直流輸電的基本原理

直流輸電方式使用兩個(gè)帶公共直流母線(xiàn)的變流器。每個(gè)變流器都能夠靈活地將電網(wǎng)中的交流電轉換成直流電傳輸到直流母線(xiàn)中，也能夠將直流母線(xiàn)中的直流電轉換成交流電回饋到電網(wǎng)中。這樣就可以在兩個(gè)電網(wǎng)之間以任意方向傳輸電能。直流母線(xiàn)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(lèi)似于閥門(mén)的晶體管被稱(chēng)為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），用于實(shí)現電流的轉換。晶體管可以控制電流的通斷，然后通過(guò)控制晶體管的通斷生成所需的電流曲線(xiàn)。

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(gè) 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(xiàn)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

嵌入式控制器、EtherCAT I/O 端子模塊以及 TwinCAT 自動(dòng)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(wú)功功率以及支撐和穩定電網(wǎng)（柔性交流輸電系統，FACTS）的系統。

為了確保電網(wǎng)這一重要部分的高可靠性，通常會(huì )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(fā)生故障時(shí)能夠立即切換到冗余系統。為了實(shí)現這一點(diǎn)，根據 IEC 62439-3 標準，采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技術(shù)，通過(guò)多個(gè)獨立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )建立冗余通信。通過(guò)這種方法，嵌入式控制器不僅能夠利用 EtherCAT 自動(dòng)化協(xié)議 (EAP) 實(shí)現彼此之間的高效通信，而且還能通過(guò)符合 IEC 61850 標準的 MMS 和 GOOSE 協(xié)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(mǎn)足更高等級的電流和電壓控制對快速響應時(shí)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(shí)間和極小的抖動(dòng)執行控制任務(wù)。每個(gè)變流器最多可使用 12 臺這樣的嵌入式控制器，它們通過(guò)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(guān)鍵基礎設施核心組成部分的系統能夠實(shí)現安全無(wú)憂(yōu)的操作。它為 TwinCAT 3 Runtime 提供了一個(gè)高效、穩定的 Unix 平臺，同時(shí)也充分滿(mǎn)足了當前及未來(lái)日益增長(cháng)的安全需求。隨后，TwinCAT 模塊在 TwinCAT 3 Runtime 中執行。直接在 C/C++ 中開(kāi)發(fā)的 TwinCAT 模塊用于基礎功能或特殊通信堆棧。通過(guò)這些模塊，可以將控制軟件從硬件細節或通過(guò) EtherCAT 或 IEC 61850 等各種協(xié)議進(jìn)行的通信過(guò)程中抽離出來(lái)。然后，使用 MATLAB® 和 Simulink® 中基于模型的開(kāi)發(fā)方法配置系統的特定功能和控制，并通過(guò)代碼自動(dòng)生成技術(shù)將其傳輸到嵌入式控制器。

集成、開(kāi)放的軟件

由于這類(lèi)高壓直流輸電系統無(wú)法作為物理系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗證，因此通過(guò)仿真進(jìn)行早期測試至關(guān)重要。在過(guò)去，這些測試需要在多個(gè)不同的仿真環(huán)境中進(jìn)行，通常要求將控制和保護軟件手動(dòng)轉換到每一個(gè)環(huán)境中。這種手動(dòng)轉換過(guò)程不僅容易出錯且耗時(shí)，還難以實(shí)現所有環(huán)境中控制行為的一致性和可比性。