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« Dans ce workflow, les ingénieurs en électronique de puissance peuvent modéliser, simuler et valider leurs designs de systèmes de contrôle dans Simulink au niveau de fidélité requis par l'application, qu'il s'agisse d'un modèle à valeur moyenne, d'un modèle à commutation complète ou d'une solution intermédiaire. »
Avec l'accélération de la transition vers les énergies renouvelables, la demande de systèmes de transport à courant continu haute tension (high-voltage direct current ou HVDC)) augmente afin d'interconnecter les réseaux AC et de transférer efficacement l'énergie avec des pertes moindres sur de longues distances. Le projet HVDC-WISE, une collaboration financée par l'Union européenne et impliquant 14 partenaires issus de 10 pays, vise à surmonter les principaux défis en matière de fiabilité et de résilience des systèmes pour les architectures de transmission hybrides AC/DC. Les ingénieurs et les chercheurs travaillant sur ce projet s'attachent à identifier des configurations de réseau basées sur le courant continu haute tension (HVDC) qui permettent de relever ces défis tout en facilitant l'intégration des sources d'énergie renouvelables.
Un défi persistant dans le développement et le déploiement des systèmes HVDC réside dans la disparité des chaînes d'outils utilisées dans les deux principaux domaines d'ingénierie concernés. Les ingénieurs en électronique de puissance des fabricants d'équipements, ainsi que les ingénieurs en systèmes électriques des gestionnaires de réseau et des instituts de recherche, utilisent de plus en plus MATLAB® et Simulink® pour modéliser, simuler et valider une large gamme de composants et de systèmes, allant des convertisseurs et du stockage d'énergie aux configurations complètes connectées au réseau.
Cependant, des problèmes d'interopérabilité surviennent souvent lorsque des modèles de sous-systèmes développés dans un environnement doivent être utilisés dans une autre chaîne d'outils, par exemple lors d'études de certification ou d'intégration où la grille de référence ou le réseau de test est modélisé dans un environnement autre que MATLAB et Simulink. Ce besoin de traduire ou de reproduire des modèles entre différents outils est généralement long et source d'erreurs.
Parallèlement, la protection de la propriété intellectuelle (PI) demeure une préoccupation majeure. Les fabricants sont souvent réticents à partager des modèles d’implémentation détaillés lorsqu'ils collaborent avec les gestionnaires de réseau ou les organismes de certification. Pour résoudre les problèmes d'interopérabilité et de propriété intellectuelle, les workflows basés sur une Functional Mock-up Interface (FMI) et un échange de modèles paramétrables sont de plus en plus adoptés. Ces workflows permettent aux utilisateurs d'exporter des modèles Simulink sous forme de Functional Mock-up Units (FMU), un package standardisé contenant le code compilé du modèle, mais pas le modèle original visible et modifiable. Une FMU préserve la fidélité tout en permettant une intégration sécurisée dans des environnements de simulation externes ou, si nécessaire, fournit des modèles boîte noire qui maintiennent la confidentialité sans sacrifier l'interopérabilité.
Pour répondre aux besoins du projet, nos équipes de University of Strathclyde et SuperGrid Institute, tous deux partenaires du projet HVDC-WISE, ont développé un nouveau workflow qui résout les deux problèmes en utilisant la norme FMI pour unifier la cosimulation interdomaines et l'échange de modèles. Dans ce workflow, les ingénieurs en électronique de puissance peuvent modéliser, simuler et valider leurs designs de systèmes de contrôle dans Simulink au niveau de fidélité requis par l'application, qu'il s'agisse d'un modèle de valeur moyenne, d'un modèle de commutation complet ou d'un modèle intermédiaire. Ils exportent ensuite le modèle en tant que conditionneur de puissance FMU qui peut être importé par les ingénieurs système des opérateurs de réseau qui s'appuient sur des environnements de simulation de système électrique tels que DIgSILENT PowerFactory, qui sont adoptés dans les études de planification et d'exploitation du réseau (Figure 1). Ces environnements sont souvent choisis parce que les modèles de réseau, les données et les workflows de validation existants ont été construits depuis longtemps autour d'eux, ce qui fait de leur utilisation continue une exigence pratique à des fins d'interopérabilité et de certification.
