無(wú)論是將遠海上的海上風(fēng)力發(fā)電機組的電力傳輸至陸上電網(wǎng)；還是跨越德國南北，將北部風(fēng)力發(fā)電機組的綠色能源輸送到南部的工業(yè)重鎮；亦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(shù)始終扮演著(zhù)重要角色——用于實(shí)現大功率遠距離輸電。西門(mén)子能源公司在其解決方案中采用了 MathWorks 的 MATLAB? 和 Simulink? 以及倍?；?PC 的控制技術(shù)。

自 19 世紀 90 年代，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）和喬治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）就美國電力供應技術(shù)展開(kāi)的“電流大戰”以來(lái)，交流電成為了電力傳輸領(lǐng)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(huì )產(chǎn)生電容效應，導致傳輸損耗，因此需要通過(guò)無(wú)功功率進(jìn)行補償。然而，在直流輸電中，這種無(wú)功功率需求可忽略不計，即電流可以在顯著(zhù)降低損耗的情況下進(jìn)行傳輸。這就是為什么采用高壓直流電來(lái)進(jìn)行大功率輸電的原因。

直流輸電的基本原理

簡(jiǎn)而言之，這種直流輸電方式使用兩個(gè)帶公共直流母線(xiàn)的變流器。每個(gè)變流器都能夠靈活地將電網(wǎng)中的交流電轉換成直流電傳輸到直流母線(xiàn)中，也能夠將直流母線(xiàn)中的直流電轉換成交流電回饋到電網(wǎng)中。這樣就可以在兩個(gè)電網(wǎng)之間以任意方向傳輸電能。直流母線(xiàn)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(lèi)似于閥門(mén)的晶體管被稱(chēng)為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），用于實(shí)現電流的轉換。晶體管可以控制電流的通斷，然后通過(guò)控制晶體管的通斷生成所需的電流曲線(xiàn)。

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(gè) 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(xiàn)使用 100 至 800 kV 電壓，可在數百公里的距離內傳輸 500 至 6400 MW 的電力。

全新的大功率變流器控制解決方案

作為輸電系統和電網(wǎng)穩定領(lǐng)域的杰出制造商，西門(mén)子能源今后將更加信賴(lài)倍?；?PC 的控制技術(shù)。嵌入式控制器、EtherCAT I/O 端子模塊以及 TwinCAT 自動(dòng)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(wú)功功率以及支撐和穩定電網(wǎng)（柔性交流輸電系統，FACTS）的系統。

為了確保電網(wǎng)這一重要部分的高可靠性，通常會(huì )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(fā)生故障時(shí)能夠立即切換到冗余系統。為了實(shí)現這一點(diǎn)，根據 IEC 62439-3 標準，采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技術(shù)，通過(guò)多個(gè)獨立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )建立冗余通信。通過(guò)這種方法，嵌入式控制器不僅能夠利用 EtherCAT 自動(dòng)化協(xié)議 (EAP) 實(shí)現彼此之間的高效通信，而且還能通過(guò)符合 IEC 61850 標準的 MMS 和 GOOSE 協(xié)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(mǎn)足更高等級的電流和電壓控制對快速響應時(shí)間的要求。由于 CX2043 嵌入式控制器搭載的是 AMD Ryzen? 處理器，因此 TwinCAT 能夠以 250 μs 的周期時(shí)間和極小的抖動(dòng)執行控制任務(wù)。每個(gè)變流器最多可使用 12 臺這樣的嵌入式控制器，它們通過(guò) 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(guān)鍵基礎設施核心組成部分的系統能夠實(shí)現安全無(wú)憂(yōu)的操作。它為 TwinCAT 3 Runtime 提供了一個(gè)高效、穩定的 Unix 平臺，同時(shí)也充分滿(mǎn)足了當前及未來(lái)日益增長(cháng)的安全需求。隨后，TwinCAT 模塊在 TwinCAT 3 Runtime 中執行。直接在 C/C++ 中開(kāi)發(fā)的 TwinCAT 模塊用于基礎功能或特殊通信堆棧。通過(guò)這些模塊，可以將控制軟件從硬件細節或通過(guò) EtherCAT 或 IEC 61850 等各種協(xié)議進(jìn)行的通信過(guò)程中抽離出來(lái)。然后，使用 MATLAB? 和 Simulink? 中基于模型的開(kāi)發(fā)方法配置系統的特定功能和控制，并通過(guò)代碼自動(dòng)生成技術(shù)將其傳輸到嵌入式控制器。

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

集成、開(kāi)放的軟件

由于這類(lèi)高壓直流輸電系統無(wú)法作為物理系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗證，因此通過(guò)仿真進(jìn)行早期測試至關(guān)重要。在過(guò)去，這些測試需要在多個(gè)不同的仿真環(huán)境中進(jìn)行，通常要求將控制和保護軟件手動(dòng)轉換到每一個(gè)環(huán)境中。這種手動(dòng)轉換過(guò)程不僅容易出錯且耗時(shí)，還難以實(shí)現所有環(huán)境中控制行為的一致性和可比性。

西門(mén)子能源在追求一站式軟件解決方案的過(guò)程中，多年來(lái)始終信賴(lài) MATLAB? 和 Simulink? 平臺，成功實(shí)踐了基于模型的設計和開(kāi)發(fā)方法。在 Simulink? 中開(kāi)發(fā)控制和保護軟件，并結合使用 TwinCAT 3 Target for Simulink? 自動(dòng)生成代碼，能夠消除上述所有手動(dòng)轉換步驟，使得開(kāi)發(fā)人員能夠專(zhuān)注于其核心任務(wù)。在不同的仿真環(huán)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(gè)優(yōu)勢在于，在系統出現錯誤或需要擴展模型時(shí)，這種解決方案能夠顯著(zhù)時(shí)節省時(shí)間。過(guò)去，開(kāi)發(fā)人員需要進(jìn)入每個(gè)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(guò)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(shí)時(shí)性的嵌入式控制器上。因此，無(wú)論是 HIL（硬件在環(huán)）測試，還是對真實(shí)系統中安裝的控制柜進(jìn)行測試，該控制系統都能靈活應對，為電網(wǎng)中的各類(lèi)應用場(chǎng)景提供最為適配的控制系統。