Nach dem Disput zwischen Nikola Tesla und George Westinghouse um die Technik für die elektrische Versorgung der USA in den 1880er Jahren, hat sich der Wechselstrom weitest-gehend durchgesetzt. Allerdings wirken die Kabel zur Übertragung von Wechselstrom über lange Strecken wie eine Kapazität, was zu Übertragungsverlusten und einem Bedarf an Kompensation durch Blindleistung führt. Bei der Übertragung von Gleichstrom ist dieser Blindleistungsbedarf hingegen vernachlässigbar, das heißt der Strom kann deutlich verlustärmer transportiert werden. Daher kommt mittlerweile zur Übertragung hoher Leistung wieder Gleichstrom unter hoher Spannung zum Zug.

Die Gleichstrom-Übertragung

Für eine solche Übertragung mittels Gleichstroms werden – stark vereinfacht – zwei Leistungsumrichter mit einem gemeinsamen Zwischenkreis genutzt. Jeder Leistungsumrichter kann aus dem Netz mit Wechselstrom die Energie in den Zwischenkreis mit Gleichstrom übertragen sowie gleichermaßen die Energie aus dem Zwischenkreis wieder als Wechselstrom ins Netz einspeisen. So lässt sich in beliebiger Richtung die elektrische Energie zwischen den beiden Netzanschlüssen übertragen. Im Zwischenkreis wird Gleichstrom mit sehr hoher Spannung zur Übertragung genutzt, woher das System seinen Namen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) beziehungsweise High-Voltage Direct-Current (HVDC) erhalten hat. Zur Stromwandlung werden Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode – Insulated-Gate Bipolar Transistoren, IGBT – eingesetzt, die wie Ventile wirken. Diese können den Strom passieren lassen oder ihn sperren und so mittels Pulsmuster die gewünschten Stromverläufe erzeugen.

Der Leistungsumrichter eines HVDC-Systems hat jedoch eine andere Dimensionierung als geläufige Umrichter. Denn es werden modulare Multilevel-Umrichter (Modular Multi-Level-Converter, MMC) bestehend aus hunderten IGBTs eingesetzt und auf einer Fläche von 10 bis 15 Hektar aufgebaut. Der Zwischenkreis nutzt eine Spannung zwischen 100 bis 800 kV und überträgt Leistungen zwischen 500 bis 6400 MW über Distanzen von hunderten Kilometern.

Ein neues Steuerungskonzept

Als Hersteller für Systeme zur Energieübertragung und Stabilisierung des Stromnetzes setzt Siemens Energy zukünftig auf die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Dabei werden Embedded-PCs und EtherCAT-I/O-Klemmen sowie die Automatisierungssoftware TwinCAT in Verbindung mit Model-Based Design zur Steuerung und für den Schutz von großen Leistungsumrichtern eingesetzt. Diese Leistungsumrichter bilden unter anderem die Grundlage solcher HVDC-Systeme, werden aber auch für Anlagen zur Kompensation von Blindleistung oder zur Stützung und Stabilisierung von elektrischen Energienetzen verwendet (Flexible AC Transmission Systems, FACTS).

Um ein hohes Maß an Zuverlässigkeit für einen derart wichtigen Teil des Energienetzes zu erreichen, werden vielfach redundante Systeme eingesetzt. So befinden sich die Kontroll- und Schutzsysteme in Hard- und Software dauerhaft in einem Hot-Standby-Modus, um bei jeglicher Fehlfunktion unmittelbar auf das redundante System umschalten zu können. Dafür wird über mehrere voneinander getrennte Ethernet-Netzwerke mittels des TwinCAT Parallel Redun-dancy Protocol (PRP) nach IEC 62439-3 eine redundante Kommunikation etabliert. Hierüber wird sowohl per EtherCAT Automation Protocol (EAP) zwischen den Embedded-PCs als auch über MMS und GOOSE nach IEC 61850 zu externen Systemen wie Leistungsschutzschaltern kommuniziert.

