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——用於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® 以及倍福基於 PC 的控製技術。
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(yi)來(lai)，交(jiao)流(liu)電(dian)成(cheng)為(wei)了(le)電(dian)力(li)傳(chuan)輸(shu)領(ling)域(yu)中(zhong)應(ying)用(yong)最(zui)為(wei)廣(guang)泛(fan)的(de)方(fang)式(shi)。然(ran)而(er)，用(yong)於(yu)遠(yuan)距(ju)離(li)傳(chuan)輸(shu)交(jiao)流(liu)電(dian)的(de)電(dian)纜(lan)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)容(rong)效(xiao)應(ying)，導(dao)致(zhi)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)。然(ran)而(er)，在(zai)直(zhi)流(liu)輸(shu)電(dian)中(zhong)，這(zhe)種(zhong)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)，即(ji)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)在(zai)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)進(jin)行(xing)傳(chuan)輸(shu)。這(zhe)就(jiu)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me)采(cai)用(yong)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)電(dian)來(lai)進(jin)行(xing)大(da)功(gong)率(lv)輸(shu)電(dian)的(de)原(yuan)因(yin)。
直流輸電的基本原理
簡(jian)而(er)言(yan)之(zhi)，這(zhe)種(zhong)直(zhi)流(liu)輸(shu)電(dian)方(fang)式(shi)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)帶(dai)公(gong)共(gong)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)的(de)變(bian)流(liu)器(qi)。每(mei)個(ge)變(bian)流(liu)器(qi)都(dou)能(neng)夠(gou)靈(ling)活(huo)地(di)將(jiang)電(dian)網(wang)中(zhong)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)直(zhi)流(liu)電(dian)傳(chuan)輸(shu)到(dao)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)中(zhong)，也(ye)能(neng)夠(gou)將(jiang)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)中(zhong)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)交(jiao)流(liu)電(dian)回(hui)饋(kui)到(dao)電(dian)網(wang)中(zhong)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)兩(liang)個(ge)電(dian)網(wang)之(zhi)間(jian)以(yi)任(ren)意(yi)方(fang)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)電(dian)能(neng)。直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)是(shi)特(te)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)輸(shu)電(dian)，係(xi)統(tong)因(yin)此(ci)得(de)名(ming)為(wei)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)（HVDC）輸電係統。作用類似於閥門的晶體管被稱為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），用於實現電流的轉換。晶體管可以控製電流的通斷，然後通過控製晶體管的通斷生成所需的電流曲線。
然而，高壓直流輸電係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），並部署在 10 至 15 公頃的區域內。直流母線使用 100 至 800 kV 電壓，可在數百公裏的距離內傳輸 500 至 6400 MW 的電力。
全新的大功率變流器控製解決方案
作為輸電係統和電網穩定領域的傑出製造商，西門子能源今後將更加信賴倍福基於 PC 的控製技術。嵌入式控製器、EtherCAT I/O 端子模塊以及 TwinCAT 自動化軟件，結(jie)合(he)基(ji)於(yu)模(mo)型(xing)的(de)設(she)計(ji)，更(geng)好(hao)地(di)控(kong)製(zhi)和(he)保(bao)護(hu)大(da)功(gong)率(lv)變(bian)流(liu)器(qi)。這(zhe)些(xie)變(bian)流(liu)器(qi)不(bu)僅(jin)構(gou)成(cheng)了(le)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)輸(shu)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)基(ji)石(shi)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)用(yong)於(yu)補(bu)償(chang)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)以(yi)及(ji)支(zhi)撐(cheng)和(he)穩(wen)定(ding)電(dian)網(wang)（柔性交流輸電係統，FACTS）的係統。
