应用案例 | 基于模型的开发设计和基于 PC 的控制技术在高压直流输电系统中的应用

无论是将远海上的海上风力发电机组的电力传输至陆上电网；还是跨越德国南北，将北部风力发电机组的绿色能源输送到南部的工业重镇；亦或是将斯堪的纳维亚半岛水电站的电力远送中欧腹地，高压直流输电技术始终扮演着重要角色——用于实现大功率远距离输电。西门子能源公司在其解决方案中采用了 MathWorks 的 MATLAB® 和 Simulink® 以及倍福基于 PC 的控制技术。

自 19 世纪 90 年代，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）和乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）就美国电力供应技术展开的“电流大战”以来，交流电成为了电力传输领域中应用最为广泛的方式。然而，用于远距离传输交流电的电缆会产生电容效应，导致传输损耗，因此需要通过无功功率进行补偿。然而，在直流输电中，这种无功功率需求可忽略不计，即电流可以在显著降低损耗的情况下进行传输。这就是为什么采用高压直流电来进行大功率输电的原因。

直流输电的基本原理

简而言之，这种直流输电方式使用两个带公共直流母线的变流器。每个变流器都能够灵活地将电网中的交流电转换成直流电传输到直流母线中，也能够将直流母线中的直流电转换成交流电回馈到电网中。这样就可以在两个电网之间以任意方向传输电能。直流母线中使用的是特高压直流输电，系统因此得名为高压直流（HVDC）输电系统。作用类似于阀门的晶体管被称为绝缘栅双极型晶体管（IGBT），用于实现电流的转换。晶体管可以控制电流的通断，然后通过控制晶体管的通断生成所需的电流曲线。

然而，高压直流输电系统的变流器与传统变流器的尺寸设计是不同的。这是因为它采用了由数百个 IGBT 组成的模块化多电平换流器（MMC），并部署在 10 至 15 公顷的区域内。直流母线使用 100 至 800 kV 电压，可在数百公里的距离内传输 500 至 6400 MW 的电力。

全新的大功率变流器控制解决方案

作为输电系统和电网稳定领域的杰出制造商，西门子能源今后将更加信赖倍福基于 PC 的控制技术。嵌入式控制器、EtherCAT I/O 端子模块以及 TwinCAT 自动化软件，结合基于模型的设计，更好地控制和保护大功率变流器。这些变流器不仅构成了高压直流输电系统的基石，而且还可用于补偿无功功率以及支撑和稳定电网（柔性交流输电系统，FACTS）的系统。

为了确保电网这一重要部分的高可靠性，通常会使用冗余系统。硬件和软件中的控制和保护系统始终处于热备用模式，以便在发生故障时能够立即切换到冗余系统。为了实现这一点，根据 IEC 62439-3 标准，采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技术，通过多个独立的以太网网络建立冗余通信。通过这种方法，嵌入式控制器不仅能够利用 EtherCAT 自动化协议 (EAP) 实现彼此之间的高效通信，而且还能通过符合 IEC 61850 标准的 MMS 和 GOOSE 协议与断路器等外部系统通信。

快速响应和安全运行

使用 EtherCAT 和高性能嵌入式控制器，可以有效满足更高等级的电流和电压控制对快速响应时间的要求。由于 CX2043 嵌入式控制器搭载的是 AMD Ryzen™ 处理器，因此 TwinCAT 能够以 250 µs 的周期时间和极小的抖动执行控制任务。每个变流器最多可使用 12 台这样的嵌入式控制器，它们通过 EtherCAT 桥接端子模块 EL6695 在冗余段中快速交换信号。

操作系统选用的是 TwinCAT/BSD，以确保作为关键基础设施核心组成部分的系统能够实现安全无忧的操作。它为 TwinCAT 3 Runtime 提供了一个高效、稳定的 Unix 平台，同时也充分满足了当前及未来日益增长的安全需求。随后，TwinCAT 模块在 TwinCAT 3 Runtime 中执行。直接在 C/C++ 中开发的 TwinCAT 模块用于基础功能或特殊通信堆栈。通过这些模块，可以将控制软件从硬件细节或通过 EtherCAT 或 IEC 61850 等各种协议进行的通信过程中抽离出来。然后，使用 MATLAB® 和 Simulink® 中基于模型的开发方法配置系统的特定功能和控制，并通过代码自动生成技术将其传输到嵌入式控制器。

集成、开放的软件

由于这类高压直流输电系统无法作为物理系统进行开发和验证，因此通过仿真进行早期测试至关重要。在过去，这些测试需要在多个不同的仿真环境中进行，通常要求将控制和保护软件手动转换到每一个环境中。这种手动转换过程不仅容易出错且耗时，还难以实现所有环境中控制行为的一致性和可比性。

西门子能源在追求一站式软件解决方案的过程中，多年来始终信赖 MATLAB® 和 Simulink® 平台，成功实践了基于模型的设计和开发方法。在 Simulink® 中开发控制和保护软件，并结合使用 TwinCAT 3 Target for Simulink® 自动生成代码，能够消除上述所有手动转换步骤，使得开发人员能够专注于其核心任务。在不同的仿真环境中以及最终的控制硬件上运行相同的软件，可以更有效地比较和验证系统行为。

另一个优势在于，在系统出现错误或需要扩展模型时，这种解决方案能够显著时节省时间。过去，开发人员需要进入每个目标系统修正错误或扩展功能，但如今，这些工作都在 Simulink® 的源模型中完成。结合 TwinCAT 使用，只需将已测试过的软件模块连接至物理接口，就可以将其移植到高性能、高实时性的嵌入式控制器上。因此，无论是 HIL（硬件在环）测试，还是对真实系统中安装的控制柜进行测试，该控制系统都能灵活应对，为电网中的各类应用场景提供最为适配的控制系统。