Vom Gerät zum Netz: Verwendung von Simulink mit FMI für die HVDC-Cosimulation

Mit der Beschleunigung des Übergangs zu erneuerbaren Energien steigt die Nachfrage nach Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ), um Wechselstromnetze zu verbinden und Energie effizient und mit geringeren Verlusten über große Entfernungen zu übertragen. Das HVDC-WISE-Projekt, eine von der Europäischen Union finanzierte Kooperation mit 14 Partnern aus 10 Ländern, hat zum Ziel, zentrale Herausforderungen in den Bereichen Systemzuverlässigkeit und -resilienz für hybride AC/DC-Übertragungsarchitekturen zu bewältigen. Die an dem Projekt arbeitenden Ingenieure und Forscher konzentrieren sich darauf, auf HVDC basierende Netzkonfigurationen zu identifizieren, die diese Herausforderungen bewältigen und gleichzeitig die Integration erneuerbarer Energiequellen ermöglichen.

Eine anhaltende Herausforderung bei der Entwicklung und dem Einsatz von HGÜ-Systemen besteht in den unterschiedlichen Werkzeugketten, die in den beiden wichtigsten beteiligten Ingenieursbereichen verwendet werden. Leistungselektronikingenieure bei Geräteherstellern sowie Energiesystemingenieure bei Netzbetreibern und Forschungseinrichtungen setzen zunehmend auf MATLAB^® und Simulink^® bei der Modellierung, Simulation und Validierung einer breiten Palette von Komponenten und Systemen, von Umrichtern und Energiespeichern bis hin zu kompletten netzgekoppelten Konfigurationen.

Interoperabilitätsprobleme treten jedoch häufig auf, wenn in einer Umgebung entwickelte Subsystemmodelle in einer anderen Toolchain verwendet werden müssen, beispielsweise bei Zertifizierungs- oder Integrationsstudien, bei denen das Referenznetz oder Benchmark-Netzwerk in einer anderen Umgebung als MATLAB und Simulink modelliert wird. Die Notwendigkeit, Modelle über verschiedene Tools hinweg zu übersetzen oder zu replizieren, ist in der Regel zeitaufwändig und fehleranfällig.

Parallel dazu bleibt der Schutz geistigen Eigentums ein zentrales Anliegen. Hersteller zögern häufig, detaillierte Implementierungsmodelle preiszugeben, wenn sie mit Netzbetreibern oder Zertifizierungsstellen zusammenarbeiten. Um sowohl die Interoperabilitäts- als auch die IP-Problematik anzugehen, werden zunehmend Workflows eingesetzt, die auf einer Functional Mock-up Interface (FMI) und dem Austausch parametrisierbarer Modelle basieren. Mithilfe dieser Workflows können Benutzer Simulink-Modelle als Functional Mock-up Units (FMUs) exportieren – ein standardisiertes Paket, das den kompilierten Code des Modells enthält, aber nicht das ursprüngliche, anzeigbare und bearbeitbare Modell. Eine FMU erhält die Genauigkeit und ermöglicht gleichzeitig die sichere Integration in externe Simulationsumgebungen oder stellt bei Bedarf Black-Box-Modelle bereit, die die Vertraulichkeit wahren, ohne die Interoperabilität zu beeinträchtigen.

Für die Projektanforderungen haben unsere Teams an der University of Strathclyde und am SuperGrid Institute, beides HVDC-WISE-Partner, einen neuen Workflow entwickelt, der beide Probleme mithilfe des FMI-Standards angeht, um domänenübergreifende Cosimulation und Modellaustausch zu vereinheitlichen. Im Rahmen dieses Workflows können Leistungselektronikingenieure ihre Steuerungssystementwürfe in Simulink modellieren, simulieren und validieren, und zwar auf dem Genauigkeitsniveau, das die Anwendung erfordert – sei es ein Mittelwertmodell, ein Vollschaltmodell oder etwas dazwischen. Anschließend exportieren sie das Modell als FMU-Leistungskonditionierer, der von Systemingenieuren bei Netzbetreibern importiert werden kann, die auf Simulationsumgebungen für Stromnetze wie DIgSILENT PowerFactory angewiesen sind, welche in Netzplanungs- und Betriebsstudien eingesetzt werden (Abbildung 1). Diese Umgebungen werden häufig gewählt, weil bestehende Netzmodelle, Daten und Validierungsworkflows seit langem auf ihnen basieren, sodass ihre fortgesetzte Nutzung eine praktische Voraussetzung für Interoperabilität und Zertifizierung ist.

