配備高端測量技術的電網(wǎng)

　　— 引領未來能源轉型的新引擎

　　近年來，德國政府出臺多項措施加速推動能源轉型，太陽能、水能和風能等可再生能源的比例大幅增加，到 2023 年，這些可再生能源的發(fā)電量已經(jīng)占到德國總發(fā)電量的一半以上。倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Fabian Assion 博士從控制技術的角度深入剖析了高度波動的可再生能源占比給電網(wǎng)運行帶來的挑戰(zhàn)，以及這一現(xiàn)狀對構建未來智能電網(wǎng)的深遠意義。

　　智能電網(wǎng)在能源轉型中扮演什么角色?對電網(wǎng)管理有什么深遠影響?

　　Fabian Assion 博士：可再生能源發(fā)電量占比的增加導致供電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨更大挑戰(zhàn)的原因主要有兩個。第一個原因是，可再生能源的發(fā)電方式更加分散，不再像以前的大型發(fā)電廠那樣集中。因此，現(xiàn)有的電網(wǎng)物理結構已難以滿足當前分布式能源發(fā)電的需求：電流的變化有時會引發(fā)電網(wǎng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)過載現(xiàn)象。第二個原因在于，傳統(tǒng)發(fā)電廠通常使用的都是同步發(fā)電機。這對于電網(wǎng)運行來說是個非常理想的選擇，例如，在發(fā)生接地故障時，它能提供最佳電網(wǎng)支撐。而可再生能源的發(fā)電則由逆變器控制。因此，它們在此類情況下提供電流能力方面存在局限性，這也會導致電網(wǎng)不穩(wěn)定。當前能源供給網(wǎng)絡的整體控制也因此愈發(fā)顯得錯綜復雜。而這正是智能電網(wǎng)的用武之地：智能電網(wǎng)擁有更詳盡、實時的電網(wǎng)狀態(tài)信息，因此更易于控制。

　　倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Fabian Assion 博士：“隨著可再生能源占比的持續(xù)攀升，電網(wǎng)的各個層級亟需融入更多且控制系統(tǒng)集成的測量技術?！?/p>

　　在測量設備方面，智能電網(wǎng)需要哪些額外的技術需求，能舉例說明嗎?

　　Fabian Assion 博士：必須在電網(wǎng)的各個層級額外使用測量設備。迄今為止，特高壓與高壓領域已廣泛采用了這一技術，但中壓與低壓領域則鮮有實施，幾乎處于空白狀態(tài)。從投入角度來說，事實上，低壓電網(wǎng)尤其需要進行升級。這是因為相較于高壓電網(wǎng)，低壓電網(wǎng)的覆蓋范圍更為廣泛。因此，相應的需要布置更多的測量點。即便是采取了最為合理且全面的方法，也仍需部署數(shù)十萬個測量點。我們可以以供電網(wǎng)最末端環(huán)節(jié)的變電站為例來討論增設測量點的問題。變電站是將中壓電轉換為低壓電的場所，通常有 8 個或更多低壓輸出端的變壓器來完成這一轉換過程。這些電壓輸出端都應配備先進的測量設備，以精準測量各個關鍵變量。在德國，約有十萬個變電站需配備測量設備。

　　有哪些相關的測量指標?

　　Fabian Assion 博士：電流當然是最重要的數(shù)值之一，但單純的電流數(shù)值本身并不足以全面反映電網(wǎng)的運行狀況。在條件允許的情況下，還應詳細記錄每條輸出饋電線路上各種類型的功率數(shù)據(jù)(無功功率、視在功率和有功功率)，以便更加準確地評估電網(wǎng)狀態(tài)。這一點尤為重要，因為在當前電網(wǎng)中，絕大多數(shù)負載設備都會使用供電裝置，它們在運行過程中不可避免地會產(chǎn)生不良諧波。換言之，對于肩負電網(wǎng)質量保障重任的運營商而言，詳盡地收集每條電壓輸出線上的諧波數(shù)據(jù)，甚至精確到每個諧波的具體水平，幾乎已成為一項不可或缺的任務，以便在必要時采取有針對性的措施。

　　我們需要盡可能相近地記錄可再生能源的測量數(shù)據(jù)，例如 DeWind 為阿根廷維拉德羅金礦(海拔 4300 米)提供的風力發(fā)電機所產(chǎn)生的寶貴數(shù)據(jù)。

　　倍?；?PC 和 EtherCAT 的控制技術及其系統(tǒng)集成測量技術具有哪些優(yōu)勢?

