Bibliotheken für HVDC und modulare Multilevel-Konverter (MMC/SM)

"Das modulare Multilevel-Converter-System(MMC) bietet viele Vorteile gegenüber konventionellen Spannungsquellen-Wandlern und in DC-Stromübertragungs-, microgrid oder Erneuerbare Energien . Die besondere Topologie von MMC bietet eine Vielzahl neuer Funktionen, die den Einsatz eines hochentwickelten Reglers für zusätzliche Steuerungsanforderungen erforderlich machen."

Für diesen Artikel sprachen wir mit Wei Li, der derzeit in der Abteilung AXES (Application eXpertise and Electrical Simulation) von OPAL-RT arbeitet, wobei sich das Team auf HGÜ-Werkzeuge konzentriert. Er arbeitet an der Entwicklung von MMC (Modular Multi-Level Converter) Modellierungswerkzeugen für die Simulation dieser Kategorie und gemischter Topologie.
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Interviewer (IV): "Hallo und vielen Dank für das Gespräch mit uns. Wäre es richtig, Wei Li, zu sagen, dass HGÜ und MMC etwas sind, das der Markt jetzt will?"

Wei Li (WL): "Ja, MMC (Modular Multilevel Converter) ist ein technischer Begriff für eine Kategorie von Konvertern, sei es von AC- zu DC-Systemen oder umgekehrt. Normalerweise sagen wir, dass sie eine Untergruppe der HGÜ sind, die ihrerseits eine Art Verbindung zwischen zwei Wechselstromsystemen darstellt. MMC scheint die Zukunft der HGÜ-Technologie zu sein. Derzeit werden mehrere große technische Projekte in Auftrag gegeben, bei denen diese MMC-Technologie für HGÜ eingesetzt wird."

IV: "Warum also ist der Markt jetzt unbedingt bereit dafür?"

WL: "Weil es mehrere technische Vorteile hat - die Leute haben geforscht. Und jetzt nutzen die Leute diese Technologien zum Bau. Im Vergleich zu früheren Technologien ist es ein bisschen schwierig, und es gibt einige Herausforderungen für den Controller. Für unsere Systeme bieten wir Hardware(HiL)-Simulationen und Prüfstände in Echtzeit an. Die Hauptfunktion des HiL-Echtzeitprüfstands besteht darin, dass die Hersteller ihre Steuerungen validieren können, bevor sie sie in der Praxis in Betrieb nehmen. Vor allem, wenn sie Hochspannung und hohe Leistung testen - das ist schwierig und nicht unbedingt das, womit man beginnen möchte, um im Feld zu testen."

"Vor fünf Jahren war das schwierig, aber jetzt, wenn sie den Erfolg der aktuellen HGÜ-Projekte sehen, werden sie sich dafür entscheiden, ihre Regler in unseren Systemen zu testen. Das hat mehrere Vorteile für sie: Der erste Vorteil ist, dass sie in einem früheren Stadium testen - für das Prototyping und noch bevor es um die hardware geht. Zweitens: Selbst wenn man sein Steuergerät bereits gebaut hat, ist es teuer und potenziell gefährlich, und man kann nicht alle Szenarien testen - ein weiterer Vorteil ist also, dass man einen Prototyp testen kann. Man kann nicht absichtlich Fehlerszenarien testen, weil man unter anderem den Betrieb unterbrechen oder die Ausrüstung beschädigen könnte. Außerdem muss man wissen, dass das Steuerungs- oder Schutzsystem auch im schlimmsten Fall funktioniert - auch das ist ein Vorteil der Tests .

