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德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的電力系統(tǒng)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渡而發(fā)生變化的輸電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。除了模擬研究之外，發(fā)電廠和基于逆變器的發(fā)電系統(tǒng)的行為正在被用作專用測試環(huán)境的孤島電網(wǎng)中進行仿真。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施具有創(chuàng)新意義的新型控制方法，以驗證它們在真實場景中的應(yīng)用是否可行。
面向未來電網(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(tǒng)的基于同步發(fā)電機的發(fā)電設(shè)備不同，風(fēng)力和光伏發(fā)電設(shè)備通過并網(wǎng)逆變器直接將電能輸入公共電網(wǎng)；但在使用傳統(tǒng)的電網(wǎng)跟隨逆變器控制時，基于逆變器運行的資源在超過一定比例時會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。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(tǒng)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 多年來一直與基于同步發(fā)電機的發(fā)電設(shè)備類型相關(guān)。其結(jié)果包括讓風(fēng)力發(fā)電機也具有瞬時儲能能力。
通過 TwinCAT HMI 對電網(wǎng)仿真進行操作和監(jiān)測
電網(wǎng)仿真
人們無法對歐洲大陸互聯(lián)電網(wǎng)中強烈變化電網(wǎng)頻率下的逆變器行為進行研究。IEH 為此建立了一個電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，用于仿真大型發(fā)電設(shè)備的真實行為，因此也可用于仿真大型輸電網(wǎng)行為。電網(wǎng)仿真系統(tǒng)包括一個帶勵磁機的同步發(fā)電機，通過一個由驅(qū)動逆變器和異步電機（而不是渦輪機）組成的變速驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動。軸上還有一個飛輪，以達(dá)到與發(fā)電設(shè)備中的渦輪機相當(dāng)?shù)膽T量。連接負(fù)荷可能會導(dǎo)致頻率驟降，大型輸電網(wǎng)在受到干擾時會出現(xiàn)這種情況。通過實際提供瞬時儲備，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)頻率作出瞬時響應(yīng)。
倍福的 CX5140 嵌入式控制器用作中央自動化和控制硬件，而各種 EtherCAT 端子模塊則用于測量機械和電氣變量。兩臺設(shè)備上都安裝了編碼器來測量旋轉(zhuǎn)速度，這些編碼器通過 EL5021 SinCos 編碼器接口端子模塊進行評估。扭矩可以通過兩個扭矩測量軸和一個 ELM300x 模擬量電壓測量端子模塊確定。EL3783 電力監(jiān)測超采樣端子模塊與電流互感器相結(jié)合，采集三相電壓、電流和功率值。CX5140 嵌入式控制器通過 EtherCAT 與驅(qū)動逆變器通信。同步發(fā)電機勵磁機的勵磁由一個 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(zhí)行器控制。
閉環(huán)控制的設(shè)計在 MATLAB®/Simulink® 中通過使用基于模型的設(shè)計完成，編譯后，使用 TwinCAT 3 Target for Simulink® 在嵌入式控制器上實時執(zhí)行。通過 TwinCAT HMI 實施了一個方便的用戶界面來操作試驗臺，在這里，可以在運行期間實時修改控制參數(shù)、設(shè)定值和極限值。此外，可以用圖形方式顯示測量結(jié)果和設(shè)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現(xiàn) 50 μs 的短控制周期
針對基于逆變器的發(fā)電設(shè)備新設(shè)計的控制方法的研究需要一個靈活的測試設(shè)施，它在如何實施控制方法方面必須具有足夠的自由度。由于第一步的重點是對逆變器電網(wǎng)側(cè)進行控制，因此三相逆變器的調(diào)制和功率半導(dǎo)體的行為可以通過三個線性電壓放大器仿真。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(diào)節(jié)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(shè)備。
一臺插接有多個 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)時間執(zhí)行復(fù)雜的程序。6 個 EL3702 雙通道模擬量輸入端子模塊通過霍爾效應(yīng)電流傳感器采集多個測量點上的三相電壓和電流值。電壓設(shè)定值通過 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® 中開發(fā)和驗證的控制方法也可以在 CX2030 上實時執(zhí)行。主要的不同點在于控制周期短，僅為 50 μs。加上 EtherCAT 端子模塊和電壓放大器，整個控制回路的死區(qū)時間僅為 150 μs。試驗臺也可通過由 TwinCAT HMI 創(chuàng)建的用戶界面進行操作和監(jiān)測。此時最重要的是對極限值的快速監(jiān)測，如果超過了限值，就會導(dǎo)致安全關(guān)斷。
測試環(huán)境
逆變器仿真與電網(wǎng)仿真相結(jié)合，可以構(gòu)成一個孤島測試環(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，進行了研究并公布了研究結(jié)果。實驗表明，配備合適控制系統(tǒng)的逆變器式發(fā)電系統(tǒng)可以提供瞬時電能儲備，為電網(wǎng)提供技術(shù)支撐。這也可以證明，與實時模擬器相比，可以使用已在工業(yè)環(huán)境中得到成熟應(yīng)用的控制平臺實現(xiàn)組網(wǎng)控制。
展望未來，研究所將繼續(xù)開發(fā)組網(wǎng)控制方法，以將其用于基于逆變器的操作設(shè)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，一個代表風(fēng)力發(fā)電機驅(qū)動系統(tǒng)的試驗臺正在建立中，該試驗臺由一個發(fā)電機和縮減性能的全逆變器組成。這里的重點將放在風(fēng)力發(fā)電機中所使用的部件的應(yīng)用，如控制硬件和功率半導(dǎo)體，將繼續(xù)研究如何能夠在風(fēng)力發(fā)電機中實施組網(wǎng)控制系統(tǒng)。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、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(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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