Figure 1. La norme FMI permet la cosimulation inter-domaines et l'échange de modèles avec PowerFactory et Simulink.
Les sections suivantes illustrent un exemple d'utilisation que nous avons implémenté à l'aide de ce workflow : le design et l'analyse au niveau système d'un système de stockage d'énergie connecté directement à des terminaux HVDC.
Les systèmes de stockage d'énergie (ESS) offrent une flexibilité et une stabilité essentielles aux réseaux à forte pénétration d'énergies renouvelables. Le système ESS que nous avons conçu pour cette application est connecté directement aux bornes HVDC via une branche de sous-modules de stockage d'énergie (ES-SM) connectés en série, ainsi qu'une inductance de branche. Chaque ES-SM combine un sous-module demi-pont avec un élément de stockage, soit une batterie, soit un supercondensateur, interfacé via un convertisseur DC/DC (Figure 2). Cette architecture modulaire permet au système de stockage d'énergie (ESS) d'injecter ou d'absorber de l'énergie du système HVDC sur toute la plage de tension du stockage.
Figure 2. La branche ES-SM montre les détails d'un seul ES-SM (à gauche) et un modèle moyen de la branche ES-SM avec des supercondensateurs ou des batteries comme éléments de stockage (à droite).
Pour ce cas d'utilisation, nous nous sommes principalement intéressés aux analyses au niveau réseau plutôt qu'au comportement détaillé du système de stockage d'énergie lui-même. Nous avons donc décidé d’implémenter un modèle de valeur moyenne qui capture le comportement du système de stockage d'énergie sans simuler les états individuels des commutateurs d'électronique de puissance. Plutôt que de modéliser explicitement chaque sous-module, le modèle de valeur moyenne représente la dynamique combinée à l'aide d'un condensateur équivalent et d'éléments de stockage équivalents. Pour créer un modèle du système physique pour la branche ES-SM, nous avons traduit les relations du circuit en équations, par exemple, en calculant la tension du condensateur comme l'intégrale du courant net selon la loi des courants de Kirchhoff. Nous avons implémenté ces équations sous forme de blocs de fonctions MATLAB.
Nous avons ensuite implémenté deux stratégies de contrôle en cascade différentes pour l'ESS : l'une utilise une boucle de courant interne avec une boucle de contrôle de puissance externe pour réguler l'injection de puissance DC, tandis que l'autre utilise une boucle de courant interne avec une boucle de contrôle d'énergie externe pour gérer l'énergie équivalente du condensateur (Figure 3).
Figure 3. Contrôleurs en cascade pour réguler l'énergie du condensateur équivalent (ci-dessus) et pour réguler la puissance DC (ci-dessous).
Nous avons modélisé les deux stratégies de contrôle dans Simulink (Figure 4) et exécuté des simulations en boucle fermée avec les contrôleurs et le système physique pour régler les paramètres de contrôle et évaluer et valider les performances du design.
Figure 4. Modèle Simulink pour l'ESS, comprenant des blocs pour l’implémentation de deux stratégies de contrôle différentes (zone ombrée).
Cette approche de modélisation par valeur moyenne offre l'efficacité de calcul nécessaire aux simulations à l'échelle du réseau tout en conservant une précision suffisante pour les flux de puissance et la dynamique de l'énergie.
Une fois le modèle ESS validé dans Simulink, nous l'avons exporté en tant que FMU pour la cosimulation au niveau réseau, qui dans cet exemple a été réalisée à l'aide de PowerFactory. Pour ce faire, nous avons utilisé Simulink Compiler™ et le support package FMU Builder for Simulink afin de générer une FMU autonome contenant une bibliothèque partagée binaire compilée à partir du modèle ESS Simulink. Le fichier FMU résultant agit comme une boîte noire standardisée, indépendante de la plateforme et autonome. Il contient du code exécutable qui implémente le comportement du modèle sans exposer le design Simulink sous-jacent.
Dans PowerFactory, nous avons créé un modèle de test simple composé d'une inductance de branche et d'une source de tension contrôlée et connecté ce modèle à la FMU (contenant à la fois les contrôleurs et le système physique ES-SM) que nous avions générée à partir de Simulink (Figure 5).
