解決方案
英國紐卡斯爾大學智能電網實驗室基于RT-LAB的實時電網仿真器(qì)（RTNS）使用能夠與真實實驗室環境互動(dòng)的模型對電網進行詳盡的實時仿真。在配置了Triphase功率放大器(qì)之後，研究方式直接從傳統的HIL轉變為PHIL功率硬件在環，實時電網仿真模型可(kě)被數字鍊路(lù)連接到一個(gè)能夠發送可(kě)控電壓波形和(hé)時間的三相四象變頻驅動(dòng)器(qì)上，從而方便真實被測低壓電網設備與實時電網仿真器(qì)模拟出的大規模電網模型之間的互動(dòng)，這就使得對未來電網技術(shù)各項能力進行複雜研究成為可(kě)能。
英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）智能電網實驗室和(hé)能源存儲測試平台的特色在于其能夠對未來能源系統進行深入研究。該實驗室及測試平台項目是由工程和(hé)物理科學研究委員會（EPSRC）、紐卡斯爾大學及其工業(yè)合作夥伴—北方電網和(hé)西門子(zǐ)—共同資(zī)助的。作為紐卡斯爾大學的重要機構和(hé)旗艦項目科研中(zhōng)心，該研究室将學術(shù)界、公用事業(yè)部門、社區、商(shāng)業(yè)以及工業(yè)聯系在一起，從而形成一個(gè)針對城市創新和(hé)可(kě)持續發展研究中(zhōng)心。
該研究設施的目的是開發一種能夠将城市能源、運輸和(hé)數字基礎設施聯成一體的智能的、可(kě)持續發展且恢複性強的生态系統樣本。紐卡斯爾大學智能電網實驗室專注于未來場景下(xià)配電網絡的研究，内容包括大量湧現的電動(dòng)汽車(chē)和(hé)新能源發電機的集成。
1.1 将硬件和(hé)電力系統連結成環
實驗室的設置需要滿足對電力系統進行仿真的要求。“我們需要在實驗室中(zhōng)将電力電子(zǐ)換流器(qì)、電動(dòng)汽車(chē)、電池系統、智能設備以及其他真實設備與實時仿真的電力系統連接起來。并希望在智能電網環境中(zhōng)通(tōng)過将硬件和(hé)電力系統連結成環從而彌補仿真和(hé)實驗間的差距。” 紐卡斯爾大學電力電子(zǐ)工程學院研究員Charalampos Patsios博士說。
1.2 基于真實潮流數據和(hé)存儲數據的仿真
紐卡斯爾大學智能電網實驗室的研究者們能夠從當地電網運營商(shāng)獲得真實數據。他們希望将這些數據導入實驗室中(zhōng)以便對不同情境下(xià)電力系統的運營進行實時仿真。
“我們将英國本地配電網運行商(shāng)處生成的即時數據導入實驗室，希望将它們作為可(kě)擴展、可(kě)配置的電網模型以及其他被仿真系統的輸入量。例如(rú)，我們可(kě)以利用紐卡斯爾一個(gè)真實變電站(zhàn)中(zhōng)産生的即時潮流數據測試一個(gè)真實電池系統的運行，從而實現調峰操作或其他服務。又例如(rú)，我們可(kě)以使用實時電壓、電流以及額定值等數據來研究新能源滲透的增加對電網造成的沖擊。”
存儲數據用處大。紐卡斯爾大學的研究者們擁有大量智能電表的存儲數據以及全英國智能電網的實驗數據。他們希望能夠将這些數據用于一系列場景中(zhōng)，進行電力系統硬件在環實驗，從而測試電力系統與真實硬件之間的相互作用。
基于RT-LAB的主動(dòng)配網解決方案讓紐卡斯爾大學的研究者們能夠對各種系統進行建模，并采集電壓、電流和(hé)功率流等有用變量。通(tōng)過使用仿真器(qì)，他們還能夠實時研究不同子(zǐ)系統和(hé)組件之間的相互作用和(hé)依賴關(guān)系。
