La révolution numérique dans le domaine de l’énergie

Ce n’est pas le moment d’abandonner votre véhicule électrique : le numérique s’immisce dans l’énergie. Dès qu’une technologie devient numérique, tout change. Pour les novices, les avancées technologiques connaissent une nouvelle ascension en passant d’une vraie lenteur à une rapidité exponentielle. Rappelez-vous comment la recherche en ligne a bouleversé notre façon de collecter des informations, à quel point les réseaux sociaux ont changé notre façon de recevoir des nouvelles, et à quel point les ouvrages électroniques et les e-lecteurs ont transformé notre façon d’acheter des livres. Lorsqu’une technologie passe au numérique, des termes comme « bibliothèque », « journal » et « librairie » deviennent obsolètes.

Qu’est-ce qui définit le passage de l’analogique au numérique et quand peut-on dire que la transition a été faite ? Premièrement, le contrôle numérique d’une énergie, sous la forme d’électricité, nécessite des capteurs intelligents capables d’acquérir une tension et un courant, un traitement rapide des signaux numériques pour transformer des mesures brutes en informations pertinentes, ainsi que des montages spéciaux de type SMPS (alimentation à découpage) pour transformer de façon électronique la puissance en impulsions que le système peut manipuler. Deuxièmement, les systèmes d’énergie numérique doivent être mis en réseau et être reconfigurables sur le terrain pour pouvoir envoyer des données qui offrent des améliorations constantes et solutionnent des bugs tout en téléchargeant des mises à jour logicielles depuis un serveur. Troisièmement, le système doit être modélisé et simulé avec une précision et une vitesse élevées, y compris une interaction entre l’étage analogique et le code logiciel numérique embarqué. La simulation est critique pour tester, optimiser et valider des améliorations dans un environnement sécurisé pour qu’elles soient ensuite déployées en toute confiance sur des systèmes embarqués sur le terrain.

Lorsqu’une technologie analogique devient numérique, cela devient une technologie d’informations : donc un potentiel problème logiciel. La révolution de l’énergie numérique est mise en œuvre par de puissants outils logiciels, une puissance de calcul conséquente, des réseaux Internet sécurisés, des systèmes matériels embarqués spécialisés, sans oublier une chose importante : l’électronique de puissance.

Contrôler l’énergie avec l’électronique

La technologie permettant le contrôle électronique de l’énergie, plus connue sous le nom d’électronique de puissance, se présente sous la forme de transistors qui convertissent, contrôlent, manipulent et transfèrent de grandes quantités d’énergie électrique. Ces dispositifs de commutation de courant, qu’on appelle communément IGBT et MOSFET, convertissent des mégawatts de puissance électrique en centimes par watt. L’efficacité des systèmes énergétiques double environ tous les 11 ans alors que les prix diminuent de façon régulière. À l’heure actuelle, un système d’inversion bas coût peut contrôler 85% d’énergie en plus qu’un système des années 80, en ne perdant que quelques pourcents de cette énergie en chaleur dissipée. La capacité à manipuler de façon numérique les mégawatts de puissance avec des pertes minimes est une véritable révolution en soi.

Parallèlement, les performances des processeurs embarqués et des FPGA (field-programmable gate arrays) ne cessent d’augmenter. Alors que les systèmes de contrôle analogique étaient d’un meilleur rapport qualité/prix à la fin des années 90, l’avancée de la loi de Moore aide désormais les systèmes de contrôle numérique à remplacer leurs prédécesseurs analogiques. L’incorporation récente de composants de calculs DSP (digital signal processing) dans du matériel FPGA fait de ces FPGA une alternative très intéressante pour les systèmes de contrôle d’énergie numérique.

Le rapport qualité/prix des FPGA double tous les 14 mois, plus rentable que les 12 ou 13 mois que prend une équipe de 15 ingénieurs pour développer une conception embarquée personnalisée. En suivant le rythme exponentiel de la loi de Moore, les responsables en ingénierie se fient aux technologies standard. C’est tout l’intérêt des matériels comme le nouveau produit GPIC (general-purpose inverter control) NI Single-Board RIO, carte standard économique avec toutes les E/S nécessaires pour le contrôle électronique d’énergie et les toutes dernières technologies à base de FPGA et de processeur temps réel.

Les FPGA actuels offrent une architecture idéale pour les systèmes de contrôle électronique d’énergie car ils vous permettent de placer des modulateurs à largeur d’impulsion numérique haute fréquence (DPWM) personnalisés ainsi qu’un montage de contrôle numérique dans du matériel dédié. La reconfigurabilité inhérente aux FPGA est particulièrement utile pour les applications de réseau intelligent en matière de support, de maintenance et d’interopérabilité à long terme avec des standards et des protocoles de communication en perpétuelle évolution.

