Principaux enseignements
- Les outils utilisant uniquement l'unité centrale imposent souvent des pas plus importants ou des retards supplémentaires qui nuisent à la fidélité aux moments précis qui comptent.
- Des solveurs spécialisés en temps réel préservent la précision des modèles familiers tout en conservant des étapes fixes strictes pour les événements rapides.
- Les solveurs FPGA capturent la dynamique sub-microseconde de sorte que les contrôleurs bénéficient d'un comportement de commutation et d'un temps de protection réalistes.
- Une répartition hybride entre CPU et FPGA vous permet de faire évoluer les grilles et les convertisseurs sans réécrire les modèles ni sacrifier les détails.
- Des pipelines de construction et de test cohérents raccourcissent les itérations, réduisent les risques et renforcent la confiance dans les choix de conception finaux.
Les outils de simulation conventionnels deviennent un goulot d'étranglement lorsqu'ils sont confrontés à la vitesse et à la complexité des systèmes électriques modernes. Les ingénieurs craignent que leurs modèles ne capturent pas tous les transitoires ou instabilités rapides, ce qui rend plus risquée la validation des conceptions critiques. En fait, l'essor des convertisseurs de puissance à haute fréquence dans les réseaux d'énergie renouvelable a révélé de nouveaux problèmes de fiabilité - les défaillances des convertisseurs sont désormais identifiées comme les principaux responsables des coupures de courant. Cette réalité aux enjeux élevés signifie que les simulations doivent être exécutées en temps réel sans sacrifier la fidélité. Chez OPAL-RT, nous pensons que les ingénieurs ne devraient jamais être freinés par leurs outils, et des décennies passées à repousser les limites de la simulation en temps réel ont montré que l'intégration d'algorithmes avancés avec du matériel spécialisé peut éliminer ces goulets d'étranglement. Il en résulte une capacité à tester rapidement des systèmes audacieux et complexes, avec une confiance totale dans les résultats.
Les outils de simulation standard peinent à répondre aux exigences de performance en temps réel
Les simulateurs traditionnels basés sur l'unité centrale faiblissent souvent lorsqu'ils tentent de suivre le rythme de systèmes rapides et complexes. Les ingénieurs se heurtent fréquemment à une instabilité numérique ou doivent simplifier les modèles pour les faire fonctionner. Vous trouverez ci-dessous quelques problèmes courants qui expliquent pourquoi les outils standard ne parviennent pas à suivre le rythme :
- Résolution limitée du pas de temps: Les simulateurs de transitoires électromagnétiques (EMT) d'usage général fonctionnent généralement avec des pas de temps fixes de l'ordre de 5 à 100 microsecondes. Cependant, la capture d'événements de commutation rapide ou de transitoires de défaut peut nécessiter des pas de temps proches de la gamme des 100 nanosecondes, des ordres de grandeur au-delà de ce que les solveurs CPU conventionnels peuvent réaliser de manière fiable.
- Compromis de précision dus aux retards des modèles: Pour faire face aux limitations de l'unité centrale, les ingénieurs introduisent souvent de minuscules retards ou des pas plus importants dans leurs modèles. Ces ajustements artificiels permettent aux simulations de continuer à fonctionner, mais à un coût : même des retards mineurs insérés pour des raisons de stabilité peuvent réduire sensiblement la précision, ce qui compromet la fidélité que la simulation en temps réel est censée offrir.
- Limites du traitement parallèle: Les processeurs multicœurs et les astuces logicielles peuvent améliorer le débit, mais certaines boucles de contrôle à grande vitesse et interactions électroniques de puissance restent intrinsèquement difficiles à paralléliser. Certains calculs doivent être effectués de manière séquentielle, ce qui signifie qu'un convertisseur à commutation rapide ou un sous-système de réseau rigide peut toujours bloquer l'ensemble de la simulation. Dans la pratique, cela signifie que des transitoires critiques peuvent être manqués ou trop lissés parce que le simulateur ne peut pas résoudre toutes les équations dans les délais stricts du temps réel.
