無論是將遠(yuǎn)海上的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電力傳輸至陸上電網(wǎng);還是跨越德國(guó)南北,將北部風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的綠色能源輸送到南部的工業(yè)重鎮(zhèn);亦或是將斯堪的納維亞半島水電站的電力遠(yuǎn)送中歐腹地,高壓直流輸電技術(shù)始終扮演著重要角色——用于實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)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® 以及倍福基于 PC 的控制技術(shù)。
自 19 世紀(jì) 90 年代,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)和喬治·威斯汀豪斯(George Westinghouse)就美國(guó)電力供應(yīng)技術(shù)展開的“電流大戰(zhàn)”以來,交流電成為了電力傳輸領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的方式。然而,用于遠(yuǎn)距離傳輸交流電的電纜會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng),導(dǎo)致傳輸損耗,因此需要通過無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。然而,在直流輸電中,這種無功功率需求可忽略不計(jì),即電流可以在顯著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(zhuǎn)換成直流電傳輸?shù)街绷髂妇中,也能夠?qū)⒅绷髂妇中的直流電轉(zhuǎn)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。直流母線中使用的是特高壓直流輸電,系統(tǒng)因此得名為高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)。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(shí)現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)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(tǒng)的變流器與傳統(tǒng)變流器的尺寸設(shè)計(jì)是不同的。這是因?yàn)樗捎昧擞蓴?shù)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(qū)域內(nèi)。直流母線使用 100 至 800 kV 電壓,可在數(shù)百公里的距離內(nèi)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(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)定領(lǐng)域的杰出制造商,西門子能源今后將更加信賴倍; 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(jié)合基于模型的設(shè)計(jì),更好地控制和保護(hù)大功率變流器。這些變流器不僅構(gòu)成了高壓直流輸電系統(tǒng)的基石,而且還可用于補(bǔ)償無功功率以及支撐和穩(wěn)定電網(wǎng)(柔性交流輸電系統(tǒng),F(xiàn)ACTS)的系統(tǒng)。
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(tǒng)。硬件和軟件中的控制和保護(hù)系統(tǒng)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(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),根據(jù) IEC 62439-3 標(biāo)準(zhǔn),采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技術(shù),通過多個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)化協(xié)議 (EAP) 實(shí)現(xiàn)彼此之間的高效通信,而且還能通過符合 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的 MMS 和 GOOSE 協(xié)議與斷路器等外部系統(tǒng)通信。
快速響應(yīng)和安全運(yùn)行
使用 EtherCAT 和高性能嵌入式控制器,可以有效滿足更高等級(jí)的電流和電壓控制對(duì)快速響應(yīng)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(zhí)行控制任務(wù)。每個(gè)變流器最多可使用 12 臺(tái)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(hào)。
操作系統(tǒng)選用的是 TwinCAT/BSD,以確保作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施核心組成部分的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全無憂的操作。它為 TwinCAT 3 Runtime 提供了一個(gè)高效、穩(wěn)定的 Unix 平臺(tái),同時(shí)也充分滿足了當(dāng)前及未來日益增長(zhǎng)的安全需求。隨后,TwinCAT 模塊在 TwinCAT 3 Runtime 中執(zhí)行。直接在 C/C++ 中開發(fā)的 TwinCAT 模塊用于基礎(chǔ)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(xì)節(jié)或通過 EtherCAT 或 IEC 61850 等各種協(xié)議進(jìn)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(fā)方法配置系統(tǒng)的特定功能和控制,并通過代碼自動(dòng)生成技術(shù)將其傳輸?shù)角度胧娇刂破鳌?/p>
測(cè)試柜內(nèi)安裝了 CX2043 嵌入式控制器以及直接插接的 EtherCAT 端子模塊
集成、開放的軟件
由于這類高壓直流輸電系統(tǒng)無法作為物理系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證,因此通過仿真進(jìn)行早期測(cè)試至關(guān)重要。在過去,這些測(cè)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(hù)軟件手動(dòng)轉(zhuǎn)換到每一個(gè)環(huán)境中。這種手動(dòng)轉(zhuǎn)換過程不僅容易出錯(cuò)且耗時(shí),還難以實(shí)現(xiàn)所有環(huán)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(tái),成功實(shí)踐了基于模型的設(shè)計(jì)和開發(fā)方法。在 Simulink® 中開發(fā)控制和保護(hù)軟件,并結(jié)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(zhuǎn)換步驟,使得開發(fā)人員能夠?qū)W⒂谄浜诵娜蝿?wù)。在不同的仿真環(huán)境中以及最終的控制硬件上運(yùn)行相同的軟件,可以更有效地比較和驗(yàn)證系統(tǒng)行為。
另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于,在系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或需要擴(kuò)展模型時(shí),這種解決方案能夠顯著時(shí)節(jié)省時(shí)間。過去,開發(fā)人員需要進(jìn)入每個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)修正錯(cuò)誤或擴(kuò)展功能,但如今,這些工作都在 Simulink® 的源模型中完成。結(jié)合 TwinCAT 使用,只需將已測(cè)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(shí)時(shí)性的嵌入式控制器上。因此,無論是 HIL(硬件在環(huán))測(cè)試,還是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)中安裝的控制柜進(jìn)行測(cè)試,該控制系統(tǒng)都能靈活應(yīng)對(duì),為電網(wǎng)中的各類應(yīng)用場(chǎng)景提供最為適配的控制系統(tǒng)。
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福(Beckhoff)是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè),創(chuàng)立于 1980 年,總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者,倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn),是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng),可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力,倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu),加上全球的合作伙伴,業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū),現(xiàn)有員工 300 人,辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn),并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司,倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新,在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍; PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性,它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議,將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起,為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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