配電網路的即時模擬環境開發

[作者 DLR e.V.]

本文敘述如何透過電、熱及交通運輸（或移動性）等領域的整合，以分散式設施和可再生能源為特點，促使工程師與研究人員尋找出方法，設計以在地風力、太陽能等能量來源等發電方式為基礎，並且穩定、有效率的能源系統。

傳統的發電和配電通常與燃燒化石燃料的大型、集中式電廠有關。然而，有一種新的模型正逐漸在世界各個地方興起，這種模型以分散式設施和可再生能源為特點。做為這項根本性轉變的一部份，工程師與研究人員正在尋找方法，設計以在地風力、太陽能，以及其他更乾淨、仰賴天氣的能量來源等發電方式為基礎，並且穩定、有效率的能源系統。

我們在 Institute of Networked Energy Systems的團隊（亦隸屬於德國太空中心（German Aerospace Center；DLR）的55個機構之一），正積極地研究強健的電網運作，透過電、熱、以及交通運輸（或移動性）等領域的整合來促進這項徹底的改變。我們的研究需要結合數位模擬和在真正的電力硬體上進行的現場測試。然而，模擬雖然可協助持續探索，因為成本太高或太危險，而難以在真實設備上面測試的情境，但它還是不能完整地考量到延遲、時鐘同步（clock synchronization）、和其他真實世界的效應。

為了縮短電網模擬與現場測試之間的差距，我們成立了Networked Energy Systems Emulation Centre （Grid Lab；圖1）。Grid Lab的主要特點是實驗性電網設置與模擬環境和模型的整合。其中最重要的角色由18個功率放大器來擔任，這裡面每一個功率放大器可以提供或消耗的功率最高可達50 kVA。它們可以用來代表實驗性電網當中的網路參與者—例如完整的建築物、公寓、光伏逆變器（photovoltaic inverters）、電動車充電站、以及熱泵（heat pumps）等。

除此之外，還有超過16個雙向的DC源/匯系統，每一個都可以在最高電壓1,500 DCV下提供高達15千瓦的功率。這項整合之中也包含一個30 kVA的同步發電機（synchronous generator），我們只用這個發電機來仿效傳統電廠的功能，重現不同旋轉動能對於慣性頻率支持（inertial frequency support）的影響。

實驗室運作的核心元件是即時模擬，還有使用Simulink、Simulink Real-Time，和Speedgoat目標機台所建立的測試環境。該環境能夠幫助建立控制策略和整個電網的模型，然後執行與真實世界電力硬體整併的即時模擬。我們可以使用這個環境來將處理流程推到它們的額定運作條件之外，然後安全地評估結果。

此外，該測試環境還可以使用由合作夥伴和供應商提供的商用儀器執行即時測試，快速地檢驗新的構想，以及我們自行開發的控制演算法。

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