- Dilemme échelle/vitesse: au fur et à mesure que les modèles se développent pour inclure de plus grandes sections d'un réseau électrique ou des circuits de conversion plus détaillés, la charge de calcul par pas de temps augmente. Les équipes finissent souvent par faire des compromis sur les détails (par exemple, en regroupant les dispositifs en une seule unité moyenne) pour éviter les dépassements de pas de temps. Ce compromis entre l'échelle du système et la vitesse de simulation laisse des lacunes dans la compréhension, car un modèle simplifié peut ignorer des phénomènes localisés qui s'avèrent cruciaux pendant les opérations réelles.
Ces défis illustrent pourquoi le fait de se fier à des outils de simulation prêts à l'emploi peut freiner l'innovation. Lorsque votre simulateur introduit des doutes, par le biais d'erreurs numériques, d'événements manqués ou de simplifications forcées, il devient plus difficile de faire confiance aux résultats. Les ingénieurs ont besoin de solutions qui éliminent ces obstacles. Un simulateur doit se comporter comme le système réel, quelle que soit sa complexité ou sa rapidité.
L'intégration de modèles standard avec des solveurs spécialisés préserve la précision à des vitesses en temps réel
Les spécialistes de la simulation avancée s'attaquent à ces limites en améliorant les outils de modélisation familiers grâce à une technologie de résolution très performante. Plutôt que de forcer les ingénieurs à simplifier considérablement les modèles, l'approche consiste à améliorer la façon dont la simulation elle-même est calculée. Une méthode éprouvée consiste à intégrer des solveurs en temps réel spécifiques à un domaine directement dans des plateformes telles que Simscape Electrical™. Cela permet aux équipes de continuer à utiliser leurs modèles MATLAB/Simulink® standard tout en bénéficiant de la stabilité et de la vitesse d'un solveur personnalisé sous le capot.
Par exemple, le solveur ARTEMiS est conçu pour fonctionner avec les modèles électriques Simscape afin de garantir la stabilité numérique à des pas de temps fixes. Il utilise une technique de découplage avancée qui évite d'introduire des retards artificiels entre les sous-systèmes, préservant ainsi la fidélité du modèle même dans les simulations de réseaux à grande échelle. Concrètement, cela signifie qu'un ingénieur peut prendre un modèle Simulink détaillé d'un réseau électrique complexe et l'exécuter en temps réel sans les manipulations habituelles ni la perte de détails. Le solveur divise le réseau en blocs plus petits pouvant être résolus et les traite avec des algorithmes optimisés qui restent stables à la vitesse requise. Le simulateur ne dépend pas du ralentissement ou de l'amortissement des interactions entre les composants pour maintenir la stabilité. Par conséquent, les résultats reflètent étroitement une simulation hors ligne de haute fidélité, mais ils sont générés instantanément, étape par étape, en synchronisation avec l'horloge.
"Les outils de simulation conventionnels deviennent un goulot d'étranglement lorsqu'ils sont confrontés à la vitesse et à la complexité des systèmes électriques modernes.
La collaboration entre les outils standard et les solveurs spécialisés permet également de rationaliser les flux de travail. Les ingénieurs peuvent développer des modèles dans les outils qu'ils connaissent (comme Simulink) et simplement basculer en mode temps réel lorsqu'ils sont prêts à les exécuter sur une machine cible. Sous la surface, les solveurs gèrent automatiquement les équations rigides et les événements de commutation rapide, de sorte que même les composants notoirement difficiles calculent sans instabilité. L'expérience de l'industrie montre que cette approche permet de simuler de manière fiable des systèmes de grande taille qui seraient normalement à la limite de l'instabilité. En préservant les détails et la précision à des vitesses en temps réel, les solveurs spécialisés offrent aux ingénieurs une alternative puissante à la "simplification" de leurs modèles.
Les solveurs basés sur les FPGA sont essentiels pour la simulation électrique moderne de haute fidélité
Bien que les solveurs avancés de l'unité centrale améliorent considérablement les performances en temps réel, certains scénarios exigent simplement une vitesse supérieure à celle que peut supporter un processeur polyvalent. Les réseaux de portes programmables (FPGA) se sont imposés comme l'outil indispensable pour une simulation en temps réel ultra-fidèle. Ces puces reconfigurables exécutent des calculs en véritable parallèle et à des vitesses d'horloge permettant des pas de temps de l'ordre de la microseconde. En effet, un solveur basé sur un FPGA peut représenter la physique des dispositifs de commutation rapide et des transitoires électromagnétiques avec une granularité semblable à celle du matériel.