"Wir haben bereits mehrere HGÜ-MMC-Projekte durchgeführt, bei denen unsere Modelle und Simulatoren als hardware verwendet wurden. Wir machen das also schon seit einigen Jahren, und es war sehr erfolgreich. Da sich die Technologie jedoch weiterentwickelt, haben die Benutzer für reale Systeme andere Technologien ausprobiert. Aus diesem Grund muss unser Echtzeitsimulator den Trends auf den Märkten folgen. In China zum Beispiel hatten sich bereits mehrere Hersteller um einen Auftrag beworben, und jetzt wird er nächstes Jahr gebaut. Bei MMC werden Hunderte von Modulen für den Hochspannungseinsatz gestapelt. Früher waren in einem System oder einem Projekt alle Module gleich: entweder alle Halbbrücken- oder alle Vollbrückenmodule. Jetzt werden sie wegen einiger technischer Vorteile gemischt. Früher hatte man vielleicht Schwierigkeiten, diese zu simulieren. Vielleicht gab es eine Umgehung, aber die war nicht einfach.

"In unseren Modellen können wir gemischte Submodultypen verwenden: 80 % des einen, 20 % des anderen, usw. Um diese Szenarien nachzubilden - denn in der realen Welt wird es sich um gemischte Typen handeln - müssen sie in der Lage sein, die Mischung zu simulieren und das Verhältnis der Mischung nach Belieben zu ändern. Das Verhalten des Systems während des Fehlers ist neu und anders, und wir müssen in der Lage sein, dies zu simulieren. Bei der Planung werden also verschiedene Szenarien getestet, um herauszufinden, welches optimal ist."

"Wir haben diese neue Funktion bereits, wir werden sie ankündigen, um den Leuten mitzuteilen, dass wir dies tun können. Bei diesen neuen Funktionen können die Leute gemischte Module in einem Projekt testen, und während der Simulation kann man das Verhältnis der Module in einer Simulation ändern und sehen, was sich ändert, und das Design auf der Grundlage dieser Änderungen validieren. Am Ende landet der Controller auf einem hardware(HiL)-Prüfstand."

IV: "Das hört sich so an, als hätten wir dieses Produkt oder diesen Prüfstand schon?"

WL: "Wir haben sowohl in eFPGASIM als auch in HYPERSIM eine Bibliothek namens MMC. Jede Box kann Hunderte von Modulen enthalten. Wir unterstützen beide Plattformen, wir verwenden hardware und software, und jetzt haben wir vollständige MMC-Bibliotheken. Wir wussten, wie wir es machen mussten, aber jetzt haben wir ein fertiges Produkt - einen Prüfstand -, der MMC-/Mixed-SM-fähig ist und den Fortschritten des Marktes gerecht wird."

"Es ist also eher die Ankündigung einer neuen Funktion. Ich arbeite seit mehr als 10 Jahren hier und habe einen elektrotechnischen Hintergrund. Mein Spezialgebiet sind Energiesysteme, und als ich anfing, hatten wir das EMS-Team (elektromagnetische Systeme): Wir befassten uns mit den speziellen Anforderungen von Kund:innen bei der Modellierung von Energiesystemen, aber damals war es nicht spezifisch für die MMC-Modellierung. Als das Team wuchs, begann jedes Teammitglied, für verschiedene spezifische Bereiche verantwortlich zu sein. Das ist vielleicht 6-7 Jahre her. Jetzt hat sich mein Team AXES angeschlossen. Jetzt sind wir das FACTS- und HVDC-Team."

IV: "Wie erfahren wir von diesen neuen Entwicklungen auf dem Markt, wenn der Markt beginnt, technologische Fortschritte zu machen?"

WL: "Zunächst beobachten wir genau, was die Märkte brauchen. Wir versuchen zu verstehen, welche Forschungsthemen in der Akademie aktuell sind, dann schreiben und lesen wir Papiere zu diesen Themen; wir gehen zu Konferenzen; wir halten unser Ohr am Boden. Bei diesem speziellen Thema handelt es sich um ein aktuelles Thema. Es gibt mehrere MMC-Projekte auf der ganzen Welt und viele konventionelle HGÜ-Projekte. Wir stehen in engem Kontakt mit den Energieversorgern und den Herstellern, so dass wir ziemlich leicht auf dem Laufenden bleiben können.

