無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(zhèn)；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)始終扮演著重要角色——用于實現(xiàn)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，用于遠距離傳輸交流電的電纜會產(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(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)計是不同的。這是因為它采用了由數(shù)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(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福基于 PC 的控制技術(shù)。嵌入式控制器、EtherCAT I/O 端子模塊以及 TwinCAT 自動化軟件，結(jié)合基于模型的設(shè)計，更好地控制和保護大功率變流器。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，通常會使用冗余系統(tǒng)。硬件和軟件中的控制和保護系統(tǒng)始終處于熱備用模式，以便在發(fā)生故障時能夠立即切換到冗余系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這一點，根據(jù) IEC 62439-3 標(biāo)準(zhǔn)，采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技術(shù)，通過多個獨立的以太網(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 自動化協(xié)議 (EAP) 實現(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(yīng)時間的要求。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 的周期時間和極小的抖動執(zhí)行控制任務(wù)。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(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 提供了一個高效、穩(wěn)定的 Unix 平臺，同時也充分滿足了當(dāng)前及未來日益增長的安全需求。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節(jié)或通過 EtherCAT 或 IEC 61850 等各種協(xié)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(fā)方法配置系統(tǒng)的特定功能和控制，并通過代碼自動生成技術(shù)將其傳輸?shù)角度胧娇刂破鳌?/p>
測試柜內(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)進行開發(fā)和驗證，因此通過仿真進行早期測試至關(guān)重要。在過去，這些測試需要在多個不同的仿真環(huán)境中進行，通常要求將控制和保護軟件手動轉(zhuǎn)換到每一個環(huán)境中。這種手動轉(zhuǎn)換過程不僅容易出錯且耗時，還難以實現(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，成功實踐了基于模型的設(shè)計和開發(fā)方法。在 Simulink® 中開發(fā)控制和保護軟件，并結(jié)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(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行相同的軟件，可以更有效地比較和驗證系統(tǒng)行為。
另一個優(yōu)勢在于，在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或需要擴展模型時，這種解決方案能夠顯著時節(jié)省時間。過去，開發(fā)人員需要進入每個目標(biāo)系統(tǒng)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(jié)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(huán)）測試，還是對真實系統(tǒng)中安裝的控制柜進行測試，該控制系統(tǒng)都能靈活應(yīng)對，為電網(wǎng)中的各類應(yīng)用場景提供最為適配的控制系統(tǒng)。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(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 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(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、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(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。倍福基于 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)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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