新一代风力发电机组变流器自动化测试解决方案
随着可再生能源普及率的提高，欧洲电网正经历根本性变革，尤其体现在电力电子并网变流器系统的应用日益广泛。这对现代测试平台提出了全新要求，西门子歌美飒可再生能源公司（SGRE）通过采用倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术打造的电网-变流器试验台（G-CTR）成功满足了这些要求。
现代电力电子技术为电网支撑提供了广泛的可控性。然而，相较于传统同步发电机，其提供短路电流的能力较弱，这限制了在电网故障时提供的支撑能力。就系统稳定性而言，在系统层面控制发电单元之间的次同步及谐波稳定性交互作用正变得愈发重要。
在此背景下，风电整机厂商正开展原型机测试验证，以确定电网特性并构建电力系统分析所需的电气行为验证模型，因为这些模型是进行系统级进一步分析的必要基础。传统风力发电机组测试验证技术虽已相当成熟，且已成功通过多年现场考核。但现代电网日益增长的挑战要求采用补充性验证方法，以突破传统技术边界。为此，西门子歌美飒在现有的现场测试基础上，创新性地引入先进的试验台验证技术，通过将可编程电网模拟系统与多年现场经验的深度融合，以有针对性且高效的方式扩大验证范围。
先进的试验台助力拓展验证维度
电网变流器试验台是针对风力发电机组变流系统的柔性可复现测试平台，该关键组件对电网特性具有显著影响。现场测试与验证是在实际工况下对整个发电机组进行的。然而，现场电网条件仅能有限度地调整，试验台上的可编程电网仿真器提供了更广泛的验证可能性 — 既适用于静态与暂态电网特性，也适用于谐波行为。由于试验台具备可调供电电压，可在整个工作范围内灵活调节电压、有功功率和无功功率。这使得能够基于测量数据验证风力发电机变流系统的电网服务性能，而这种验证方式在现场条件下无法实现。此外，电网短路功率与 X/R 比值的可调性，使试验台能够真实模拟海上风电场特有的电网场景，包括涵盖正常运行与故障工况。通过定向注入电压谐波，可测定频率依赖性阻抗特性，该特性是验证整个电力系统谐波模型的基础依据。
西门子歌美飒在丹麦布兰德建造了 G-CTR 功率硬件在环（PHiL）试验台，采用基于 PC 的控制技术并依托倍福的技术支持，满足自动化、快速动态控制及高频信号/电压/电流采集记录等方面的严苛要求。
在 G-CTR 试验台中，被测变流器 ，即被置于两台电网模拟器之间的待测设备（DUT）—。这两台 ABB ACS6080 中压变流器凭借其精准的电网条件模拟能力和高度灵活性，为 PHiL 测试提供显著优势。通过模拟多种电网场景及故障条件，该系统可对风力发电机组等能源设备进行真实工况测试与认证。其中一台中压变流器模拟电网侧特性，另一台则模拟发电机侧特性。电网模拟器能够高动态地设定三相电压与电流，生成电网故障，并模拟阻抗与谐波特性。
这些电网模拟器通过 EtherCAT 总线与上级测试控制器连接，该控制器负责定义测试场景并监控系统状态，包括冷却与安全等其它子系统。系统采用倍福 C6030 超紧凑型工业 PC，通过 CU2508 实时以太网端口倍增器整合多个 EtherCAT 网络。
两台倍福 CX2043 嵌入式控制器通过 EtherCAT 桥接端子模块 EtherCAT 桥接端子模块 EL6695 实现对电网和发电机模拟器的高动态控制，并集成 HiL 测试流程所需的仿真模型等功能。
嵌入式控制器从测试控制器接收测试场景参数，并运行基于 MATLAB®/Simulink® 开发并通过 TwinCAT 3 Target for Simulink®（TE1400）导入至 TwinCAT 的模型。这些仿真模型可精确模拟电压/电流原始值，包括相位信息及其它所需效果。变流器的电压/电流信号通过 EtherCAT I/O 模块进行测量，并集成到仿真模型中实现控制与校正。电网侧直接采用 EL3783 电网监测端子模块测量 690 V 电压，发电机侧则使用 ELM3002-0205 高压测量端子模块实现最高 1200 V 的电压测量。