"Bei den Leuten aus der Industrie versuchen wir zu verstehen, welches Projekt sie planen. Bei den Akademikern wollen wir sehen, woran sie forschen. Und wir wollen wissen, wie weit wir in die Zukunft blicken können, d.h. 5-10 Jahre oder so weit, wie wir es können. Die meisten MMC sind für HGÜ-Anwendungen bestimmt, und STATCOM ist ein weiteres Gerät, das Blindleistung liefert. Wir stellen also auch die Lösungen, die Werkzeuge usw. für die Akademie zur Verfügung, denn neben den offensichtlichen Vorteilen können wir mit den Forschungsthemen auch ein wenig in die Zukunft blicken."

"Wenn wir Echtzeit-Simulationslösungen anbieten, versuchen wir zunächst immer, die allgemeine Methode anzuwenden: die Modelle mit den verschiedenen Grundkomponenten der Energiesysteme zu erstellen. Diese Theorien gibt es schon seit vielen Jahren. Wenn die Leute ihre MMC-Steuerungen in Echtzeit validieren müssen, wird dies komplex und schwierig. Tausende von Modulen und wir müssen sie in Echtzeit simulieren. Das ist mit herkömmlichen Simulationsmethoden fast unmöglich. Wir müssen uns diese spezielle Schaltung ansehen, das Modell optimieren und im Vorfeld recherchieren. Das ist eine weitere Möglichkeit, dem Markt voraus zu sein. Dann können wir über konventionelle Methoden hinausgehen, weil wir bereits für die gemischte Topologie optimiert sind. Dann werden die Leute in der Praxis sagen: 'Ich möchte andere Topologien bauen'. Wenn sie das tun, müssen wir es ihnen ermöglichen, alle ihre Änderungen in Echtzeit zu simulieren.

IV: "Es hört sich auch so an, als ob bei großen Projekten alles so stark skaliert. Ist es das, was Sie meinen?"

WL: "Ja, denn es gibt so viele Komponenten, die alle zusammenarbeiten, und sie müssen eine Echtzeitsimulation durchführen, die schnell ist. Deshalb stammte wir eine optimierte Methode entwickelt, die es uns ermöglicht, in Echtzeit und mit viel besserer Auflösung und Detailgenauigkeit zu arbeiten. Man muss optimieren und sich bestimmte Vorgänge ansehen, wenn man den Maßstab ganz nach oben setzt. Wenn die Leute zu Ihnen kommen und Ihnen sagen, dass es gemischte Module gibt, wissen Sie, dass Sie zu tun haben. Zum Glück haben wir großartige F&E-Leute und Kund:innen , die ihre Bedürfnisse erkannt haben. Wenn sie anfangen, die Angebote anzunehmen und die Systeme zu bauen, haben wir bereits die Hintergrundarbeit geleistet, so dass wir den Anschluss gefunden haben und der Zeit voraus sind.

"Unterschiedliche Kund:innen haben unterschiedliche Bedürfnisse. So bauen einige Kund:innen HGÜ, und sie müssen ihren Controller mit HiL validieren. Wenn sie also ihre Systeme, die Topologie usw. entwerfen, machen sie das normalerweise selbst. Und aus geschäftliche Gründen ist die Entwurfsphase normalerweise vertraulich. Wenn das System dann fertig ist, brauchen sie HiL: Prüfstände, die ihr System genau simulieren können. Wir wissen, was sie wollen, wir bereiten das Modell vor, und wir müssen ihre Anforderungen erfüllen, um ihr System in Echtzeit zu simulieren. In seltenen Fällen, wenn wir es mit den verfügbaren Werkzeugen nicht auf Anhieb schaffen, müssen wir eine Lösung finden, ein Modell optimieren oder etwas entwickeln. Unser Hauptziel oder Erfolgspunkt ist also die Simulation ihres Systems in Echtzeit. Wir brauchen eine Lösung, die nicht nur schnell genug ist, sondern auch detailliert und genaugenug - das sinddie drei wichtigsten Punkte."

