用于突破性线性光伏电站的创新型MVDC系统的数字孪生

公司

SuperGrid Institute是一家总部位于法国大里昂地区的私营公司，专注于高、中压直流（HVDC 和 MVDC）系统——这些系统是未来能源网络的关键推动力。该公司通过消除未来电网部署及大规模并网可再生能源的技术障碍，为能源转型作出贡献。

其中一项举措是“OPHELIA”项目，这是由法国环境与能源管理署（ADEME）作为“法国2030”计划的一部分提供资金支持的协作项目，SuperGrid Institute 在该项目中提供高精度的实时仿真，以快速且经济高效地验证设计方案。

挑战

• 不依赖标准产品的创新架构：独特的MVDC电气架构需要完全全新的组件和技术，且没有现成的工业化替代方案——因此验证工作至关重要。
• 复杂的多层次建模：需要采用不同层次的模型（平均模型和详细模型），以准确仿真 网络中每个元素的行为，其中包括无法访问源代码的黑盒模型。
• 多种通信协议：各种控制器采用不同的通信协议（CAN、Modbus TCP/IP），因此需要为每个控制元件开发专用的接口卡。
• 光伏项目用地稀缺：传统的交流电收集架构难以适应建在狭窄地块（如堤坝、铁路、自行车道）上的线性光伏电站所涉及的长距离传输需求，因此必须采用中压直流（MVDC）方案，且该方案在部署前必须经过验证。

OPAL-RT 解决方案

SuperGrid Institute 利用 OPAL-RT 的平台，为 OPHELIA MVDC 示范项目构建了一个全面的实时数字孪生模型：

• 硬件：OPAL-RT 实时仿真器作为核心，集成了针对特定换流器 的平均模型，以及针对特定换流器 采用 eHS 求解器的详细开关模型，同时还包含输电线路和断路器模型。
• 三层架构：该系统由仿真 层（采用OPAL-RT模型，支持CAN和Modbus TCP通信）、自定义接口层（由SuperGrid Institute的HIL团队开发）以及由物理控制器、保护继电器、远程终端单元（RTU）和网络SCADA系统组成的硬件层共同构成。
• 软件：OPAL-RT 量身定制的软件开发实现了高精度建模，而对多种通信协议的兼容性则确保了所有系统组件的无缝集成。
• 测试能力：支持光伏直流/直流（PV DC/DC）换流器 的MPPT算法测试、中间隔离式多电压直流（MVDC）换流器 的电压调节、通过直流/交流（DC/AC）转换实现的电网同步，以及基于SCADA系统且集成外部气象数据的监督控制。

成果

由OPAL-RT驱动的数字孪生为OPHELIA项目带来了显著成果：

• 测试台已全面投入运行：经过一年的开发，该实时测试台现已全面投入运行，并已准备好进入控制器验证阶段。
• 首创的数字孪生：这是为数不多的与实时数字孪生相连的真实项目演示系统之一，计划与实体演示系统并行运行两年。
• 降低部署风险：在将主要控制器安装到物理演示系统之前，对其功能进行了验证，从而发现了新设备之间存在的意外交互。
• 持续价值交付：数字孪生支持持续的技术分析、故障诊断、新功能测试、保护算法验证以及能源/电力管理系统开发。
• 经济洞察：可对所产生的能源进行经济分析，为线性光伏网络的运营决策提供依据。

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