德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統和高壓技術(shù)研究所（IEH）正在研究如何確保因向可再生能源過(guò)渡而發(fā)生變化的輸電網(wǎng)的系統穩定性。除了模擬研究之外，發(fā)電廠(chǎng)和基于逆變器的發(fā)電系統的行為正在被用作專(zhuān)用測試環(huán)境的孤島電網(wǎng)中進(jìn)行仿真。在這里，研究人員正在運行安裝有 TwinCAT 的倍福嵌入式控制器上實(shí)施具有創(chuàng )新意義的新型控制方法，以驗證它們在真實(shí)場(chǎng)景中的應用是否可行。
  面向未來(lái)電網(wǎng)的
  電網(wǎng)友好型控制方法
  在很多輸電網(wǎng)中，可再生能源發(fā)電比例正在逐步增加。與傳統的基于同步發(fā)電機的發(fā)電設備不同，風(fēng)力和光伏發(fā)電設備通過(guò)并網(wǎng)逆變器直接將電能輸入公共電網(wǎng)；但在使用傳統的電網(wǎng)跟隨逆變器控制時(shí)，基于逆變器運行的資源在超過(guò)一定比例時(shí)會(huì )出現穩定性問(wèn)題。這就是為什么需要創(chuàng )新的控制方法，以使可再生能源發(fā)電系統的整合不必因此而受到限制。眾所周知，這些組網(wǎng)控制方法旨在為逆變器提供電網(wǎng)支撐的行為 — 100 多年來(lái)一直與基于同步發(fā)電機的發(fā)電設備類(lèi)型相關(guān)。其結果包括讓風(fēng)力發(fā)電機也具有瞬時(shí)儲能能力。

 
  通過(guò) TwinCAT HMI 對電網(wǎng)仿真進(jìn)行操作和監測 

  電網(wǎng)仿真
  人們無(wú)法對歐洲大陸互聯(lián)電網(wǎng)中強烈變化電網(wǎng)頻率下的逆變器行為進(jìn)行研究。IEH 為此建立了一個(gè)電網(wǎng)仿真系統，用于仿真大型發(fā)電設備的真實(shí)行為，因此也可用于仿真大型輸電網(wǎng)行為。電網(wǎng)仿真系統包括一個(gè)帶勵磁機的同步發(fā)電機，通過(guò)一個(gè)由驅動(dòng)逆變器和異步電機（而不是渦輪機）組成的變速驅動(dòng)系統驅動(dòng)。軸上還有一個(gè)飛輪，以達到與發(fā)電設備中的渦輪機相當的慣量。連接負荷可能會(huì )導致頻率驟降，大型輸電網(wǎng)在受到干擾時(shí)會(huì )出現這種情況。通過(guò)實(shí)際提供瞬時(shí)儲備，電網(wǎng)仿真（與電力電子電網(wǎng)仿真相反）允許在孤島電網(wǎng)中連接的資源對電網(wǎng)頻率作出瞬時(shí)響應。
  倍福的 CX5140 嵌入式控制器用作中央自動(dòng)化和控制硬件，而各種 EtherCAT 端子模塊則用于測量機械和電氣變量。兩臺設備上都安裝了編碼器來(lái)測量旋轉速度，這些編碼器通過(guò) EL5021 SinCos 編碼器接口端子模塊進(jìn)行評估。扭矩可以通過(guò)兩個(gè)扭矩測量軸和一個(gè) ELM300x 模擬量電壓測量端子模塊確定。EL3783 電力監測超采樣端子模塊與電流互感器相結合，采集三相電壓、電流和功率值。CX5140 嵌入式控制器通過(guò) EtherCAT 與驅動(dòng)逆變器通信。同步發(fā)電機勵磁機的勵磁由一個(gè) EL2535-0005 脈寬電流端子模塊保障。電源接觸器由 EL2634 繼電器端子模塊作為執行器控制。
  閉環(huán)控制的設計在 MATLAB®/Simulink® 中通過(guò)使用基于模型的設計完成，編譯后，使用 TwinCAT 3 Target for Simulink® 在嵌入式控制器上實(shí)時(shí)執行。通過(guò) TwinCAT HMI 實(shí)施了一個(gè)方便的用戶(hù)界面來(lái)操作試驗臺，在這里，可以在運行期間實(shí)時(shí)修改控制參數、設定值和極限值。此外，可以用圖形方式顯示測量結果和設備狀態(tài)。TwinCAT Scope View 可用于可視化和記錄測量值。
  逆變器仿真 