"Bei der reaIn Akademie ist es ein bisschen anders. Sie versuchen herauszufinden, welche Möglichkeiten es gibt, manchmal mit sehr kreativen Designs. Sie arbeiten mit uns zusammen, in der Regel eher iterativ, und sie möchten vielleicht, dass wir einige Modelle liefern oder etwas Neues ausprobieren. Ein kompletter Testzyklus für sie besteht meines Erachtens darin, dass sie das System und den Regler mithilfe einer Offline-Simulation entwerfen und dann versuchen, entsprechende Systeme in verkleinertem Maßstab zu bauen, wobei der Regler direkt in einen Echtzeitsimulator heruntergeladen wird. Dies ist rapid control prototyping (RCP) - es handelt sich nur um einen Prototyp eines Reglers. Während dieses Zyklus wird also versucht, die Parameter zu optimieren und zu überprüfen, ob der Regler funktioniert. Bevor das Steuergerät dann in die Praxis umgesetzt wird, wird es an einen Simulator angeschlossen. Wir nennen das HiL. Und schließlich wird das Steuergerät an das eigentliche Gerät angeschlossen."

IV: "Und wir haben Produkte in all diesen Kategorien, richtig?"

WL: "Ganz genau. Unsere Produkte bieten von Anfang an eine Offline-Simulation und dann eine vollständig digitale Echtzeitsimulation. Unser Echtzeitsimulator kann dann entweder als Prototypregler oder als Anlage verwendet werden. Bei einem Prototyp-Controller wird die gesamte Steuerlogik auf einen Echtzeitsimulator heruntergeladen und mit einem hardware verbunden, das gesteuert werden soll. Als Anlage wird er nicht nur für stationäre Systeme verwendet, sondern auch, wenn nicht sogar hauptsächlich, um das Verhalten bei Fehlern zu simulieren. Wir haben eine spezielle Kategorie von Tests , die sich besonders gut für Kund:innen eignet, die zwei unabhängige Simulatoren verwenden: einer fungiert als Regler, einer als Anlage. Es gibt keine bessere Möglichkeit, das reale Verhalten zu simulieren, mit Rauschen in den E/As und verzögerter Latenz."

"Die Berücksichtigung dieses sehr wichtigen Punktes, nämlich der E/As, ist unerlässlich, da sie in vielen Fällen Probleme verursachen können. Tests HiL können Sie problemlos viele Tests an einem Tag durchführen - wenn Sie einen Test beendet haben, setzen Sie das Modell einfach in den stationären Zustand zurück und testen es erneut. Dies kann in nur wenigen Sekunden geschehen. Vor Ort müssen Sie alle Geräte stromlos machen und neu starten. Bei der ersten mehrpoligen HGÜ-Anlage der Welt mussten 650 bis 1.000 Tests durchgeführt werden, bevor die Anlage in Betrieb genommen werden konnte, damit sie lebensfähig war.

"Sie können sich vorstellen, wie viel Zeit man sparen kann, wenn man so viele Tests durchführt und jeden Tag etwas Zeit sparen kann. Und Zeit ist in diesem Bereich nun einmal Geld. In China machen sie diese Tests innerhalb eines Jahres. Und wenn sie das vor Ort machen, 1.000 Tests, bei einer Rate von einem pro Tag, würde das drei Jahre dauern. Aber sie machen das alles in ein paar Monaten. Und sie führen jeden Test mehrmals durch."

IV: "Das Ausmaß all dessen ist einfach atemberaubend."

WL: "Ja, es ist buchstäblich fantastisch. Und wir freuen uns, dass wir die Leute dabei unterstützen können."

IV: "Wei Li, vielen Dank, dass Sie heute mit uns sprechen."
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Über die befragte Person

Wei Li erhielt seinen B.Eng.-Abschluss von der Zhejiang University, China, und einen M.Eng.-Abschluss von der National University of Singapore sowie einen Ph.D.-Abschluss von der McGill University, Kanada. Er ist Senior Power System Simulation Specialist bei OPAL-RT Technologies, Montréal. Seine Interessengebiete sind Leistungselektronik, Erneuerbare Energien und verteilte Erzeugung. Seine derzeitige Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Echtzeitsimulation und -steuerung von modularen Multilevel-Konverter-HGÜ-Systemen und FACTS-Geräten.