　　Fabian Assion 博士：采用倍福先進的基于 PC 的控制技術，只需較小的技術和資金投入即可高效完成測量任務。此外，倍福的測量產(chǎn)品不僅測量精度高，而且使用方便。它們基于 EtherCAT 及其分布式時鐘功能，因此測量速度足夠快，測量精度也足夠高，能夠實時響應電網(wǎng)中的瞬時事件。我們想特別強調的是，通過實施分布式電力測量方案，我們實現(xiàn)了成本效益與數(shù)據(jù)質量并重的目標。

　　借助 EtherCAT 的分布式時鐘功能，僅需部署一個 EL3443 測量端子模塊，即可與分布在電網(wǎng)中的任意數(shù)量的 EL3446 測量端子模塊配合，打造分布式電力測量解決方案，實現(xiàn)詳盡且高質量的電力測量。

　　分布式電力測量方案背后的原理究竟是什么?

　　Fabian Assion 博士：EtherCAT 端子模塊 EL3446 是一個純電流測量端子模塊，它能夠測定供電網(wǎng)絡的所有相關電氣數(shù)據(jù)，包括所有電力測量值(電壓相關數(shù)據(jù)除外)。系統(tǒng)中部署的 EL3446 端子模塊可以根據(jù)需要通過 EtherCAT 接收 EL3443 電力測量端子模塊(每個網(wǎng)絡只能安裝一次)中計算電力數(shù)據(jù)所需的電壓值，并通過 EtherCAT 分布式時鐘功能進行數(shù)據(jù)同步處理。這樣就能夠顯著減少硬件投入與安裝成本，確保電網(wǎng)質量的可靠監(jiān)控，同時精準測量每條輸出電壓饋電線路的諧波以及由此產(chǎn)生的電力品質因數(shù)。

　　倍福的分布式電力測量解決方案極大地降低了綜合能源數(shù)據(jù)采集的材料成本與安裝費用。

　　基于 PC 的控制解決方案已經(jīng)在風力發(fā)電等領域屢經(jīng)考驗，充分展示了其價值。它的主要優(yōu)勢是什么?

　　Fabian Assion 博士：全球有超過 100,000 臺風力發(fā)電機已經(jīng)使用我們基于 PC 的控制技術進行自動化改造，單臺風力發(fā)電機的容量最大可達 16 兆瓦。EtherCAT 再次彰顯了其無可比擬的優(yōu)勢，它通過實現(xiàn)極為快速且精準的同步控制流程，顯著提升了運行效率與發(fā)電性能。EtherCAT 的卓越性能不僅局限于單臺風機，而且能夠勝任更大規(guī)模的風力發(fā)電機組的通信任務，乃至整個風電場的聯(lián)網(wǎng)控制。就海上風機而言，高壓直流輸電(HVDC)也是供電網(wǎng)中最復雜的部分之一。倍福基于 PC 的控制技術也已成功應用于這一領域。這一點在西門子能源解決方案中得到了很好的說明。

　　作為輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)定領域的杰出制造商，西門子能源今后將更加信賴倍?；?PC 的控制技術(本案例中為高壓直流輸電系統(tǒng))。

　　倍福技術不僅在發(fā)電領域，而且在區(qū)域供電網(wǎng)的能源分配過程中也展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。可以挖掘出哪些效率潛力?

　　Fabian Assion 博士：除了系統(tǒng)集成的測量技術之外，倍福的 I/O 解決方案也為用戶帶來了諸多裨益，這些解決方案能夠輕松應對各類應用場景的市場需求及復雜多變的環(huán)境條件。這意味著，無論是電力測量，還是遠程控制協(xié)議、開關位置、信號消息以及變壓器和環(huán)境溫度等關鍵信息，所有所需的數(shù)據(jù)都可以在控制系統(tǒng)中進行記錄和整合。瑞士西區(qū)能源供應商 Romande Energie 的應用案例充分說明了倍福技術在強化電網(wǎng)安全管理方面所做出的杰出貢獻。

　　瑞士五大能源供應商之一的 Romande Energie 公司在其變電站中采用了倍福的系統(tǒng)集成式測量解決方案，采用了 EL3453 電力測量端子模塊以及其他 EtherCAT 端子模塊，以保障其電網(wǎng)的可利用率(本案例中為高壓裝置)。

　　數(shù)據(jù)測量固然重要，但確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定則是另一項不容忽視的關鍵任務。在頻率控制與電網(wǎng)穩(wěn)定方面，基于 PC 的控制技術能提供哪些解決方案?

