les injecter au niveau du point de couplage commun (PCC) pour compenser les harmoniques et la puissance réactive. La stratégie de contrôle du filtre actif de shunt est mise en œuvre suivant deux étapes: (i) l’extraction du courant de compensation de référence et (ii) la génération des signaux de grille pour commander les dispositifs de commutation de puissance de VSI (Voltage Source Inverter).

Les auteurs de [23] utilisent la méthode de la puissance active et réactive instantanée (théorie P-Q) pour générer un courant de filtre actif de compensation, où la tension du circuit intermédiaire est contrôlée par un régulateur PI. Le contrôleur proportionnel et intégral (PI traditionnel) est utilisé afin d’assurer le contrôle de la tension de liaison CC pour obtenir le courant de référence du filtre. Cette étude a été basée sur la topologie CHB-MLC (Cascaded H-Bridge – Multi LevelConverter) pour la réalisation du filtre de puissance active. Cette topologie fournit un rendement élevé pour des applications de moyennes et hautes tensions. La théorie P-Q est aussi utilisée afin de générer le courant de référence pour CHB-MLC. CHB est une topologie universellement adoptée dans le domaine d’onduleur multi-niveau, pour des applications haute puissance en raison de sa structure modulaire, sa capacité à produire de hautes tensions en sortie et produire les plus petites tensions du mode commun.

La technique CHB-MU est considérée comme la topologie la plus utilisée pour commander les interrupteurs de puissance. Cette topologie présente une efficacité et un rendement meilleur que d’autres techniques de commutation. En plus, cette topologie permet de minimiser les pertes de commutation.

Il existe plusieurs techniques de modulation qui assurent la commande des interrupteurs de puissance [24] (figure 2.1), tels que: ‘Multi-Level Sinusoidal / MutliCarrier PWM’, ‘SpaceVector (SVM PWM)’ et ‘Selective Harmonic Eliminantion (SHE)’. On va se baser sur la technique ‘Multi-Level Sinusoidal / Mutli-Carrier PWM’ puisqu’elle est caractérisée par la simplicité de réalisation et aussi la qualité de signal généré. Cette technique est composée de trois parties, soit ‘Level Shifted PWM’, ‘Phase Shifted PWM’ et ‘Hybrid PWM’. De même, la topologie ‘Level Shifted PWM’ se décompose en trois techniques: ‘Phase Disposition PWM (PD-PWM)’, ‘Phase Opposition Disposition PWM (POD-PWM)’ et ‘Alterative Phase Opposition Disposition PWM (APOD-PWM)’.

– La technique PD-PWM se caractérise par le fait d’avoir tous les signaux de modulation en phase et un signal sinusoïdal est continuellement comparé pour produire les signaux de commande.
– Dans la technique POD-PWM, le signal de modulation PWM qui se trouve au-dessus de la ligne de référence (zéro) est déphasé de 180 degrés par rapport à la modulation des signaux porteurs en dessous de la ligne de référence.
– Technique APOP-PWM: dans cette technique, les deux porteuses qui se suivent sont déphasées de 180 degrés.