為wei了le確que保bao電dian網wang這zhe一yi重zhong要yao部bu分fen的de高gao可ke靠kao性xing，通tong常chang會hui使shi用yong冗rong餘yu係xi統tong。硬ying件jian和he軟ruan件jian中zhong的de控kong製zhi和he保bao護hu係xi統tong始shi終zhong處chu於yu熱re備bei用yong模mo式shi，以yi便bian在zai發fa生sheng故gu障zhang時shi能neng夠gou立li即ji切qie換huan到dao冗rong餘yu係xi統tong。為wei了le實shi現xian這zhe一yi點dian，根gen據ju 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餘通信。通過這種方法，嵌入式控製器不僅能夠利用 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係統通信。
快速響應和安全運行
使用 EtherCAT 和高性能嵌入式控製器，可以有效滿足更高等級的電流和電壓控製對快速響應時間的要求。由於 CX2043 嵌入式控製器搭載的是 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製任務。每個變流器最多可使用 12 台這樣的嵌入式控製器，它們通過 EtherCAT 橋接端子模塊 EL6695 在冗餘段中快速交換信號。
操作係統選用的是 TwinCAT/BSD，以確保作為關鍵基礎設施核心組成部分的係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 平台，同時也充分滿足了當前及未來日益增長的安全需求。隨後，TwinCAT 模塊在 TwinCAT 3 Runtime 中執行。直接在 C/C++ 中開發的 TwinCAT 模塊用於基礎功能或特殊通信堆棧。通過這些模塊，可以將控製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。然後，使用 MATLAB® 和 Simulink® 中基於模型的開發方法配置係統的特定功能和控製，並通過代碼自動生成技術將其傳輸到嵌入式控製器。
測試櫃內安裝了 CX2043 嵌入式控製器以及直接插接的 EtherCAT 端子模塊
集成、開放的軟件
由you於yu這zhe類lei高gao壓ya直zhi流liu輸shu電dian係xi統tong無wu法fa作zuo為wei物wu理li係xi統tong進jin行xing開kai發fa和he驗yan證zheng，因yin此ci通tong過guo仿fang真zhen進jin行xing早zao期qi測ce試shi至zhi關guan重zhong要yao。在zai過guo去qu，這zhe些xie測ce試shi需xu要yao在zai多duo個ge不bu同tong的de仿fang真zhen環huan境jing中zhong進jin行xing，通tong常chang要yao求qiu將jiang控kong製zhi和he保bao護hu軟ruan件jian手shou動dong轉zhuan換huan到dao每mei一yi個ge環huan境jing中zhong。這zhe種zhong手shou動dong轉zhuan換huan過guo程cheng不bu僅jin容rong易yi出chu錯cuo且qie耗hao時shi，還hai難nan以yi實shi現xian所suo有you環huan境jing中zhong控kong製zhi行xing為wei的de一yi致zhi性xing和he可ke比bi性xing。
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® 平台，成功實踐了基於模型的設計和開發方法。在 Simulink® 中開發控製和保護軟件，並結合使用 TwinCAT 3 Target for Simulink® zidongshengchengdaima，nenggouxiaochushangshusuoyoushoudongzhuanhuanbuzhou，shidekaifarenyuannenggouzhuanzhuyuqihexinrenwu。zaibutongdefangzhenhuanjingzhongyijizuizhongdekongzhiyingjianshangyunxingxiangtongderuanjian，keyigengyouxiaodibijiaoheyanzhengxitongxingwei。
另ling一yi個ge優you勢shi在zai於yu，在zai係xi統tong出chu現xian錯cuo誤wu或huo需xu要yao擴kuo展zhan模mo型xing時shi，這zhe種zhong解jie決jue方fang案an能neng夠gou顯xian著zhu時shi節jie省sheng時shi間jian。過guo去qu，開kai發fa人ren員yuan需xu要yao進jin入ru每mei個ge目mu標biao係xi統tong修xiu正zheng錯cuo誤wu或huo擴kuo展zhan功gong能neng，但dan如ru今jin，這zhe些xie工gong作zuo都dou在zai Simulink® 的源模型中完成。結合 TwinCAT 使用，隻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製器上。因此，無論是 HIL（硬件在環）測試，還是對真實係統中安裝的控製櫃進行測試，該控製係統都能靈活應對，為電網中的各類應用場景提供最為適配的控製係統。
關於德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注於自動化新技術的德資企業，創立於 1980 年nian，總zong部bu位wei於yu德de國guo威wei爾er市shi。作zuo為wei全quan球qiu自zi動dong化hua技ji術shu的de驅qu動dong者zhe，倍bei福fu定ding義yi了le自zi動dong化hua領ling域yu的de許xu多duo標biao準zhun，是shi國guo際ji標biao準zhun的de製zhi定ding者zhe和he推tui動dong者zhe。公gong司si所suo生sheng產chan的de工gong業ye 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、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係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，加上全球的合作夥伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福於 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶於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於風力發電、半導體、光伏太陽能、電子製造、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 實時工業以太網於 2014 年成為中國國家推薦性標準，並已入編工信部的《國家智能製造標準體係建設指南》。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。倍福基於 PC 的控製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 和智能製造奠定了堅實的技術基礎。
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