La différence apportée par les FPGA est frappante. Par exemple, une simulation basée sur un FPGA a traité 1 200 commutateurs de semi-conducteurs de puissance avec un pas de temps de 373 ns seulement, tout en conservant une précision de 99,83 %. Ces chiffres ne sont pas seulement théoriques ; ils se traduisent directement par la capacité de modéliser des phénomènes à haute fréquence tels que des transitions de commutation rapides ou la propagation de transitoires à travers un grand réseau. En revanche, un simulateur basé sur l'unité centrale tomberait en panne, ralentirait considérablement ou serait contraint d'effectuer une moyenne de ces dynamiques.
Les solveurs basés sur les FPGA excellent parce qu'ils peuvent calculer de nombreuses opérations simultanément. Un FPGA peut dédier différents circuits logiques à la résolution de parties du modèle en parallèle, par exemple, la résolution d'équations matricielles tout en intégrant des modèles de dispositifs dans le même cycle d'horloge. Ce parallélisme massif signifie que même les systèmes à grande échelle peuvent être simulés avec un niveau de détail sans compromis. Les plateformes modernes de simulation en temps réel associent souvent des CPU à des FPGA : le CPU gère le modèle global et les interfaces, tandis que les cartes FPGA se chargent des calculs sub-microsecondes. Le résultat est un simulateur qui peut faire fonctionner un convertisseur de commutation de 50 kHz en temps réel, capturant chaque impulsion et transitoire là où les outils de la génération précédente auraient dû ralentir les choses ou omettre complètement les détails.
"Les réseaux de portes programmables (FPGA) se sont imposés comme l'outil indispensable pour la simulation en temps réel à très haute fidélité.
Repousser les limites de la simulation en temps réel accélère l'innovation et renforce la confiance dans la conception
Tests en boucle du matériel en toute transparence
La simulation en temps réel à haute fidélité permet de tester le matériel dans la boucle (HIL) de manière transparente. Les simulateurs modernes en temps réel permettent d'obtenir une synchronisation si précise que le matériel réel ne peut pas dire qu'il n'est pas connecté au système réel. Les ingénieurs peuvent brancher des contrôleurs physiques ou des dispositifs de protection et les tester dans des conditions rigoureuses et réalistes. Le simulateur est capable d'injecter des défauts, par exemple une hausse soudaine de la tension ou une défaillance d'un composant, et le contrôleur réagira exactement comme il le ferait sur le terrain. Cela signifie que les équipes peuvent vérifier leur logiciel de contrôle et leur matériel dans d'innombrables scénarios, y compris des cas extrêmes qui seraient trop risqués ou peu pratiques à tester sur un équipement physique.
Valider des systèmes complexes en toute confiance
Le plus grand avantage de la simulation avancée en temps réel est peut-être la confiance qu'elle apporte aux décisions finales en matière de conception. Les conceptions modernes dans tous les secteurs - des groupes motopropulseurs des véhicules électriques aux réseaux électriques riches en énergies renouvelables, en passant par les systèmes aérospatiaux - impliquent d'innombrables interactions et cas limites qui doivent être validés. Les ingénieurs peuvent soumettre leurs projets à des événements tels que des pannes de réseau à cycles multiples, des changements de charge rapides ou des défaillances d'appareils, et observer comment l'ensemble du système réagit. Les simulateurs haute-fidélité capturent des effets subtils que les modèles plus simples ne détectent pas, ce qui permet de découvrir les problèmes potentiels virtuellement et non pour la première fois sur le terrain. Cette approche proactive permet d'éviter les surprises coûteuses et signifie que la conception finale a déjà été éprouvée dans un jumeau numérique du système.
