Methodologies and algorithms for advanced modeling of electrical systems through FPGA and real-time simulators

Chosing the best decoupling methodology for emulating circuits based on inductive impedences is paramount for integrating real-time simulators with real electrical systems. Distributed Real-Time Simulations takes relevance in domains where one computational device is insufficient to model the complexities of a system, e.g. electrical transients. However, this requires fast and deterministic methodologies for communication. The objective of this thesis is to study the behavior of decoupled circuits made of resistiveinductive equivalent elements and investigate on the communication techniques. The setup employed in this thesis makes use of a commercial Hardware-in-the-Loop setup and a low-cost entry level Field Programmable Gate Array. The research begins from the analysis of Real-Time Simulations and Power Hardware-in-the-Loop. Methods to perform Real-Time Simulations are examined, employing hardware as real time processing units and Field Programmable Gate Array. Regarding communication, Ethernet connection is considered, analyzing problems as conversion protocols, delays and computation time, in order to recover signals. In case of network communication, which is identified as the most elastic approach, metrics as values computation time and number of packets exchanged are registered. Second approach requires analog/digital pins, Analog-to-Digital Converters and Pulse Width Modulation. Although this method offers a faster approach than the previous one, a more complex signal recovery strategy is required. Test cases are designed around electrical network frequency and are compared with systems which are not partitioned. Results show that, even with en entry-level device, execution and simulation of electrical systems in a distributed manner is possible, approximating the results achieved with single device simulation. This allows combination of heterogeneous type of devices, with various communications solutions at different level of abstraction and costs.

La scelta della migliore metodologia di disaccoppiamento per l’emulazione di circuiti basati su impedenze induttive è fondamentale per l’integrazione di simulatori in tempo reale con sistemi elettrici reali. Le simulazioni distribuite in tempo reale assumono rilevanza in domini in cui un singolo dispositivo di calcolo non è sufficiente a modellare la complessità di un sistema, come ad esempio i transitori elettrici. Tuttavia, ciò richiede metodologie di comunicazione rapide e deterministiche. L’obiettivo di questa tesi è studiare il comportamento di circuiti disaccoppiati costituiti da elementi equivalenti resistivo-induttivi e indagare sulle tecniche di comunicazione. Il setup impiegato in questa tesi è composto da un sistema Hardware-in-the-Loop commerciale e da un Field Programmable Gate Array entry-level a basso costo. La ricerca inizia dall’analisi di simulazioni in tempo reale e dell’hardware in the loop di potenza. Vengono esaminati i metodi per eseguire simulazioni in tempo reale, utilizzando hardware come unità di elaborazione in tempo reale e Field Programmable Gate Array. Per quanto riguarda la comunicazione, viene presa in considerazione la connessione Ethernet, analizzando problemi quali protocolli di conversione, ritardi e tempi di calcolo, al fine di recuperare i segnali. Nel caso della comunicazione di rete, identificata come l’approccio più elastico, vengono registrate metriche come il tempo di calcolo dei valori e il numero di pacchetti scambiati. Il secondo approccio richiede pin analogici/digitali, convertitori analogico-digitali e modulazione di larghezza di impulso. Sebbene questo metodo offra un approccio più rapido rispetto al precedente, è richiesta una strategia di recupero del segnale più complessa. I casi di test vengono progettati in base alla frequenza della rete elettrica e confrontati con sistemi non partizionati. I risultati mostrano che, anche con un dispositivo entry-level, è possibile eseguire e simulare sistemi elettrici in modo distribuito, approssimando i risultati ottenuti con quelli ricavati dalla simulazione su un singolo dispositivo. Ciò consente la combinazione di dispositivi di tipologia eterogenea, con diverse soluzioni di comunicazione a diversi livelli di astrazione e costi.