該方案還使研究者們得以提高研究案例的規模，從而實現對更複雜電網的建模。出于安全性的考慮，實驗室的操作電壓不能超過400V。如(rú)今，通(tōng)過模拟更高的電壓，不但可(kě)以進行安全研究，還實現了對相關(guān)現象再現。使用RT-LAB實時仿真平台，研究者們不但可(kě)以仿真更高電壓和(hé)功率流，還可(kě)将其降至更易于在實驗室中(zhōng)控制管理的電壓水平或功率水平。
“我們希望降低高功率、高壓電網實驗的風險。” 智能電網實驗室負責人Martin Feeney說，“因此我們需要對它們進行實時仿真，并将其降至實驗室可(kě)控的電壓大小。現在我們終于能夠對包括真實硬件的電力系統進行實時仿真，并分别采集電流、電壓和(hé)功率流等不同量。”
2.1 智能電網實驗室
紐卡斯爾大學智能電網實驗室的實時電網仿真器(qì)（RTNS）使用能夠與真實實驗室環境互動(dòng)的模型對電網進行詳盡的實時仿真。除了OPAL-RT的OP5600實時仿真器(qì)，該實驗室還為進行功率硬件在環測試配備了一台Triphase功率放大器(qì)。實時電網仿真模型可(kě)被數字鍊路(lù)連接到一個(gè)能夠發送可(kě)控電壓波形和(hé)事件的三相四象變頻驅動(dòng)器(qì)上。這一設置提供了功率在環（PHIL）平台，從而方便真實被測低壓電網設備與實時電網仿真器(qì)模拟出的大規模電網模型之間的互動(dòng)，這就使得對未來電網技術(shù)各項能力進行複雜研究成為可(kě)能。
2.2 能量儲存平台
該實驗設施還可(kě)在一系列技術(shù)規範下(xià)與其他電能存儲技術(shù)接口，甚至通(tōng)過專用電池仿真器(qì)對各類技術(shù)進行模拟。利用這一實時電網仿真器(qì)（RTNS），該實驗設施不但能夠與真實電網相連，還可(kě)被近乎真實地連接到仿真電網中(zhōng)。
正如(rú)Charalampos Patsios博士總結，基于RT-LAB的實時仿真測試解決方案不僅能夠達到技術(shù)指标，還能克服以下(xià)幾個(gè)實際制約：
“時間軸：我們搭設實驗設備有嚴格的時間期限。
預算：“我們搭建實驗設備的預算有限，而這也制約着我們的決定。另一個(gè)挑戰是我們希望擁有一個(gè)靈活且開放的系統，能夠無縫接口不同的第三方軟件和(hé)硬件解決方案。因此靈活性也是我們需要的。”
智能電網實驗室會涉及未來智能電網中(zhōng)低碳技術(shù)仿真、負載仿真、電動(dòng)汽車(chē)、能源存儲以及通(tōng)過功率硬件在環仿真技術(shù)實現靈活低壓電網等問(wèn)題。
研究者們将能夠在未來更具挑戰性的場景中(zhōng)測評新的電網技術(shù)，屆時電力系統對我們的能源系統運作将更加重要。實時仿真将幫助他們了解智能電網如(rú)何幫助應對未來能源挑戰。
“在電力系統領域，對真實系統及其運營的準确、快速、靈活和(hé)可(kě)靠模型的需求不斷增多。而這是源自這些系統規模和(hé)複雜性的提高以及圍繞它們的技術(shù)的不斷演變。為了對不同解決方案進行設計、原型和(hé)測試，圍繞它們建立信心并保證它們不斷創新、長久且可(kě)持續發展，縮短(duǎn)計算機仿真和(hé)真實系統之間的差距勢在必行。”紐卡斯爾大學電子(zǐ)和(hé)電力工程學院的Haris Patsios博士說。