Les utilisateurs avancés exploitent la boîte à outils ARTEMiS en tant que solveur enfichable dans Simscape Power Systems (anciennement SimPowerSystems) pour obtenir une précision en temps réel. En pratique, il s'agit de construire le modèle électrique dans Simscape Electrical™ comme d'habitude, puis de sélectionner ARTEMiS comme solveur à pas fixe lors de l'exécution sur du matériel en temps réel. ARTEMiS complète le modèle standard en partitionnant automatiquement le réseau et en appliquant des techniques de stabilisation numérique afin que la simulation reste stable au pas de temps choisi. Les ingénieurs peuvent ainsi simuler en temps réel des systèmes électriques complexes, tels que les micro-réseaux ou les entraînements multimoteurs, sans ajouter de délais artificiels ni simplifier le modèle. En fait, ARTEMiS sert de moteur d'exécution en temps réel qui garantit que la fidélité du modèle Simscape est préservée à grande vitesse.
Les solveurs basés sur les FPGA sont devenus essentiels car les systèmes électriques modernes impliquent souvent des phénomènes qui se déroulent plus rapidement que ce que les solveurs CPU traditionnels peuvent gérer. Les dispositifs électroniques de puissance à haute fréquence, tels que les convertisseurs au carbure de silicium (SiC) ou au nitrure de gallium (GaN), commutent si rapidement que pour les simuler avec précision, il faut des pas de temps extrêmement petits. Les FPGA peuvent calculer ces petites simulations en parallèle, ce que les processeurs généraux ont du mal à faire à grande échelle. En utilisant des FPGA, les simulateurs peuvent capturer chaque transitoire rapide et chaque événement de commutation, de sorte qu'ils modélisent avec précision tous les éléments, des entraînements de moteur à grande vitesse aux circuits de protection rapides comme l'éclair. Essentiellement, les solveurs FPGA garantissent que la résolution d'une simulation est suffisamment fine pour refléter la réalité dans les cas où même des pas de l'ordre de la microseconde brouilleraient des détails importants.
Les simulations en temps réel basées uniquement sur l'unité centrale sont limitées par la nature séquentielle et la vitesse d'horloge des processeurs à usage général. Au fur et à mesure que les modèles de simulation gagnent en complexité - avec davantage de nœuds, d'éléments de commutation et de boucles de contrôle - l'unité centrale doit effectuer davantage de calculs au cours d'un même pas de temps fixe. Elle finit par atteindre un point où elle ne peut pas terminer tous les calculs avant l'échéance de l'étape suivante, ce qui entraîne des dépassements de délais ou la nécessité d'augmenter la taille du pas de temps. Les ingénieurs doivent souvent simplifier les modèles dans le cadre des contraintes imposées par l'unité centrale, par exemple en regroupant les composants ou en réduisant les vitesses de commutation, ce qui peut entraîner l'omission de comportements dynamiques critiques. En outre, certaines simulations d'électronique de puissance impliquent des équations très rigides qui sont sujettes à l'instabilité numérique sur une unité centrale, à moins que la taille du pas ne soit augmentée. Tous ces facteurs signifient qu'une approche basée uniquement sur l'unité centrale peut ne pas simuler fidèlement des systèmes extrêmement rapides ou à grande échelle, ce qui limite les scénarios que vous pouvez tester en toute confiance.
Oui, l'un des grands avantages des simulateurs avancés en temps réel est leur capacité à explorer et à prédire des conditions de défaillance rares qu'il serait difficile de recréer autrement. Comme ces simulateurs peuvent exécuter des modèles très détaillés, les ingénieurs peuvent insérer des conditions de défaillance ou des événements extrêmes dans la simulation et observer les résultats. Par exemple, un simulateur en temps réel peut modéliser ce qui se passe si un disjoncteur d'un réseau électrique ne s'ouvre pas à temps, ou comment un système d'énergie renouvelable à plusieurs onduleurs se comporte lors d'un événement d'îlotage non planifié. En accélérant ou en répétant les scénarios dans le simulateur, vous pouvez découvrir des modes de défaillance qui prendraient normalement des années d'exploitation réelle pour apparaître. Plus important encore, lorsque la simulation fonctionne en temps réel, elle peut interagir avec des dispositifs de protection ou des contrôleurs réels, révélant ainsi comment l'ensemble du système (matériel et logiciel) réagit à ces événements rares. Cette capacité de prévision aide les ingénieurs à concevoir des systèmes plus robustes et à mettre en place des mesures de protection en cas d'événements improbables mais possibles. En bref, la simulation haute fidélité en temps réel permet une approche proactive de la fiabilité, où les défaillances potentielles sont comprises et atténuées à l'avance.
