01 項(xiàng)目介紹

為應(yīng)對(duì)氣候變化，向可再生能源的過(guò)渡正在成為全球能源轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)工作領(lǐng)域。西門子致力于打造更加可持續(xù)的、經(jīng)濟(jì)可靠的能源體系，在諸多能源轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。

西門子在夏威夷島牽頭了一個(gè)可再生能源電力系統(tǒng)HIL項(xiàng)目的研究聯(lián)盟，由OPAL-RT、PNNL（太平洋-西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）和夏威夷電力公司（由美國(guó)能源部ARPA-E資助）協(xié)同支持，旨在評(píng)估夏威夷最大的島嶼如何在輔助系統(tǒng)的幫助下，盡量降低對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電廠的依賴并實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行，進(jìn)而推動(dòng)高達(dá)100%的可再生能源轉(zhuǎn)型。

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Ulrich Muenz博士是西門子首席控制系統(tǒng)專家，全面負(fù)責(zé)推動(dòng)項(xiàng)目的創(chuàng)新工作。Ulrich Muenz博士的研究領(lǐng)域集中在自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)和電力電子，包括穩(wěn)健和分布式控制系統(tǒng)以及疑難問(wèn)題優(yōu)化。Ulrich Muenz博士在相關(guān)課題的實(shí)踐應(yīng)用方面也積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，曾作為控制架構(gòu)師參與西門子在加拉帕戈斯群島的混合發(fā)電廠項(xiàng)目。

島嶼在可再生能源領(lǐng)域是非常特別的案例，但同時(shí)也是測(cè)試電力系統(tǒng)自主性和自足性的理想選擇。下圖展示了迄今為止Muenz博士在該研究項(xiàng)目上的進(jìn)展情況，以及100%基于可再生能源的未來(lái)電網(wǎng)藍(lán)圖：

02 研究目標(biāo)

夏威夷和許多其他島嶼國(guó)家一樣，也依賴于傳統(tǒng)發(fā)電廠來(lái)保持頻率和電壓的穩(wěn)定。夏威夷希望減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴，以降低化石燃料排放，并提高電價(jià)穩(wěn)定性和能源獨(dú)立性，因此確立了向可再生能源快速轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。目前，夏威夷電力公司已經(jīng)建立了一套多樣化的可再生能源組合設(shè)施，為2045年之前實(shí)現(xiàn)100%可再生能源電網(wǎng)的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

眾所周知，微電網(wǎng)HIL測(cè)試本身已經(jīng)具有一定挑戰(zhàn)性，將其引入一個(gè)實(shí)際的島嶼上則令測(cè)試變得更加復(fù)雜。一些特定的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)要求西門子和Muenz博士需要將島嶼本身納入到創(chuàng)新技術(shù)的測(cè)試過(guò)程中。此外，N-1安全準(zhǔn)則是評(píng)估電力系統(tǒng)安全性的通用標(biāo)準(zhǔn)，它表明規(guī)劃的電力系統(tǒng)應(yīng)在支持所有系統(tǒng)負(fù)載的同時(shí)，能夠承受任何單個(gè)組件的故障而不對(duì)其他組件造成影響。

"這是一個(gè)具有前瞻性的項(xiàng)目，有望實(shí)現(xiàn)高可再生能源滲透率的未來(lái)能源電網(wǎng)，我們很高興能與西門子一起參與其中。OPAL-RT不僅提供實(shí)時(shí)仿真器，還支持項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功完成模型搭建和HIL測(cè)試。行業(yè)專家之間的通力合作對(duì)于此類復(fù)雜項(xiàng)目的成功至關(guān)重要?！?/p>

——?Sudipta Chakraborty

OPAL-RT能源系統(tǒng)總監(jiān)

