Fie că este vorba de turbinele eoliene offshore din largul mării către continent, de turbinele eoliene din nordul Germaniei către siturile industriale din sudul țării sau de centralele hidroelectrice din Scandinavia către Europa Centrală – transportul curentului continuu de înaltă tensiune este utilizat pentru a transmite cantități mari de energie pe distanțe lungi. Pentru soluția sa, Siemens Energy se bazează pe MATLAB® și Simulink® de la MathWorks și pe controlul bazat pe PC de la Beckhoff.
În urma disputei apărute între Nikola Tesla și George Westinghouse cu privire la tehnologia utilizată pentru alimentarea cu energie electrică a SUA în anii 1890, curentul alternativ a devenit cel mai larg acceptat sistem. Cu toate acestea, cablurile utilizate pentru transmiterea curentului alternativ pe distanțe lungi se comportă ca un condensator, ceea ce duce la pierderi de transmisie și la necesitatea de compensare prin putere reactivă. În cazul transmiterii curentului continuu, însă, această nevoie de putere reactivă este neglijabilă, adică curentul poate fi transportat cu pierderi mult mai mici. Acesta este motivul pentru care curentul continuu sub tensiune înaltă este utilizat pentru a transmite putere mare.
Principiile de bază ale transmisiei în curent continuu
Pe scurt, acest tip de transmisie prin curent continuu utilizează două convertoare de putere cu o legătură de curent continuu comună. Fiecare convertor de putere poate transmite energie de la rețea cu curent alternativ la legătura de curent continuu cu curent continuu și, de asemenea, poate trimite energia de la legătura de curent continuu înapoi în rețea ca curent alternativ. Acest lucru permite ca energia electrică să fie transmisă în orice direcție între cele două conexiuni la rețea. Curentul continuu cu o tensiune foarte mare este utilizat pentru transmiterea în legătura de curent continuu, de unde și numele sistemului: transmisie de curent continuu de înaltă tensiune (HVDC). Pentru conversia curentului se folosesc tranzistori – cunoscuți sub denumirea de tranzistori bipolari cu poartă izolată (IGBT) – care acționează ca niște supape. Acestea pot permite trecerea curentului sau îl pot bloca, generând astfel curbele de curent dorite cu ajutorul unor modele de impulsuri.
Cu toate acestea, convertorul de putere al unui sistem HVDC este dimensionat diferit față de convertoarele convenționale. Acest lucru se datorează faptului că se utilizează convertoare modulare pe mai multe niveluri (MMC) formate din sute de IGBT-uri, care sunt instalate pe o suprafață de 10 până la 15 hectare. Legătura de curent continuu utilizează o tensiune între 100 și 800 kV și transmite energie între 500 și 6 400 MW pe distanțe de sute de kilometri.
Nou concept de control pentru convertoare de putere mari
În calitate de producător de sisteme pentru transportul energiei și stabilizarea rețelei electrice, Siemens Energy va avea în viitor încredere în tehnologia de control bazată pe PC de la Beckhoff. PC-urile integrate și terminalele EtherCAT I/O, precum și software-ul de automatizare TwinCAT împreună cu proiectarea bazată pe modele sunt utilizate pentru controlul la nivel superior și pentru protejarea convertoarelor de putere mari. Printre altele, aceste convertoare de putere constituie baza unor astfel de sisteme HVDC, dar sunt, de asemenea, utilizate pentru sistemele de compensare a puterii reactive sau pentru susținerea și stabilizarea rețelelor de energie electrică (sisteme flexibile de transmisie CA, FACTS).
