Desarrollo en plataforma FPSoC de estrategias FCS-MPC para el control de convertidores de potencia

Abstract

La tendencia en la sociedad actual es la de un aumento persistente en la demanda de energía eléctrica, dentro de unos parámetros de calidad que las distintas normativas tienden a hacer cada vez más exigentes. Este hecho ha provocado una incesante búsqueda tecnológica de sistemas de producción energética que cada vez sean más eficientes y sostenibles. En particular, el desarrollo de la electrónica de potencia ha sido crucial y ha protagonizado muchas de las mejoras tecnológicas en este ámbito, especialmente con la progresiva integración de las fuentes de energía renovable en la red eléctrica. Entre las numerosas líneas de investigación abiertas en este campo actualmente, se encuentran la adaptación de estrategias de control cada vez más avanzadas y complejas que procuren mejores resultados, o la transición de la tecnología del Silicio (Si) a otras tecnologías de semiconductores más recientes, como las de "Wide Bandgap". Uno de los principales lastres a la hora de permitir una adopción más rápida de todas estas tecnologías es el notable incremento que precisan en la capacidad de cálculo de la plataforma de control hardware que gestiona el sistema. Es precisamente esta problemática la que se pretende abordar en este Trabajo Fin de Máster, mediante la implementación del control de un convertidor de potencia en una plataforma FPSoC ("Field Programmable System on Chip"). Básicamente, este tipo de plataformas se tratan de SoCs donde se combina la presencia de procesadores hardware con tejido FPGA, lo cual dota a estas plataformas de una flexibilidad y capacidades de cálculo extraordinarias. Para ello, se tomará como ejemplo de aplicación una estrategia de control de tipo FCS-MPC ("Finite Control Set - Model Predictive Control") para la regulación de las corrientes que un inversor trifásico de dos niveles proporciona a una carga trifásica. En particular, el desarrollo de este trabajo se centrará en el codiseño HW/SW de una arquitectura eficiente para la plataforma "All Programmable Soc" Zynq-7000 de Xilinx, que ofrece la posibilidad de combinar la capacidad de procesamiento de dos núcleos ARM y de una FPGA Artix-7. Como se desarrollará en el resto del documento, la arquitectura propuesta para este Trabajo Fin de Máster combinará la ejecución de un sistema operativo embebido en uno de los núcleos, para aprovechar las soluciones de alto nivel que un OS puede ofrecer, con la ejecución de las tareas más críticas del control mediante aplicaciones "baremetal" en el segundo núcleo. Esto elimina la incertidumbre que un sistema operativo puede introducir en tareas software que se tienen que ejecutar en tiempo real. Al mismo tiempo, esta arquitectura hará uso de la FPGA para el grueso de los cálculos del algoritmo de control, explotando las grandes capacidades de cálculo en paralelo propio de este tipo de plataformas, y aprovechando al máximo los recursos del sistema. Además, el estudio de la implementación propuesta incluirá una disquisición sobre posibles alternativas de diseño en la parte FPGA y sus efectos en la velocidad de cálculo y la ocupación de área y recursos en la misma. En resumen, el objetivo principal de este Trabajo Fin de Máster será dejar patente la viabilidad de este tipo de plataformas FPSoC para protagonizar el control de un convertidor de potencia, pudiendo convertirse en catalizadoras para la adopción de técnicas de control más ambiciosas y complejas, así como nuevas tecnologías de semiconductores, al permitir tiempos de ejecución muy reducidos. Se realizará una descripción detallada de todas las soluciones adoptadas desde la fase de diseño hasta la puesta en marcha de los equipos, que permita establecer una base de cara a futuros trabajos y a la extensión de este tipo de plataformas en este ámbito.

The demand of electric energy in nowadays society is constantly increasing, while the power delivery quality restrictions also become stricter. These facts are the main cause for the never ending search of new energy generation systems and methods with increasing efficiency and sustainability. Particularly, the development of Power Electronics has been a crucial fact to understand all the successful technological advances in this field, specially with the progressive renewable energy grid integration. Among all the ongoing researching efforts, new and more complex control strategies are being proposed in order to improve the quality of the obtained results. Besides, the appearance of "Wide Bandgap" semiconductors based on materials like Silicon Carbide (SiC) or Gallium Nitride (GaN) are allowing the transition from Siliconbased semiconductors with promising results. Nonetheless, the computational burden that the introduction of these new technologies represent is hampering their adoption as industry standards. Proposing a solution to this problem is precisely the aim of this work, with the implementation of the control of a power converter in a FPSoC ("Field Programmable System on Chip") platform. Basically, these kind of platforms combine the calculation power of FPGA fabric with the high level solutions of hard processing systems. As a particular example, a Finite Control Set Model Predictive Control strategy for the current reference tracking of a two-level three-phase power converter is chosen for this implementation. More specifically, an efficient HW/SW architecture is designed for the Zynq-7000 "All programmable SoC" by Xilinx. In short, this platform is composed of two ARM hard cores and an Artix-7 FPGA. As it will be described in this work, the proposed architecture will take advantage of the high level solutions provided by an embedded operating system, running in one of the cores. The other core will run a "baremetal" application to address critical tasks that require real time execution. Also, the FPGA will be used for the most complex calculations in the control algorithm in order to fully harness its great computational capabilities and fully exploit all the resources in the system. In addition, different alternatives for the FPGA implementation will be analysed and discussed when it comes to the speed-area trade-off. In summary, the main goal of this work is to demonstrate the viability of FPSoC platforms to implement the control of a power converter, acting as catalysts for the adoption of new complex control algorithms and fast-switching semiconductor technologies with its reduced execution times. Also, a detailed description of all the solutions adopted in this work will be offered, with the goal of establishing a base for future works with these platforms.