03?解決方案

像夏威夷這樣的島嶼能源資源十分豐富：足夠的風(fēng)能、太陽(yáng)能，以及其他潛在的可再生能源（如水力、地?zé)峄蛏镔|(zhì)能），完全能夠以100%的可再生能源滿足島嶼的需求。然而，與世界上絕大多數(shù)地區(qū)一樣，為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和可達(dá)性，夏威夷的電力系統(tǒng)也依靠傳統(tǒng)發(fā)電廠來(lái)生產(chǎn)大部分電力。

運(yùn)營(yíng)商支持系統(tǒng)需要先成功運(yùn)行夏威夷電網(wǎng)的數(shù)字孿生，才能夠?qū)稍偕茉凑急戎饾u增加的真實(shí)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試。

Muenz博士說(shuō):“該數(shù)字孿生是一個(gè)仿真模型，能夠顯示關(guān)鍵參數(shù)的改變對(duì)電網(wǎng)的影響。這里我們說(shuō)的‘關(guān)鍵參數(shù)’包括傳統(tǒng)發(fā)電廠和可再生能源發(fā)電廠的內(nèi)部控制回路增益等。”

項(xiàng)目聯(lián)盟共同推動(dòng)運(yùn)營(yíng)商支持計(jì)劃，開發(fā)夏威夷電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真模型，下圖展示了Muenz博士、OPAL-RT及項(xiàng)目其他參與者的合作模式。

該電力系統(tǒng)模型由夏威夷電氣公司通過(guò)PSS?E（一種電力傳輸系統(tǒng)仿真軟件）提供。該模型逐步轉(zhuǎn)換為PSS? SINCAL和Simscape?中的高保真電磁暫態(tài)（EMT）模型，然后引入到OPAL-RT的實(shí)時(shí)仿真軟硬件中。

接下來(lái)，電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真模型以硬件在環(huán)（HIL）演示系統(tǒng)的形式連接到西門子商用能源管理系統(tǒng)Spectrum Power?7和SIGUARD?DSA。這一HIL DEMO不僅幫助西門子驗(yàn)證了夏威夷未來(lái)電力系統(tǒng)的新運(yùn)營(yíng)商支持系統(tǒng)，還能夠充分展示該支持系統(tǒng)在高比例可再生能源場(chǎng)景中的優(yōu)勢(shì)。（該演示系統(tǒng)目前位于PNNL。）

04?項(xiàng)目成果

西門子能源管理系統(tǒng)Spectrum Power?7用于管理虛擬電網(wǎng)。輔助系統(tǒng)SIGUARD?DSA包含了預(yù)測(cè)島嶼電網(wǎng)如何應(yīng)對(duì)關(guān)鍵事件的算法，這些算法為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提供了可再生能源逆變器的替代設(shè)置，用以減少功率振蕩。在OPAL-RT的實(shí)時(shí)仿真器中，夏威夷電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體與新的能源管理系統(tǒng)互連，使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠在實(shí)際操作條件下展示新支持系統(tǒng)的有效性。

該項(xiàng)目的成功確保了高比例可再生能源島嶼電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)推動(dòng)大規(guī)?？稍偕茉崔D(zhuǎn)型有重要的示范意義。未來(lái)，源自可再生能源的電力將點(diǎn)亮夏威夷的萬(wàn)家燈火。

"以風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電為主的電力系統(tǒng)彈性運(yùn)行是夏威夷、愛爾蘭或澳大利亞等國(guó)家實(shí)現(xiàn)可再生能源高度整合的主要障礙。隨著可再生能源發(fā)電比例逐步接近100%，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)將發(fā)生根本性的變化，這是目前我們面臨的主要挑戰(zhàn)。如果沒(méi)有真實(shí)系統(tǒng)的高保真數(shù)字孿生，開發(fā)和驗(yàn)證這些系統(tǒng)的創(chuàng)新解決方案是不可能的。OPAL-RT為項(xiàng)目DEMO開發(fā)虛擬環(huán)境提供了非常大的支持?！?/p>

——?Ulrich Muenz博士

西門子首席控制系統(tǒng)專家