可再生能源系统：与西门子合作开展夏威夷岛的HIL项目

公司

西门子是电气化、自动化和数字化领域的全球技术领导者。其技术事业部致力于推动能源转型所需的电力系统和控制架构创新。西门子控制系统首席专家乌尔里希·穆恩茨（Ulrich Muenz）博士负责领导夏威夷项目——他将此前在加拉帕戈斯群岛西门子混合动力电站项目中积累的、在鲁棒与分布式控制、电力电子优化以及岛屿电网自动驾驶 方面的专业经验带入该项目。

面临的挑战

• 100%可再生能源目标：夏威夷州计划到2045年实现完全由可再生能源供电的电网，随着传统电厂的逐步退役，这将要求对电力系统运行机制进行根本性变革。
• 频率与电压稳定性：随着基于逆变器的可再生能源占比不断提升，在没有传统同步发电机的情况下维持电网频率和电压稳定性变得日益复杂。
• 孤岛电网隔离：孤岛电力系统与邻近电网没有互联以供备用，这使得“N-1”安全标准——即能够承受任何单一组件的故障——的要求尤为严苛。
• 部署前的验证：创新的运维支持算法必须在逼真的虚拟环境中经过验证，才能部署到为商业和居民用户提供服务的实际电网中。

OPAL-RT 解决方案

该团队在PNNL搭建了一个端到端的HIL演示系统，将OPAL-RT的实时仿真 与西门子的商用能源管理平台相结合：

• 仿真 高保真数字孪生：夏威夷电力公司的电力系统模型（最初基于PSS®E）被逐步转换为PSS®SINCAL和Simscape™中的电磁瞬态（EMT）模型，随后通过RT-LAB和ARTEMiS。
• HIL集成：实时电网仿真 与西门子的商用Spectrum Power™ 7能源管理系统及SIGUARD® DSA辅助系统相连，构建了一个闭环HIL演示系统，可在真实运行条件下验证操作员辅助算法。
• 预测与优化：SIGUARD® DSA 算法可预测孤岛电网对关键市场活动 的响应情况，并为运维人员提供替代的逆变器设置方案以减少功率振荡——所有方案在实际部署前均已通过 OPAL-RT 数字孪生模型进行了验证。

成果

这款基于OPAL-RT技术的HIL验证机为夏威夷可再生能源计划带来了关键成果：

• 经过验证的操作员支持系统：在可再生能源渗透率较高的实际运行条件下，验证了西门子新型能源管理和辅助系统的有效性。
• 稳定的高比例可再生能源运行：证明了即使可再生能源发电量接近100%，电网仍能保持稳定运行，这为夏威夷实现2045年目标提供了信心。
• 降低功率波动：辅助系统成功确定了替代的逆变器设置，从而减少了由风能和太阳能发电波动引起的功率波动。
• 可扩展蓝图：该示范项目打造了一个可复制的平台，适用于全球其他面临类似可再生能源并网挑战的岛屿及孤网（例如爱尔兰、澳大利亚）。

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