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；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® 以及倍福基于 PC 的控制技術。
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 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穩定領域的杰出制造商，西門子能源今后將更加信賴倍福基于 PC 的控制技術。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。
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 IEC 61850 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 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。
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。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、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域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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