Les langages de programmation graphique au niveau système ainsi que l’émergence des cibles matérielles standard optimisées pour le déploiement commercial en volume, comme la nouvelle plate-forme GPIC de NI, offrent une alternative au développement matériel complètement personnalisé. Les systèmes standard reconfigurables éliminent le coût et le risque significatifs associés à la conception personnalisée de cartes pour le déploiement commercial en volume.

Peaufiner le cycle en V pour l’électronique de puissance

Les technologies numériques de contrôle d’énergie jouent un rôle majeur dans l’augmentation des performances et la réduction du coût des systèmes solaires, éoliens et de stockage d’énergie. La R&D de National Instruments investit pour offrir une chaîne d’outils complète pour la révolution numérique dans l’énergie. L’objectif est de peaufiner le concept en V pour l’électronique de puissance. Le cycle en V, issu des industries automobile et aérospatiale, décrit un processus intégré pour la conception et le test des produits. NI investit à chaque étape du V pour améliorer la conception, le prototypage et le déploiement de produits standard de contrôle numérique. L’objectif est d’éliminer les problèmes qui réduisent la productivité des équipes de conception embarquée.

L’approche de la conception graphique de systèmes commence par la co-simulation qui vous permet de développer le code LabVIEW FPGA dans un environnement de simulation haute fidélité capable de capturer l’interaction entre le système de contrôle numérique et l’électronique de puissance analogique. LabVIEW FPGA et le simulateur de circuit électronique de puissance NI Multisim ajustent automatiquement le pas de simulation pour capturer le comportement transitoire rapide de la circuiterie analogique et son interaction avec le système de contrôle basé FPGA. Par exemple, si le courant qui circule dans un inducteur résonne, la simulation ralentit automatiquement pour capturer l’effet sur le système de contrôle numérique.

Ce qui est le plus important c’est de permettre aux équipes de développer leur véritable code LabVIEW FPGA dans l’environnement de simulation puis ensuite de le déployer vers une cible FPGA physique sans difficulté. Cela permet un chemin de développement complètement bidirectionnel. À n’importe quel stade, du prototype à la post-production, les modifications apportées au logiciel mettent à jour automatiquement le code là où il a été référencé dans la chaîne de développement. L’objectif est d’écrire le code des systèmes embarqués dès le départ et de continuer à l’améliorer tout au long du développement. Vous pouvez concevoir le montage de l’électronique de puissance en parallèle avec le logiciel FPGA et le code du test automatique pour vous aider à évaluer les compromis en matière de conception non linéaire entre l’efficacité, les coûts et la durée de vie des composants. Ceci permet d’optimiser simultanément plusieurs objectifs en matière de conception, même des compromis réputés difficiles.

Pour éviter de devoir peaufiner manuellement le code généré au risque de le « contaminer », l’efficacité de l’utilisation des ressources FPGA doit être comparable au codage RTL (au niveau transfert de registres) conçu manuellement. En outre, la plate-forme de conception doit inclure des blocs mathématiques à virgule fixe ainsi que des bibliothèques IP d’électronique de puissance permettant un développement efficace des algorithmes de contrôle, de traitement du signal et d’analyse de puissance. Au final, la chaîne d’outils doit cibler des cartes de contrôle standard prévalidées capables de satisfaire les besoins spécifiques en termes de contrôle, d’E/S, de performances et de coûts des produits de contrôle numérique en volume.

Sur la partie droite du cycle en V se trouve le problème de savoir comment tester des systèmes complexes de contrôle numérique d’énergie et à puissance élevée. Auparavant, le plus gros problème était le manque de simulateurs temps réel pour la validation et la vérification. Il s’agit d’un autre domaine pour lequel la technologie FPGA offre une solution. Les mêmes outils de conception graphique de systèmes conviennent pour développer des simulateurs HIL (hardware-in-the-loop) rapides et temps réel pour la validation complète de systèmes électroniques reliés au réseau électrique principal.

Imaginer l’avenir

Cela peut sembler difficile d’imaginer un monde dans lequel l’énergie deviendrait un problème logiciel, à la recherche des bons algorithmes pour la convertir, la contrôler, la transférer et la stocker de façon efficace. C’est ce que la révolution numérique offre. Comment saurons-nous que c’est le cas ? Vous pouvez l’appeler technologie numérique de contrôle d’énergie si le système est numérisé et contrôlé de façon numérique, mis en réseau, reconfigurable sur le terrain, modélisé, simulé en s’améliorant de façon exponentielle en termes de rapport qualité/prix chaque année.

Quels grands défis d’ingénierie la révolution numérique dans le domaine de l’énergie vous aidera-t-elle à relever ? Une chose est claire : ces technologies ne cessent de croître en termes de performances et de voir leurs prix chuter, elles se retrouvent au cœur de systèmes à base d’énergie renouvelable, de réseau intelligent et de véhicules électriques.

Par Brian MacCleery

Source : zone.ni.com