　　Fabian Assion 博士：能源供應電網(wǎng)的頻率控制和穩(wěn)定是一項極為復雜且精細的任務。這項任務不僅依賴于全面的電網(wǎng)數(shù)據(jù)支持，還要求系統(tǒng)具有極快的響應速度 — 從毫秒級乃至微秒級。2015 年，韓國公司 Power 21 使用我們具有超采樣功能的 EL3773 電網(wǎng)監(jiān)測端子模塊為能源供應商 KEPCO 成功實施了高精度頻率測量解決方案。另一個例子是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。為此，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。

　　使用 TwinCAT HMI 對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)的電網(wǎng)仿真進行操作和監(jiān)控。

　　區(qū)域性電力用戶，尤其是那些配備了獨立供電網(wǎng)的大型工業(yè)廠房，有哪些節(jié)電潛力可以挖掘?

　　Fabian Assion 博士：我們自主研發(fā)的能源管理系統(tǒng)具備出色的負荷跟蹤能力，并能夠通過避開用電高峰時段的方式實現(xiàn)成本的最小化。在構建企業(yè)內(nèi)部能源供給網(wǎng)絡時，這一系統(tǒng)顯得尤為重要，無論是大型工業(yè)集團，還是中小型企業(yè)，都需要配備這樣的能源管理系統(tǒng)。一旦企業(yè)成功安裝了諸如光伏發(fā)電系統(tǒng)之類的自有發(fā)電設施，接下來就應當將能源管理視作下一步工作的重中之重。如果企業(yè)同時配備了儲能系統(tǒng)和可控負載(如雙向充電樁)，就能夠精準控制能源流動。

　　在建筑和生產(chǎn)的控制以及它們的能源協(xié)調管理方面，基于 PC 的集成式控制技術有何重要性?

　　Fabian Assion 博士：倍福的集成式解決方案顯著簡化了能源數(shù)據(jù)的測量過程。它們與相應的能源管理系統(tǒng)相輔相成，不僅奠定了從能源角度審視并優(yōu)化流程的基礎，還為企業(yè)靈活應對電價波動提供了有力支撐。兩者都為降低能源成本提供了巨大的潛力。成功案例包括制藥企業(yè) Engelhard Arzneimittel 采用一站式解決方案實現(xiàn)生產(chǎn)流程和樓宇自動化，以及奧地利機電一體化制造商珀爾曼公司采用基于 PC 的控制技術實現(xiàn)樓宇和生產(chǎn)自動化的集中控制。

　　奧地利天窗機械組件和門鎖外殼供應商鉑爾曼的 Vitis 工廠擁有高效的能源系統(tǒng)和智能高效的生產(chǎn)方式(基于 PC 的自動化控制)，因此被奧地利弗勞恩霍夫研究院評選為奧地利最佳工廠。

　　隨著可再生能源占比的持續(xù)攀升，對分布式儲能能力的擴展需求也日益迫切。基于 PC 的控制為電池儲能系統(tǒng)、沼氣發(fā)電廠以及儲氫系統(tǒng)提供了哪些控制選項?

　　Fabian Assion 博士：我們的控制和測量技術的應用領域與儲能系統(tǒng)本身一樣具有多樣性。在動力電池應用方面，一個極具潛力的實踐案例是將電動汽車轉變?yōu)橥＼噹熘械膬δ芟到y(tǒng)。倍福通過 TwinCAT 3 IoT OCPP(開放充電點協(xié)議)和 EL6761 EtherCAT 端子模塊，為充電站和電動汽車之間、現(xiàn)有充電樁之間以及充電樁與相應的中央管理系統(tǒng)之間的 ISO 15118 通信提供了完整的解決方案。Reverion 公司的緊湊型集裝箱式沼氣發(fā)電機組和吉凱恩氫氣公司的低壓金屬氫化物儲氫系統(tǒng)。

　　得益于基于 PC 的控制技術，Reverion 沼氣發(fā)電機組安裝在一個高度緊湊的集裝箱內(nèi)，發(fā)電率高達 80%，并且支持可逆運行。

　　最后，您還有什么要補充的嗎?

　　Fabian Assion 博士：當前，我們都面臨著諸多嚴峻挑戰(zhàn)，其中一項便是能源供應結構的優(yōu)化調整。倍福正不遺余力地踐行著公司所有者兼創(chuàng)始人的核心理念與座右銘：“工程師們必須肩負起拯救世界的重任!”。然而，我們必須坦誠地說，僅憑我們一己之力是遠遠不夠的。因此，我誠摯地向我們現(xiàn)有的以及未來即將加入的每一位客戶發(fā)出邀請，讓我們攜手并肩，齊心協(xié)力，共同完成這一重要使命!