In den folgenden Abschnitten wird ein Beispielanwendungsfall veranschaulicht, den wir mithilfe dieses Workflows umgesetzt haben: die Konstruktion und Systemanalyse eines Energiespeichersystems, das direkt an HGÜ-Terminals angeschlossen ist.

Modellierung und Simulation des Energiespeichersystems

Energiespeichersysteme (ESS) bieten in Netzen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien eine unerlässliche Flexibilität und Stabilität. Das von uns für diese Anwendung entwickelte Energiespeichersystem (ESS) ist über einen Zweig von in Reihe geschalteten Energiespeicher-Submodulen (ES-SMs) und eine Zweiginduktivität direkt mit den HGÜ-Anschlüssen verbunden. Jedes ES-SM kombiniert ein Halbbrücken-Submodul mit einem Speicherelement – ​​entweder einer Batterie oder einem Superkondensator –, das über einen DC/DC-Wandler angeschlossen ist (Abbildung 2). Diese modulare Architektur ermöglicht es dem Energiespeichersystem, über den gesamten Spannungsbereich des Speichers Energie in das HGÜ-System einzuspeisen oder daraus zu beziehen.

Bei diesem Anwendungsfall waren wir in erster Linie an Analysen auf Netzebene interessiert und weniger am detaillierten Verhalten des Energiespeichersystems selbst. Daher haben wir uns entschieden, ein Mittelwertmodell zu implementieren, das das Verhalten des Energiespeichersystems erfasst, ohne die einzelnen Schaltzustände der Leistungselektronik zu simulieren. Anstatt jedes Teilmodul explizit zu modellieren, stellt das Mittelwertmodell die kombinierte Dynamik mithilfe eines äquivalenten Kondensators und äquivalenter Speicherelemente dar. Um ein Anlagenmodell für den ES-SM-Zweig zu erstellen, übersetzten wir die Schaltkreisbeziehungen in Gleichungen – zum Beispiel berechneten wir die Kondensatorspannung als Integral des Nettostroms gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz – und implementierten diese Gleichungen als MATLAB-Funktionsblöcke.

Anschließend implementierten wir zwei verschiedene kaskadierte Regelungsstrategien für das Energiespeichersystem: Bei der einen Methode wird ein innerer Stromregelkreis mit einem äußeren Leistungsregelkreis zur Regelung der Gleichstromeinspeisung verwendet, bei der anderen Methode ein innerer Stromregelkreis mit einem äußeren Energieregelkreis zur Verwaltung der äquivalenten Kondensatorenergie (Abbildung 3).

Wir haben beide Regelungsstrategien in Simulink modelliert (Abbildung 4) und Simulationen mit geschlossenen Regelkreisen durchgeführt, um die Regelungsparameter abzustimmen und die Leistungsfähigkeit des Entwurfs zu bewerten und zu validieren.

Dieser Mittelwertmodellierungsansatz bietet die für Simulationen auf Netzebene erforderliche Recheneffizienz bei gleichzeitig ausreichender Genauigkeit für Lastfluss- und Energiedynamikberechnungen.

Exportieren des Subsystemmodells als FMU für die Cosimulation auf Netzebene

Nachdem wir das ESS-Modell in Simulink validiert hatten, exportierten wir es als FMU für die Co-Simulation auf Netzebene, die in diesem Beispiel mit PowerFactory durchgeführt wurde. Hierfür verwendeten wir den Simulink Compiler™ und das FMU Builder for Simulink Support Package, um eine eigenständige FMU zu generieren, die eine aus dem ESS-Simulink-Modell kompilierte binäre Shared Library enthält. Die resultierende FMU-Datei fungiert als standardisierte, plattformunabhängige und in sich geschlossene Blackbox. Es enthält ausführbaren Code, der das Verhalten des Modells implementiert, ohne das zugrunde liegende Simulink-Design offenzulegen.

In PowerFactory erstellten wir ein einfaches Testmodell, bestehend aus einer Zweiginduktivität und einer geregelten Spannungsquelle, und verbanden dieses Modell mit der FMU – die sowohl die Regler als auch die ES-SM-Anlage enthielt –, die wir aus Simulink generiert hatten (Abbildung 5).

