Implementación optimizada de algoritmos de búsqueda en hardware avanzado para aplicaciones de alta potencia

Abstract

E l aumento incesante de la demanda de energía ha conllevado la instalación de sistemas de producción de energía de mayor potencia. Sin embargo, estos sistemas de alta potencia tienen unos parámetros muy estrictos en cuanto a eficiencia, robustez, tolerancia a fallos, fácil mantenimiento, etcétera. En algunas aplicaciones de sistemas de alta potencia, una de las técnicas de modulación y control aplicadas es la eliminación selectiva de armónicos. Este método de control y modulación se basa en el estudio a priori del contenido armónico de las formas de onda de salida del convertidor, facilitando el diseño del filtro de salida del convertidor, pero limitando las pérdidas por conmutación del equipo, lo que hace que el rendimiento del mismo se mantenga por encima de los límites requeridos. Las técnicas de eliminación selectiva de armónicos necesitan de una capacidad de cálculo enorme para llevar a cabo una gran cantidad de operaciones no lineales con el objeto de resolver un sistema de ecuaciones complejo. Existen en la bibliografía múltiples métodos de búsqueda matemáticos para resolver este tipo de sistemas de ecuaciones (se muestra un ejemplo en Fig. 1), pero la velocidad de resolución del mismo hace que necesariamente el proceso tenga que realizarse offline, no pudiéndose implementar en tiempo real, que sería lo más eficiente. Además, recientemente se ha presentado la técnica de mitigación selectiva de armónicos, que plantea resolver un sistema de inecuaciones en vez de un sistema de ecuaciones. Esto hace que la búsqueda de soluciones sea aún más compleja. La evolución de los sistemas microprocesadores en las últimas décadas ha hecho que se puedan realizar millones de instrucciones por segundo y que no sea descabellado pensar en llevar a cabo técnicas de eliminación selectiva de armónicos en tiempo real. Uno de estos potentes sistemas de procesamiento digital es el sistema denominado CUDA, que presenta una capacidad de cálculo muy alta gracias al múltiple procesamiento paralelo de instrucciones. Un diagrama de la arquitectura se muestra en Fig. 2. Este tipo de sistema hardware se ha diseñado inicialmente para el procesamiento de gráficos y texturas, pero su diseño versátil ha permitido también modelos dedicados a las tareas específicas del ámbito científico. El alcance de este trabajo se fijará en dos hitos relacionados con el problema de mitigación selectiva de armónicos: 1. El estudio de un método existente para la resolución del problema de SHM, conocido por simmulated annealing. Para ello se partirá de la existente implementación del III IV Resumen Figure 1 Implementación de un algoritmo de eliminación selectiva de armónicos de tres ángulos y necesidad de realizar una mitigación de armónicos para cumplir con la normativa. Figure 2 Procesamiento paralelo de datos en el sistema CUDA. Reproducido bajo licencia CC BY 3.0 por Tosaka-commonswiki. algoritmo en CUDA, sobre la cual se estudiarán las posibilidades de optimización que ofrecen las nuevas herramientas de desarrollo disponibles. 2. La propuesta de un nuevo algoritmo, propuesto en 2014 por Naser Ghorbani y Ebrahim Babaeri, conocido por exchange market algorithm (EMA). Se realizará la implementación del problema del mismo en el entorno de MATLAB, comparándose los tiempos de ejecución de ambas resoluciones. Se realizará un montaje en Simulink/SimPowerSystems con motivo de probar las soluciones obtenidas. Por último, se implementará un interfaz sencillo, con la finalidad de facilitar al usuario la interacción con el generador de soluciones. Resumen V Realizada el estudio cuantitativo, se mostrarán algunas nociones sobre las posibilidad de implementación en tiempo real (online) del problema de mitigación selectiva de armónicos.