倍福控制技術在高壓直流輸電系統中的應用

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中的交流電轉換成直流電傳輸到直流母線中，也能夠將直流母線中的直流電轉換成交流電回饋到電網中。這樣就可以在兩個電網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，系統因此得名為高壓直流（HVDC）輸電系統。作用類似于閥門的晶體管被稱為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），用于實現電流的轉換。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），并部署在 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功功率以及支撐和穩定電網（柔性交流輸電系統，FACTS）的系統。

為了確保電網這一重要部分的高可靠性，通常會使用冗余系統。硬件和軟件中的控制和保護系統始終處于熱備用模式，以便在發生故障時能夠立即切換到冗余系統。為了實現這一點，根據 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 中執行。直接在 C/C++ 中開發的 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。然后，使用 MATLAB 和 Simulink 中基于模型的開發方法配置系統的特定功能和控制，并通過代碼自動生成技術將其傳輸到嵌入式控制器。

集成、開放的軟件

由于這類高壓直流輸電系統無法作為物理系統進行開發和驗證，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境中進行，通常要求將控制和保護軟件手動轉換到每一個環境中。這種手動轉換過程不僅容易出錯且耗時，還難以實現所有環境中控制行為的一致性和可比性。