Figure 5. Un modèle simple pour valider la FMU.
Pour valider notre workflow basé sur FMU, nous avons exécuté des scénarios de simulation identiques dans Simulink et PowerFactory. La simulation commence sans absorption de puissance et avec une tension sur le condensateur équivalent égale à \(700\) \( kV \). À t=0,5 s, la tension de référence du condensateur équivalent passe à \(710\) \( kV \), tandis que à t=1 s, la puissance de référence passe à \(10\) \( MW \), et à t=1,5 s, elle monte jusqu'à \(100\) \( MW \) (dans les deux cas, le flux de puissance est dirigé vers le système de stockage). Les résultats de Simulink sont présentés dans la figure 6, tandis que les résultats de la simulation DIgSILENT PowerFactory sont présentés dans la figure 7.
Figure 6. Puissance ESS en watts (ci-dessus) et tension équivalente du condensateur en volts (ci-dessous) affichées dans Simulink.
Figure 7. Puissance ESS en watts (ci-dessus) et tension équivalente du condensateur en volts (ci-dessous) affichées dans PowerFactory.
Les résultats de la simulation ont montré une concordance étroite (figures 6 et 7), les formes d'onde de puissance et de tension étant pratiquement identiques après les transitoires initiaux. Ce résultat a confirmé que le workflow que nous avons utilisé permet une cosimulation interplateforme efficace des systèmes et sous-systèmes HVDC.
Le workflow basé sur les FMI et les FMU que nous avons mis en place offre des avantages significatifs pour le développement des systèmes HVDC. En séparant les activités de design des dispositifs des activités de certification au niveau réseau, les ingénieurs en électronique de puissance peuvent se concentrer sur le design et la validation des sous-systèmes dans Simulink, tandis que les ingénieurs en systèmes électriques peuvent effectuer des analyses de certification et de stabilité dans des outils spécialisés comme PowerFactory, sans nécessiter de réimplémentation manuelle du modèle. Cette capacité est particulièrement précieuse car la reconstruction de modèles de contrôle complexes dans PowerFactory peut être longue et nécessite des connaissances spécialisées du langage de simulation DIgSILENT. Notre workflow fait le lien entre ces deux environnements, en utilisant la norme FMI pour permettre l'échange de modèles et la cosimulation. Au-delà de l'efficacité, notre workflow offre trois avantages clés : l'interopérabilité entre les plateformes de simulation, la réutilisation des modèles vérifiés (gain de temps de développement et garantie de cohérence) et la protection de la propriété intellectuelle grâce à l'encapsulation en boîte noire. Les deux avantages que sont l'interopérabilité et la protection de la propriété intellectuelle se sont révélés particulièrement précieux au sein du consortium HVDC-WISE, permettant aux partenaires de partager des modèles en toute sécurité et d'améliorer leurs efforts de développement collaboratif.
Nous avons déjà utilisé ce workflow pour un certain nombre de modèles en plus de l'ESS, notamment un système de freinage dynamique et un convertisseur MMC grid-forming. Les efforts futurs porteront sur le perfectionnement et l'élargissement de la bibliothèque de modèles existante des composants HVDC basés sur FMU, la réalisation de tests d'interopérabilité sur des plateformes de simulation supplémentaires et la réalisation d'études de validation croisée supplémentaires afin d'améliorer la précision et la facilité d'utilisation du modèle. En proposant des modèles standardisés et interopérables et en étendant l'application de notre workflow à des scénarios de systèmes électriques à grande échelle plus réalistes, nous visons à promouvoir cette approche au sein de la communauté des ingénieurs en énergie afin de soutenir l'objectif plus large du projet HVDC-WISE, qui est d'accélérer le déploiement d'architectures de transmission hybrides AC/DC fiables et résilientes.
Le projet HVDC-WISE est supporté par le programme Horizon Europe de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention n 01075424.
Le financement de UK Research and Innovation pour HVDC-WISE est assuré dans le cadre de la garantie de financement Horizon Europe du gouvernement britannique [subvention n° 10041877 & 10051113].
Publié en 2026