Pentru a atinge un nivel ridicat de fiabilitate pentru o parte atât de importantă a rețelei energetice, se utilizează adesea sisteme redundante. Sistemele de control și protecție hardware și software sunt în permanență într-un mod de așteptare la cald, astfel încât să poată comuta imediat la sistemul redundant în cazul oricărei defecțiuni. Pentru a realiza acest lucru, comunicarea redundantă este stabilită prin mai multe rețele Ethernet separate, utilizând protocolul de redundanță paralelă TwinCAT (PRP) în conformitate cu IEC 62439-3. Această metodă permite comunicarea între PC-urile integrate prin intermediul protocolului de automatizare EtherCAT (EAP), precum și cu sistemele externe, cum ar fi întrerupătoarele de circuit, prin MMS și GOOSE, în conformitate cu IEC 61850.
Timp de răspuns rapid și funcționare sigură
Cerințele privind timpii rapizi de răspuns pentru controlul curentului și tensiunii la nivel superior sunt îndeplinite utilizând EtherCAT și PC-uri integrate de înaltă performanță. Pe baza procesorului AMD Ryzen™ din PC-urile integrate CX2043, sarcinile de control pot fi executate în TwinCAT cu timpi de ciclu de 250 µs și jitter minim. Un total de până la douăsprezece astfel de PC-uri integrate sunt utilizate pentru fiecare convertor de putere, care schimbă semnale rapide în segmente redundante prin intermediul terminalului punte EtherCAT EL6695.
Sistemul de operare TwinCAT/BSD a fost ales pentru a asigura funcționarea în siguranță a sistemelor ca parte a infrastructurii critice. Acesta oferă o platformă Unix stabilă pentru timpul de execuție TwinCAT 3, care îndeplinește, de asemenea, cerințele de securitate în creștere. Modulele TwinCAT sunt apoi executate în mediul în timp real al TwinCAT 3. Modulele TwinCAT dezvoltate direct în C/C++ sunt utilizate pentru funcții de bază sau stive speciale de comunicații. Acestea fac posibilă abstractizarea software-ului de control de detaliile hardware sau de comunicare prin diverse protocoale, cum ar fi EtherCAT sau IEC 61850. Funcțiile și comenzile specifice pentru sistem sunt apoi configurate utilizând dezvoltarea bazată pe model în MATLAB® și Simulink® și transferate către PC-urile integrate utilizând generarea de cod.
Software integrat și deschis
Deoarece aceste tipuri de sisteme HVDC nu sunt disponibile pentru dezvoltare și verificare ca sistem fizic, testarea timpurie prin simulare este de o importanță crucială. În trecut, aceste teste erau efectuate în diverse medii de simulare, ceea ce presupunea transpunerea manuală a software-ului de control și protecție în fiecare mediu. Acest proces manual era prea predispus la erori și lua prea mult timp pentru a obține un comportament de control comparabil în toate mediile.
Pentru a permite utilizarea unei singure surse pentru software, Siemens Energy utilizează cu succes de mai mulți ani proiectarea și ingineria bazate pe modele pentru procese cu ajutorul MATLAB® și Simulink®. Dezvoltarea software-ului de control și protecție în Simulink® și generarea ulterioară a codului cu TwinCAT 3 Target for Simulink® elimină exact toate etapele manuale menționate mai sus, permițând dezvoltatorilor să se concentreze în schimb pe sarcina lor principală. Rularea aceluiași software în medii de simulare diferite, precum și pe hardware-ul de control final permite compararea mai eficientă a comportamentului.
Un alt avantaj este timpul economisit în cazul unei erori sau la extinderea modelelor. În trecut, era necesar să se corecteze erorile în sistemul țintă respectiv sau să se extindă funcțiile acolo, dar astăzi acest lucru se face în modelul sursă în Simulink® . Împreună cu TwinCAT, modulele software deja testate pot fi apoi portate la PC-urile embedded puternice, cu capacitate ridicată de timp real, cu un efort redus și trebuie doar conectate la interfețele fizice. Ca urmare, atât testele HIL (hardware in the loop), cât și testele care implică dulapurile de comandă ce urmează să fie instalate ulterior în sistemul real pot fi efectuate cu sistemul de comandă pentru a furniza un sistem de comandă adaptat în mod optim la toate scenariile din rețeaua electrică.
KREATRON AUTOMATION SRL