Methods for FPGA-based real-time simulation of fast transients in power electronics systems and fault locating applications

La simulation en temps réel avec matériel dans la boucle est une méthode utilisée pour évaluer et vérifier les performances des systèmes de contrôle ou de protection des réseaux électriques durant les phases initiales de leur conception. Ce type de tests sont préférés aux tests de laboratoire conventionnels principalement pour les raisons suivantes: premièrement, le système ciblé peut être testé avant la fabrication des dispositifs ; deuxièmement, l'ensemble de l'installation, à l'exception du matériel testé, est simulée numériquement au même rythme que l'installation physique réelle. Les tests avec matériel dans la boucle permettent de réduire les coûts, augmentent la couverture de test et permettent de tester sans risque l'équipement dans des conditions extrêmes du réseau. Les tests avec matériel dans la boucle impliquent une plate-forme matérielle de traitement qui est responsable de la résolution des équations discrétisées dans le domaine temporel qui, en cas de transitoires rapides, doit exécuter la simulation avec un pas de temps inférieur à la microseconde. Pour atteindre ces petits pas de temps, les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) sont la plate-forme matérielle de traitement de choix, principalement en raison de son parallélisme élevé, de sa puissance de calcul et des entrées/sorties à faible latence qu'elle offre. Mais de nombreux défis se posent dans cette pratique que cette thèse tente de clairement identifier, caractériser et de régler. Le premier thème traité par cette thèse est celui des convertisseurs à commutation rapide. Les progrès de la technologie des semi-conducteurs permettent d'augmenter l'efficacité et la densité de puissance des convertisseurs électroniques de puissance modernes en les faisant fonctionner à haute fréquence de commutation, c'est-à-dire jusqu'à plusieurs centaines de kHz. Cette tendance, cependant, pose certains défis à la simulation en temps réel basée sur FPGA, principalement attribués aux ressources mémoire limitées de ces dispositifs et à la nécessité d'effectuer des calculs coûteux dans un très petit pas de temps. Ce défi est d'autant plus critique lorsque le réseau simulé comporte plusieurs convertisseurs de puissance. Cette thèse propose une nouvelle méthode de simulation des convertisseurs de puissance qui permet de simuler des cas de commutation rapide avec une grande précision et un petit pas de calcul. La méthode proposée construit une sorte de cartographie reliant les variables d'état du réseau et les combinaisons de commutateurs, de sorte à produire une solution non itérative exacte aux équations du réseau.