直流輸電的基本原理

直(zhi)流(liu)(liu)(liu)輸(shu)電(dian)(dian)方(fang)式使用(yong)兩個帶(dai)公(gong)共(gong)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)母線(xian)的(de)變流(liu)(liu)(liu)器。每個變流(liu)(liu)(liu)器都能夠靈活地將電(dian)(dian)網中的(de)交流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)轉(zhuan)換成(cheng)(cheng)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)傳(chuan)輸(shu)到(dao)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)母線(xian)中，也能夠將直(zhi)流(liu)(liu)(liu)母線(xian)中的(de)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)轉(zhuan)換成(cheng)(cheng)交流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)回饋到(dao)電(dian)(dian)網中。這樣就可以在兩個電(dian)(dian)網之間以任意方(fang)向傳(chuan)輸(shu)電(dian)(dian)能。直(zhi)流(liu)(liu)(liu)母線(xian)中使用(yong)的(de)是特高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)輸(shu)電(dian)(dian)，系(xi)統(tong)因此(ci)得名為高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)（HVDC）輸(shu)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)。作用(yong)類似于(yu)閥門的(de)晶體管(guan)(guan)被稱為絕緣柵(zha)雙極型晶體管(guan)(guan)（IGBT），用(yong)于(yu)實現(xian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)轉(zhuan)換。晶體管(guan)(guan)可以控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)通(tong)斷，然后通(tong)過控(kong)制(zhi)晶體管(guan)(guan)的(de)通(tong)斷生成(cheng)(cheng)所需(xu)的(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)曲線(xian)。

然而(er)，高壓直(zhi)流輸電系(xi)統的(de)變(bian)流器與(yu)傳統變(bian)流器的(de)尺寸設計是不同的(de)。這是因為它采用了由數百個 IGBT 組成的(de)模(mo)塊(kuai)化多電平(ping)換流器（MMC），并(bing)部署在 10 至 15 公頃(qing)的(de)區域(yu)內(nei)。直(zhi)流母線使用 100 至 800 kV 電壓，可在數百公里的(de)距離內(nei)傳輸 500 至 6400 MW 的(de)電力。

全新的大功率變流器控制解決方案

嵌入式控制(zhi)器(qi)、EtherCAT I/O 端(duan)子模(mo)塊(kuai)以(yi)及 TwinCAT 自(zi)動(dong)化(hua)軟件，結合基(ji)于模(mo)型的設(she)計，更好地控制(zhi)和保護大功率變流(liu)器(qi)。這些變流(liu)器(qi)不僅構成了高壓(ya)直流(liu)輸電系統的基(ji)石，而且還可用于補償無功功率以(yi)及支撐和穩定電網（柔性交流(liu)輸電系統，FACTS）的系統。

為(wei)了(le)確保(bao)電網(wang)這(zhe)一重要部(bu)分的(de)(de)高可靠性，通(tong)常會(hui)使用冗余(yu)(yu)系統。硬件和(he)軟(ruan)件中的(de)(de)控制和(he)保(bao)護系統始(shi)終(zhong)處(chu)于熱(re)備用模式(shi)，以(yi)便在發生故障時能夠(gou)立(li)即切換到冗余(yu)(yu)系統。為(wei)了(le)實現這(zhe)一點，根據 IEC 62439-3 標(biao)準，采用 TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP) 技(ji)術，通(tong)過(guo)多個(ge)獨立(li)的(de)(de)以(yi)太網(wang)網(wang)絡建立(li)冗余(yu)(yu)通(tong)信。通(tong)過(guo)這(zhe)種方(fang)法(fa)，嵌入(ru)式(shi)控制器(qi)不僅能夠(gou)利用 EtherCAT 自動化協議 (EAP) 實現彼(bi)此之間(jian)的(de)(de)高效通(tong)信，而且還能通(tong)過(guo)符合(he) IEC 61850 標(biao)準的(de)(de) MMS 和(he) GOOSE 協議與(yu)斷(duan)路(lu)器(qi)等外部(bu)系統通(tong)信。

快速響應和安全運行

使用 EtherCAT 和高(gao)性能嵌入式控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，可以有效滿足更高(gao)等級(ji)的電流和電壓(ya)控(kong)(kong)制(zhi)對(dui)快(kuai)速響應時間(jian)的要求(qiu)。由(you)于(yu) CX2043 嵌入式控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)搭載的是 AMD Ryzen™ 處理器(qi)(qi)，因此 TwinCAT 能夠以 250 µs 的周期時間(jian)和極小的抖動執行控(kong)(kong)制(zhi)任務。每個變流器(qi)(qi)最多可使用 12 臺這樣(yang)的嵌入式控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，它們通過EtherCAT 橋接端子模塊 EL6695 在(zai)冗余段中快(kuai)速交換信號。

操作系統選用(yong)的(de)是 TwinCAT/BSD，以確保作為(wei)關鍵(jian)基(ji)礎設施(shi)核(he)心組成(cheng)部(bu)分的(de)系統能(neng)夠實現安(an)全無憂(you)的(de)操作。它為(wei) TwinCAT 3 Runtime 提(ti)供了一個高效(xiao)、穩(wen)定(ding)的(de) Unix 平臺，同時(shi)也充(chong)分滿足(zu)了當前及(ji)未來日(ri)益增長的(de)安(an)全需求。隨后(hou)，TwinCAT 模(mo)塊在 TwinCAT 3 Runtime 中執行(xing)(xing)。直接(jie)在 C/C++ 中開發的(de) TwinCAT 模(mo)塊用(yong)于基(ji)礎功能(neng)或特殊通(tong)(tong)信堆棧。通(tong)(tong)過(guo)這些模(mo)塊，可(ke)以將控(kong)(kong)制(zhi)軟件(jian)從硬件(jian)細(xi)節(jie)或通(tong)(tong)過(guo) EtherCAT 或 IEC 61850 等(deng)各(ge)種協議(yi)進行(xing)(xing)的(de)通(tong)(tong)信過(guo)程(cheng)中抽離出來。然后(hou)，使(shi)用(yong) MATLAB® 和(he) Simulink® 中基(ji)于模(mo)型的(de)開發方法配(pei)置(zhi)系統的(de)特定(ding)功能(neng)和(he)控(kong)(kong)制(zhi)，并通(tong)(tong)過(guo)代碼自動生成(cheng)技術將其傳(chuan)輸到嵌入式控(kong)(kong)制(zhi)器。

集成、開放的軟件

由于這類高壓(ya)直流輸電系(xi)統無法作為物理系(xi)統進(jin)行(xing)開發和驗證，因(yin)此通過仿真(zhen)進(jin)行(xing)早(zao)期測試至關(guan)重(zhong)要。在過去，這些測試需要在多個不同(tong)的(de)仿真(zhen)環(huan)境中(zhong)進(jin)行(xing)，通常要求將控(kong)制(zhi)和保護軟件手動(dong)轉(zhuan)換到每一個環(huan)境中(zhong)。這種手動(dong)轉(zhuan)換過程不僅容(rong)易出錯且耗時，還難以實現所有環(huan)境中(zhong)控(kong)制(zhi)行(xing)為的(de)一致(zhi)性和可比性。