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(fā)電方式為基礎，並且穩(wěn)定、有效率的能源系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的發(fā)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(fā)電方式為基礎，並且穩(wěn)定、有效率的能源系統(tǒng)。

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(wǎng)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(shù)位模擬和在真正的電力硬體上進行的現(xiàn)場測試。然而，模擬雖然可協(xié)助持續(xù)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(wǎng)模擬與現(xiàn)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(wǎng)設置與模擬環(huán)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(wǎng)當中的網(wǎng)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。

圖1 : The Grid Lab（上）及用來模擬電網(wǎng)網(wǎng)路的路由線路終端（下）。（source：DLR）

除此之外，還有超過16個雙向的DC源/匯系統(tǒng)，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(fā)電機（synchronous generator），我們只用這個發(fā)電機來仿效傳統(tǒng)電廠的功能，重現(xiàn)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目標機臺所建立的測試環(huán)境。該環(huán)境能夠幫助建立控制策略和整個電網(wǎng)的模型，然後執(zhí)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(huán)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(huán)境還可以使用由合作夥伴和供應商提供的商用儀器執(zhí)行即時測試，快速地檢驗新的構想，以及我們自行開發(fā)的控制演算法。

Grid Lab執(zhí)行即時測試

幾年前，我們的團隊將使用於真正低電壓配電電網(wǎng)的線路進行特性化，使用該項工作資料來建立具有相似阻抗的線路，而這反倒可以協(xié)助建構多種電網(wǎng)拓撲，將Grid Lab架構的多種元件連接起來（圖2）。這些元件包含真實或模擬的逆變器與轉換器，以及一個商用電網(wǎng)控制系統(tǒng)、連接其他實驗室的介面，和即時測試設置。

圖2 : Networked Energy Systems Emulation Centre的架構圖。（source：DLR）

在這個架構之中，我們團隊測試並優(yōu)化在Simulink建模的控制策略，並且使用Simulink Coder和Simulink Real-Time部署到Speedgoat目標電腦。這個控制器透過Speedgoat機器的FPGA I/O模組，從電網(wǎng)節(jié)點取得電流和電壓訊號量測值。該控制器也透過相同的模組來發(fā)射類比訊號，控制所希望評估的網(wǎng)路中的各個元件。

在跨越地域分布的實驗室執(zhí)行協(xié)同模擬

我們團隊與其他幾個有特定電力硬體配置的實驗室團隊合作，有的同樣隸屬於DLR，有的則來自其他機構。與其將那些硬體搬運到Emulation Centre，我們建立一個協(xié)同模擬環(huán)境，幫助我們透過一個UDP連接來串起兩個或更多的實驗室。

在與University of Applied Sciences Emden/Leer的團隊合作的Zukunftslabor Energie （ZLE）的研究專案，我們正使用這樣的方法來連接實驗室。同時，我們的團隊也在探索採用靈活配置，以方便處理低壓電網(wǎng)之中的負載峰值和饋電峰值（infeed-peak）的策略。

在Simulink使用Simscape Electrical提供的線、節(jié)點和負載元件，為這個專案建立大約三分之一的低電壓配電網(wǎng)。另外三分之一的網(wǎng)路是透過我們Grid Lab的硬體，搭配Simulink Real-Time和Speedgoat來模擬，剩下三分之一是透過在University of Applied Sciences Emden/Leer所屬的Laboratory of Renewable Energies的硬體來模擬（圖3）。

圖3 : 橫跨兩個地點進行協(xié)同模擬的低電壓配電網(wǎng)路。（source：DLR, Hochschule Emden/Leer, Forschungsstelle fur Energiewirtschaft e.V.）

這三個同時運行並且透過UDP來溝通的子系統(tǒng)可以被用來執(zhí)行電力硬體迴圈（power hardware-in-the-loop；PHIL）測試，其中控制策略會自動對德國埃姆登的風力或太陽發(fā)電廠發(fā)電量的突降或激增做出補償。

電網(wǎng)迴圈模擬

PHIL模擬之外，我們也規(guī)劃了電網(wǎng)迴圈（grid-in-the-loop）模擬，這裡面有在Simulink建模的一整個低或中壓電網(wǎng)，接著在一臺Speedgoat目標電腦上面執(zhí)行即時模擬。這一個即時模擬是透過一個電源介面和線路模擬器連結，將低壓電網(wǎng)代表物的拓撲複製到各種產(chǎn)生或消耗電力的真實電網(wǎng)參與者（圖4）。

圖4 : 電網(wǎng)迴圈模擬架構。（source：DLR）

物聯(lián)網(wǎng)與能源管理

我們使用相似的方法來研究Quarter Energy Management Systems（QEMS），這項專案內容有一個物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things；IoT）裝置連接到逆變器或其他要被控制的裝置，並且透過網(wǎng)路將控制與監(jiān)測訊號從QEMS接收下來（圖5）。有一個放大器重現(xiàn)以Simulink與Speedgoat模擬的電網(wǎng)模型內的一個節(jié)點上的電壓。

圖5 : 能源管理系統(tǒng)的即時模擬。（source：DLR, Speedgoat）

研究持續(xù)進行

我們團隊正積極地在Grid Lab使用搭配Simulink與Speedgoat的即時測試與模擬，追求更大範圍的研究契機，包含採用機器學習演算法的智慧逆變器系統(tǒng)；DC、混合與逆變器主導的電網(wǎng)；電動車（e-mobility）科技，包含雙向充電站；分散式供應結構；以及其他大功率應用。

（本文由鈦思科技提供；作者Jan Petznik、Alejandro Rubio、Moiz Ahmed、Frank Schuldt於DLR e.V.公司）