  對于逆變器仿真，CX2030 嵌入式控制器可以實(shí)現 50 μs 的短控制周期 

  針對基于逆變器的發(fā)電設備新設計的控制方法的研究需要一個(gè)靈活的測試設施，它在如何實(shí)施控制方法方面必須具有足夠的自由度。由于第一步的重點(diǎn)是對逆變器電網(wǎng)側進(jìn)行控制，因此三相逆變器的調制和功率半導體的行為可以通過(guò)三個(gè)線(xiàn)性電壓放大器仿真。在這里，電壓放大器被用作受控的理想電壓源。逆變器仿真控制柜位于電壓放大器和電網(wǎng)仿真的孤島電網(wǎng)之間。除了控制硬件之外，控制柜中還安裝了可調節的主電源濾波器、電壓和電流測量裝置，以及接觸器和斷路器等設備。
  一臺插接有多個(gè) EtherCAT 端子模塊的嵌入式控制器也被用作該試驗臺的中央平臺。一臺 CX2030 甚至能夠以快速循環(huán)時(shí)間執行復雜的程序。6 個(gè) EL3702 雙通道模擬量輸入端子模塊通過(guò)霍爾效應電流傳感器采集多個(gè)測量點(diǎn)上的三相電壓和電流值。電壓設定值通過(guò) EL4732 模擬量輸出端子輸出，并作為電壓電平傳輸給電壓放大器。
  與電網(wǎng)仿真中一樣，在 MATLAB®/Simulink® 中開(kāi)發(fā)和驗證的控制方法也可以在 CX2030 上實(shí)時(shí)執行。主要的不同點(diǎn)在于控制周期短，僅為 50 μs。加上 EtherCAT 端子模塊和電壓放大器，整個(gè)控制回路的死區時(shí)間僅為 150 μs。試驗臺也可通過(guò)由 TwinCAT HMI 創(chuàng )建的用戶(hù)界面進(jìn)行操作和監測。此時(shí)最重要的是對極限值的快速監測，如果超過(guò)了限值，就會(huì )導致安全關(guān)斷。
  測試環(huán)境
  逆變器仿真與電網(wǎng)仿真相結合，可以構成一個(gè)孤島測試環(huán)境，可以輕松對新的組網(wǎng)控制方法的行為進(jìn)行研究。研究所已經(jīng)對“同步逆變器”控制方法，即利用逆變器仿真同步發(fā)電機的行為，進(jìn)行了研究并公布了研究結果。實(shí)驗表明，配備合適控制系統的逆變器式發(fā)電系統可以提供瞬時(shí)電能儲備，為電網(wǎng)提供技術(shù)支撐。這也可以證明，與實(shí)時(shí)模擬器相比，可以使用已在工業(yè)環(huán)境中得到成熟應用的控制平臺實(shí)現組網(wǎng)控制。
  展望未來(lái)，研究所將繼續開(kāi)發(fā)組網(wǎng)控制方法，以將其用于基于逆變器的操作設備中，如風(fēng)力發(fā)電機。由于基于逆變器仿真的研究取得了成功，一個(gè)代表風(fēng)力發(fā)電機驅動(dòng)系統的試驗臺正在建立中，該試驗臺由一個(gè)發(fā)電機和縮減性能的全逆變器組成。這里的重點(diǎn)將放在風(fēng)力發(fā)電機中所使用的部件的應用，如控制硬件和功率半導體，將繼續研究如何能夠在風(fēng)力發(fā)電機中實(shí)施組網(wǎng)控制系統。