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高效大功率遠距離輸電

無論是將遠海上的海上風力發電機組的電力傳輸至陸上電網；還是跨越德國南北，將北部風力發電機組的綠色能源輸送到南部的工業重鎮；或是將斯堪的納維亞半島水電站的電力遠送中歐腹地，高壓直流輸電技術始終扮演著重要角色，用于實現大功率遠距離輸電。西門子能源公司在其解決方案中采用了MathWorks?的MATLAB和Simulink?以及倍?；赑C的控制技術。

自19世紀90年代，尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）和喬治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）就美國電力供應技術展開的“電流大戰”以來，交流電成為了電力傳輸領域中應用最為廣泛的方式。然而，用于遠距離傳輸交流電的電纜會產生電容效應，導致傳輸損耗，因此需要通過無功功率進行補償。然而，在直流輸電中，這種無功功率需求可忽略不計，即電流可以在顯著降低損耗的情況下進行傳輸。這就是為什么采用高壓直流電來進行大功率輸電的原因。

直流輸電的基本原理

簡而言之，這種直流輸電方式使用兩個帶公共直流母線的變流器。每個變流器都能夠靈活地將電網中的交流電轉換成直流電傳輸到直流母線中，也能夠將直流母線中的直流電轉換成交流電回饋到電網中。這樣就可以在兩個電網之間以任意方向傳輸電能。直流母線中使用的是特高壓直流輸電，系統因此得名為高壓直流（HVDC）輸電系統。作用類似于閥門的晶體管被稱為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），用于實現電流的轉換。晶體管可以控制電流的通斷，然后通過控制晶體管的通斷生成所需的電流曲線。

然而，高壓直流輸電系統的變流器與傳統變流器的尺寸設計是不同的。這是因為它采用了由數百個IGBT組成的模塊化多電平換流器（MMC），并部署在10至15公頃的區域內。直流母線使用100至800kV電壓，可在數百公里的距離內傳輸500至6400MW的電力。

高壓直流輸電系統

全新的大功率變流器控制解決方案

作為輸電系統和電網穩定領域的杰出制造商，西門子能源今后將更加信賴倍?；赑C的控制技術。嵌入式控制器、EtherCAT I/O端子模塊以及TwinCAT自動化軟件，結合基于模型的設計，更好地控制和保護大功率變流器。這些變流器不僅構成了高壓直流輸電系統的基石，而且還可用于補償無功功率以及支撐和穩定電網（柔性交流輸電系統，FACTS）的系統。

測試柜內安裝了CX2043嵌入式控制器以及直接插接的EtherCAT端子模塊

為了確保電網這一重要部分的高可靠性，通常會使用冗余系統。硬件和軟件中的控制和保護系統始終處于熱備用模式，以便在發生故障時能夠立即切換到冗余系統。為了實現這一點，根據IEC 62439-3標準，采用TwinCAT Parallel Redundancy Protocol（PRP）技術，通過多個獨立的以太網網絡建立冗余通信。通過這種方法，嵌入式控制器不僅能夠利用EtherCAT自動化協議（EAP）實現彼此之間的高效通信，而且還能通過符合IEC61850標準的MMS和GOOSE協議與斷路器等外部系統通信。

快速響應和安全運行

使用EtherCAT和高性能嵌入式控制器，可以有效滿足更高等級的電流和電壓控制對快速響應時間的要求。由于CX2043嵌入式控制器搭載的是AMDRyzen?處理器，因此TwinCAT能夠以250μs的周期時間和極小的抖動執行控制任務。每個變流器最多可使用12臺這樣的嵌入式控制器，它們通過EtherCAT橋接端子模塊EL6695在冗余段中快速交換信號。

操作系統選用的是TwinCAT/BSD，以確保作為關鍵基礎設施核心組成部分的系統能夠實現安全無憂的操作。它為TwinCAT 3 Runtime提供了一個高效、穩定的Unix平臺，同時也充分滿足了當前及未來日益增長的安全需求。隨后，TwinCAT模塊在TwinCAT 3 Runtime中執行。直接在C/C++中開發的TwinCAT模塊用于基礎功能或特殊通信堆棧。通過這些模塊，可以將控制軟件從硬件細節或通過EtherCAT或IEC 61850等各種協議進行的通信過程中抽離出來。然后，使用MATLAB?和Simulink?中基于模型的開發方法配置系統的特定功能和控制，并通過代碼自動生成技術將其傳輸到嵌入式控制器。

集成、開放的軟件

由于這類高壓直流輸電系統無法作為物理系統進行開發和驗證，因此通過仿真進行早期測試至關重要。在過去，這些測試需要在多個不同的仿真環境中進行，通常要求將控制和保護軟件手動轉換到每一個環境中。這種手動轉換過程不僅容易出錯且耗時，還難以實現所有環境中控制行為的一致性和可比性。

西門子能源在追求一站式軟件解決方案的過程中，多年來始終信賴MATLAB?和Simulink?平臺，成功實踐了基于模型的設計和開發方法。在Simulink?中開發控制和保護軟件，并結合使用TwinCAT 3 Target for Simulink?自動生成代碼，能夠消除上述所有手動轉換步驟，使得開發人員能夠專注于其核心任務。在不同的仿真環境中以及最終的控制硬件上運行相同的軟件，可以更有效地比較和驗證系統行為。

另一個優勢在于，在系統出現錯誤或需要擴展模型時，這種解決方案能夠顯著時節省時間。過去，開發人員需要進入每個目標系統修正錯誤或擴展功能，但如今，這些工作都在Simulink?的源模型中完成。結合TwinCAT使用，只需將已測試過的軟件模塊連接至物理接口，就可以將其移植到高性能、高實時性的嵌入式控制器上。因此，無論是HIL（硬件在環）測試，還是對真實系統中安裝的控制柜進行測試，該控制系統都能靈活應對，為電網中的各類應用場景提供最為適配的控制系統。

摘自《自動化博覽》2024年11月刊