Um unseren FMU-basierten Workflow zu validieren, haben wir identische Simulationsszenarien sowohl in Simulink als auch in PowerFactory durchgeführt. Die Simulation beginnt ohne Leistungsaufnahme und mit einer Spannung am äquivalenten Kondensator von \(700\) \( kV \). Bei t=0,5 s springt die äquivalente Kondensatorspannungsreferenz auf \(710\) \( kV \), während bei t=1 s, die Leistungsreferenz auf \(10\) \( MW \) und bei t=1,5 s auf \(100\) \( MW \) springt (in beiden Fällen ist die Leistungsflussrichtung zum Speichersystem gerichtet). Die Simulink-Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt, die Simulationsergebnisse von DIgSILENT PowerFactory-in Abbildung 7.

Die Simulationsergebnisse zeigten eine hohe Übereinstimmung (Abbildungen 6 und 7), wobei sowohl die Leistungs- als auch die Spannungswellenformen nach den anfänglichen Einschwingvorgängen nahezu identisch waren. Dieses Ergebnis bestätigte, dass der von uns verwendete Workflow eine effektive plattformübergreifende Co-Simulation von HGÜ-Systemen und -Subsystemen ermöglicht.

Realisierte Vorteile und nächste Schritte

Der von uns etablierte FMI- und FMU-basierte Workflow bietet erhebliche Vorteile für die Entwicklung von HGÜ-Systemen. Durch die Trennung der Geräteentwicklungsaktivitäten von den Zertifizierungsaktivitäten auf Netzebene können sich Leistungselektronikingenieure auf die Subsystementwicklung und -validierung in Simulink konzentrieren, während Energiesystemingenieure Zertifizierungs- und Stabilitätsanalysen in spezialisierten Tools wie PowerFactory durchführen können – ohne dass eine manuelle Modellreimplementierung erforderlich ist. Diese Fähigkeit ist besonders wertvoll, da der Wiederaufbau komplexer Regelungsmodelle in PowerFactory zeitaufwändig sein kann und spezielle Kenntnisse der DIgSILENT Simulationssprache erfordert. Unser Workflow schlägt die Brücke zwischen diesen beiden Umgebungen und nutzt den FMI-Standard, um den Modellaustausch und die gemeinsame Simulation zu ermöglichen. Neben der Effizienz bietet unser Workflow drei wesentliche Vorteile: Interoperabilität über verschiedene Simulationsplattformen hinweg, Wiederverwendbarkeit verifizierter Modelle (wodurch Entwicklungszeit gespart und Konsistenz gewährleistet wird) und Schutz des geistigen Eigentums durch Black-Box-Kapselung. Die beiden Vorteile der Interoperabilität und des Schutzes geistigen Eigentums haben sich innerhalb des HVDC-WISE-Konsortiums als besonders wertvoll erwiesen, da sie es den Partnern ermöglichen, Modelle sicher auszutauschen und die gemeinsamen Entwicklungsbemühungen zu intensivieren.

Diesen Workflow haben wir bereits für eine Reihe weiterer Modelle, zusätzlich zum ESS, verwendet, darunter ein dynamisches Bremssystem und ein netzbildender MMC-Umrichter. Zukünftige Bemühungen werden sich auf die Verfeinerung und Erweiterung der bestehenden Modellbibliothek von FMU-basierten HVDC-Komponenten, die Durchführung von Interoperabilitätstests über zusätzliche Simulationsplattformen hinweg und die Durchführung weiterer Kreuzvalidierungsstudien konzentrieren, um die Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit des Modells zu verbessern. Durch die Bereitstellung standardisierter, interoperabler Modelle und die Ausweitung der Anwendung unseres Workflows auf realistischere, großflächige Stromnetzszenarien wollen wir diesen Ansatz in der gesamten Energietechnik-Community fördern und damit das übergeordnete Ziel des HVDC-WISE-Projekts unterstützen, die Einführung zuverlässiger und robuster hybrider AC/DC-Übertragungsarchitekturen zu beschleunigen.

Danksagung

Das Projekt HVDC-WISE wird durch das Programm Horizont Europa der Europäischen Union unter der Vereinbarung 101075424 gefördert.

Die Finanzierung von HVDC-WISE durch UK Research and Innovation erfolgt im Rahmen der Horizon Europe-Fördergarantie der britischen Regierung [Fördernummern 10041877 und 10051113].