德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的電力系統(tǒng)和高壓技術研究所（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)電設備不同，風力和光伏發(fā)電設備通過并網(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)電設備類型相關。其結果包括讓風力發(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，通過一個由驅動逆變器和異步電機（而不是渦輪機）組成的變速驅動系統(tǒng)驅動。軸上還有一個飛輪，以達到與發(fā)電設備中的渦輪機相當?shù)膽T量。連接負荷可能會導致頻率驟降，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。
  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。兩臺設備上都安裝了編碼器來測量旋轉速度，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)控制的設計在 MATLAB®/Simulink® 中通過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現(xiàn) 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靈活的測試設施，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)側進行控制，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，就會導致安全關斷。
  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備中，如風力發(fā)電機。由于基于逆變器仿真的研究取得了成功，一個代表風力發(fā)電機驅動系統(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(xù)研究如何能夠在風力發(fā)電機中實施組網(wǎng)控制系統(tǒng)。