Schnelle Reaktionszeiten

Der Testschrank mit dem Embedded-PC und den direkt angereihten EtherCAT-Klemmen.

© Siemens Energy

Die Anforderungen nach schnellen Reaktionszeiten für die Stromregelung werden durch EtherCAT und performante Embedded-PCs realisiert. Durch die AMD-Ryzen-CPU in den Embedded-PCs ist die Ausführung der Regelung in TwinCAT mit Zykluszeiten von 250 µs und bei minimalem Jitter erreichbar. Dabei werden pro Leistungsumrichter insgesamt zwölf solcher Embedded-PCs eingesetzt, die in redundanten Segmenten schnelle Signale über die EtherCAT-Bridge-Klemme austauschen.

Für einen sicheren Betrieb der Anlagen als Teil der kritischen Infrastruktur kommt das Betriebssystem TwinCAT/BSD zum Einsatz. Es bietet eine stabile Unix-Plattform für die TwinCAT 3 Runtime, die auch den aktuell steigenden Security-Anforderungen gerecht wird. In der Echtzeitumgebung von TwinCAT 3 erfolgt die Ausführung von TwinCAT-Modulen. Dabei kommen direkt in C/C++ entwickelte TwinCAT-Module für Grundfunktionen oder spezielle Kommunikations-Stacks zum Einsatz. So lässt sich eine Abstraktion der Regelungssoftware von den Details der Hardware oder Kommunikation über verschiedene Protokolle wie EtherCAT oder IEC 61850 realisieren. Spezifische Funktionen und Regelungen der Anlage werden dann mit modellbasierter Entwicklung in MATLAB und Simulink projektiert und mittels Codegenerierung auf die Embedded-PCs übertragen.

Durchgängige und offene Software

Da solche HVDC-Anlagen für die Entwicklung und Verifikation nicht als physikalisches System zur Verfügung stehen, kommt dem frühen Testen über Simulationen eine zentrale Bedeutung zu. Diese Tests wurden in der Vergangenheit in verschiedenen Simulationsumgebungen durchgeführt, wofür die Steuerungs- und Schutzsoftware manuell in jede Umgebung übersetzt werden musste. Dieser manuelle Prozess war zu fehleranfällig und zeitintensiv, um ein vergleichbares Verhalten der Steuerung in allen Umgebungen zu erreichen. Um eine einzige Quelle für die Software nutzen zu können, setzt Siemens Energy auf Model-Based Design beziehungsweise Engineering der Prozesse mithilfe von Matlab und Simulink. Über die Entwicklung der Steuerungs- und Schutzsoftware in Simulink und die anschließende Codegenerierung mit TwinCAT 3 Target for Simulink entfallen genau die genannten manuellen Schritte. Stattdessen können sich die Entwickler auf ihre Kernaufgabe konzentrieren. Dadurch, dass die gleiche Software sowohl in verschiedenen Simulationsumgebungen als auch auf der finalen Steuerungshardware läuft, lässt sich das Verhalten besser vergleichen.

Ein weiterer Vorteil ist die Zeiteinsparung im Fehlerfall beziehungsweise bei der Erweiterung der Modelle. Galt es in der Vergangenheit die Fehler im jeweiligen Zielsystem zu beheben beziehungsweise dort die Funktionen zu erweitern, wird dies heute im Quellmodell in Simulink durchgeführt. In Verbindung mit TwinCAT sind dann die bereits getesteten Software-Module mit nur noch wenig Aufwand auf die leistungsstarken, hoch echtzeitfähigen Embedded-PCs zu portieren und lediglich mit den physikalischen Schnittstellen zu verbinden. Auf diese Weise lassen sich sowohl HIL-Tests (Hardware in the Loop) als auch Tests mit den später in der echten Anlage verbauten Schaltschränken mit der Regelung durchführen, um eine auf alle Szenarien im Stromnetz bestmöglich abgestimmte Regelung auszuliefern.