西门子歌美飒通过 BHawC 仿真系统实时映射整个风力发电机，该仿真系统与风机控制器交互，而风机控制器又与变流器控制器进行通信控制。西门子歌美飒专有的系统控制接口使用 TwinCAT C++ 开发，与 TwinCAT 3 TCP/UDP Realtime（TF6311）功能一起集成至测试控制器中。
自动化测试管理，全面可视化呈现
测试控制器通过集成测试配置文件，能够实现大量测试场景的全自动执行。这些配置文件定义了测试前必须达到的状态作为前提条件、测试过程中需要按时间顺序传递的状态与信号，以及测试完成后需再次满足的状态（后置条件）。系统定义了数百个配置文件，操作人员只需在可视化界面中选择配置，即可自动按顺序执行测试。操作人员只需通过可视化界面观察测试序列，并在出现错误时视情况介入干预即可。这不仅简化了测试场景的执行流程，还显著提升了测试速度，确保了测试结果的可重现性。无需人工干预的可重复性尤为关键，可用于还原现场场景或提交认证申请。
整个可视化系统基于 TwinCAT 3 HMI (TF2000)实现。它能够轻松实现系统启停、测试配置文件的管理与执行，还能对各个子系统、仿真器及变流器的所有状态和信号进行诊断与可视化。此外，系统广泛使用了 TwinCAT 3 Scope View (TE1300) 可根据需求以图表形式记录并显示高分辨率原始数据的单个信号曲线。对于通过冗余测量系统进行的独立测量，相关数据通过 TwinCAT 3 OPC UA (TF6100) 提供给外部工具使用。这使得外部测量系统能够自动触发开始和停止记录，同时也能自动执行并记录测试。
CPU 优化与基于 EtherCAT 的高速采样
ACS6080 变流器可通过 EtherCAT 接口实现控制和参数设置，并接收幅值和相位等设定值。通过 ABB 专用通信接口，可向电力电子器件提供采样时间最快达 25 微秒的电压瞬时值。为充分利用该接口，西门子歌美飒加入 EtherCAT 技术协会（ETG），并基于 FPGA 和 EtherCAT IP 内核自主开发了用作 EtherCAT 从站的通信接口。
CPU 优化旨在确保仿真模型能够以最快速度提供电压瞬时值。搭载 AMD Ryzen™ 处理器的 CX2043 嵌入式控制器凭借其强大的多核架构以及采用可实现精确快速数据处理的专用 CPU 指令集，非常适合此类高确定性应用场景。该处理器提供 AVX2 等指令集，通过向量化加速并行计算。MathWorks® 公司的 Embedded Coder® 通过适配目标硬件并利用这些特殊指令集，专门针对高性能实时系统优化 C/C++ 代码，从而提高运行效率，降低存储需求。借助TwinCAT 3 Target for the Embedded Coder® (TE1402)，可将优化后的代码发布为 TwinCAT 模型并实时执行。
自动化带来的优势
从西门子歌美飒的角度来看，该自动化解决方案具有多重优势：采用倍福的 EtherCAT 和基于 PC 的控制技术，可构建一个高性能且灵活的测试环境，能够精准映射高度复杂且高动态的应用场景。通过将 MATLAB® 和 Simulink® 模型集成至 TwinCAT 平台，可实现控制与仿真需求的无缝对接，而 TwinCAT 3 HMI 与 TwinCAT 3 Scope View 提供的全面诊断和可视化功能，则确保了测试过程的精细化监测与分析。
总而言之，西门子歌美飒在倍福自动化技术的支持下打造的创新测试环境为风力发电机组的多兆瓦级变流器测试与验证提供了高效、可靠且具备高度可重现性的解决方案。这不仅有助于加速新产品的上市速度，更能确保其满足电网运营商与监管机构提出的严苛要求。