直流輸電的基本原理

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

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 標準，采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技術(shù)，通過多個獨立的以太網(wǎng)網(wǎng)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(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 標準的 MMS 和 GOOSE 協(xié)議與斷路器等外部系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)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(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>

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。