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配电网路的即时模拟环境开发
[作者 DLR e.V.]   2023年04月23日 星期日 浏览人次: [3204]

本文叙述如何透过电、热及交通运输(或移动性)等领域的整合,以分散式设施和可再生能源为特点,促使工程师与研究人员寻找出方法,设计以在地风力、太阳能等能量来源等发电方式为基础,并且稳定、有效率的能源系统。


传统的发电和配电通常与燃烧化石燃料的大型、集中式电厂有关。然而,有一种新的模型正逐渐在世界各个地方兴起,这种模型以分散式设施和可再生能源为特点。做为这项根本性转变的一部份,工程师与研究人员正在寻找方法,设计以在地风力、太阳能,以及其他更乾净、仰赖天气的能量来源等发电方式为基础,并且稳定、有效率的能源系统。


我们在 Institute of Networked Energy Systems的团队(亦隶属於德国太空中心(German Aerospace Center;DLR)的55个机构之一),正积极地研究强健的电网运作,透过电、热、以及交通运输(或移动性)等领域的整合来促进这项彻底的改变。我们的研究需要结合数位模拟和在真正的电力硬体上进行的现场测试。然而,模拟虽然可协助持续探索,因为成本太高或太危险,而难以在真实设备上面测试的情境,但它还是不能完整地考量到延迟、时钟同步(clock synchronization)、和其他真实世界的效应。


为了缩短电网模拟与现场测试之间的差距,我们成立了Networked Energy Systems Emulation Centre (Grid Lab;图1)。Grid Lab的主要特点是实验性电网设置与模拟环境和模型的整合。其中最重要的角色由18个功率放大器来担任,这里面每一个功率放大器可以提供或消耗的功率最高可达50 kVA。它们可以用来代表实验性电网当中的网路叁与者例如完整的建筑物、公寓、光伏逆变器(photovoltaic inverters)、电动车充电站、以及热泵(heat pumps)等。



图1 :  The Grid Lab(上)及用来模拟电网网路的路由线路终端(下)。(source:DLR)
图1 : The Grid Lab(上)及用来模拟电网网路的路由线路终端(下)。(source:DLR)

除此之外,还有超过16个双向的DC源/汇系统,每一个都可以在最高电压1,500 DCV下提供高达15千瓦的功率。这项整合之中也包含一个30 kVA的同步发电机(synchronous generator),我们只用这个发电机来仿效传统电厂的功能,重现不同旋转动能对於惯性频率支持(inertial frequency support)的影响。


实验室运作的核心元件是即时模拟,还有使用Simulink、Simulink Real-Time,和Speedgoat目标机台所建立的测试环境。该环境能够帮助建立控制策略和整个电网的模型,然後执行与真实世界电力硬体整并的即时模拟。我们可以使用这个环境来将处理流程推到它们的额定运作条件之外,然後安全地评估结果。


此外,该测试环境还可以使用由合作夥伴和供应商提供的商用仪器执行即时测试,快速地检验新的构想,以及我们自行开发的控制演算法。


Grid Lab执行即时测试

几年前,我们的团队将使用於真正低电压配电电网的线路进行特性化,使用该项工作资料来建立具有相似阻抗的线路,而这反倒可以协助建构多种电网拓扑,将Grid Lab架构的多种元件连接起来(图2)。这些元件包含真实或模拟的逆变器与转换器,以及一个商用电网控制系统、连接其他实验室的介面,和即时测试设置。



图2 : Networked Energy Systems Emulation Centre的架构图。(source:DLR)
图2 : Networked Energy Systems Emulation Centre的架构图。(source:DLR)

在这个架构之中,我们团队测试并优化在Simulink建模的控制策略,并且使用Simulink Coder和Simulink Real-Time部署到Speedgoat目标电脑。这个控制器透过Speedgoat机器的FPGA I/O模组,从电网节点取得电流和电压讯号量测值。该控制器也透过相同的模组来发射类比讯号,控制所希??评估的网路中的各个元件。


在跨越地域分布的实验室执行协同模拟

我们团队与其他几个有特定电力硬体配置的实验室团队合作,有的同样隶属於DLR,有的则来自其他机构。与其将那些硬体搬运到Emulation Centre,我们建立一个协同模拟环境,帮助我们透过一个UDP连接来串起两个或更多的实验室。


在与University of Applied Sciences Emden/Leer的团队合作的Zukunftslabor Energie (ZLE)的研究专案,我们正使用这样的方法来连接实验室。同时,我们的团队也在探索采用灵活配置,以方便处理低压电网之中的负载峰值和??电峰值(infeed-peak)的策略。


在Simulink使用Simscape Electrical提供的线、节点和负载元件,为这个专案建立大约三分之一的低电压配电网。另外三分之一的网路是透过我们Grid Lab的硬体,搭配Simulink Real-Time和Speedgoat来模拟,剩下三分之一是透过在University of Applied Sciences Emden/Leer所属的Laboratory of Renewable Energies的硬体来模拟(图3)。



图3 : 横跨两个地点进行协同模拟的低电压配电网路。(source:DLR, Hochschule Emden/Leer, Forschungsstelle fur Energiewirtschaft e.V.)
图3 : 横跨两个地点进行协同模拟的低电压配电网路。(source:DLR, Hochschule Emden/Leer, Forschungsstelle fur Energiewirtschaft e.V.)

这三个同时运行并且透过UDP来沟通的子系统可以被用来执行电力硬体??圈(power hardware-in-the-loop;PHIL)测试,其中控制策略会自动对德国埃姆登的风力或太阳发电厂发电量的突降或激增做出补偿。


电网??圈模拟

PHIL模拟之外,我们也规划了电网??圈(grid-in-the-loop)模拟,这里面有在Simulink建模的一整个低或中压电网,接着在一台Speedgoat目标电脑上面执行即时模拟。这一个即时模拟是透过一个电源介面和线路模拟器连结,将低压电网代表物的拓扑复制到各种产生或消耗电力的真实电网叁与者(图4)。



图4 : 电网??圈模拟架构。(source:DLR)
图4 : 电网??圈模拟架构。(source:DLR)

物联网与能源管理

我们使用相似的方法来研究Quarter Energy Management Systems(QEMS),这项专案内容有一个物联网(Internet of Things;IoT)装置连接到逆变器或其他要被控制的装置,并且透过网路将控制与监测讯号从QEMS接收下来(图5)。有一个放大器重现以Simulink与Speedgoat模拟的电网模型内的一个节点上的电压。



图5 : 能源管理系统的即时模拟。(source:DLR, Speedgoat)
图5 : 能源管理系统的即时模拟。(source:DLR, Speedgoat)

研究持续进行

我们团队正积极地在Grid Lab使用搭配Simulink与Speedgoat的即时测试与模拟,追求更大范围的研究契机,包含采用机器学习演算法的智慧逆变器系统;DC、混合与逆变器主导的电网;电动车(e-mobility)科技,包含双向充电站;分散式供应结构;以及其他大功率应用。


(本文由??思科技提供;作者Jan Petznik、Alejandro Rubio、Moiz Ahmed、Frank Schuldt於DLR e.V.公司)


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