用户案例 | 可再生能源电力系统：与西门子合作的夏威夷岛硬件在环（HIL）项目

01 项目介绍

为应对气候变化，向可再生能源的过渡正在成为全球能源转型的重点工作领域。西门子致力于打造更加可持续的、经济可靠的能源体系，在诸多能源转型基础设施项目中发挥了重要作用。

西门子在夏威夷岛牵头了一个可再生能源电力系统HIL项目的研究联盟，由OPAL-RT、PNNL（太平洋-西北国家实验室）和夏威夷电力公司（由美国能源部ARPA-E资助）协同支持，旨在评估夏威夷最大的岛屿如何在辅助系统的帮助下，尽量降低对传统发电厂的依赖并实现可靠运行，进而推动高达100%的可再生能源转型。

该项目的负责人Ulrich Muenz博士是西门子首席控制系统专家，全面负责推动项目的创新工作。Ulrich Muenz博士的研究领域集中在自动控制、电力系统和电力电子，包括稳健和分布式控制系统以及疑难问题优化。Ulrich Muenz博士在相关课题的实践应用方面也积累了丰富经验，曾作为控制架构师参与西门子在加拉帕戈斯群岛的混合发电厂项目。

岛屿在可再生能源领域是非常特别的案例，但同时也是测试电力系统自主性和自足性的理想选择。下图展示了迄今为止Muenz博士在该研究项目上的进展情况，以及100%基于可再生能源的未来电网蓝图：

02 研究目标

夏威夷和许多其他岛屿国家一样，也依赖于传统发电厂来保持频率和电压的稳定。夏威夷希望减少对进口石油的依赖，以降低化石燃料排放，并提高电价稳定性和能源独立性，因此确立了向可再生能源快速转型的目标。目前，夏威夷电力公司已经建立了一套多样化的可再生能源组合设施，为2045年之前实现100%可再生能源电网的目标奠定了坚实的基础。

众所周知，微电网HIL测试本身已经具有一定挑战性，将其引入一个实际的岛屿上则令测试变得更加复杂。一些特定的内置标准要求西门子和Muenz博士需要将岛屿本身纳入到创新技术的测试过程中。此外，N-1安全准则是评估电力系统安全性的通用标准，它表明规划的电力系统应在支持所有系统负载的同时，能够承受任何单个组件的故障而不对其他组件造成影响。

"这是一个具有前瞻性的项目，有望实现高可再生能源渗透率的未来能源电网，我们很高兴能与西门子一起参与其中。OPAL-RT不仅提供实时仿真器，还支持项目团队成功完成模型搭建和HIL测试。行业专家之间的通力合作对于此类复杂项目的成功至关重要。”

—— Sudipta Chakraborty

OPAL-RT能源系统总监

03 解决方案

像夏威夷这样的岛屿能源资源十分丰富：足够的风能、太阳能，以及其他潜在的可再生能源（如水力、地热或生物质能），完全能够以100%的可再生能源满足岛屿的需求。然而，与世界上绝大多数地区一样，为了确保电网的稳定性、可靠性和可达性，夏威夷的电力系统也依靠传统发电厂来生产大部分电力。

运营商支持系统需要先成功运行夏威夷电网的数字孪生，才能够对可再生能源占比逐渐增加的真实电网进行实际的测试。

Muenz博士说:“该数字孪生是一个仿真模型，能够显示关键参数的改变对电网的影响。这里我们说的‘关键参数’包括传统发电厂和可再生能源发电厂的内部控制回路增益等。”

项目联盟共同推动运营商支持计划，开发夏威夷电网实时仿真模型，下图展示了Muenz博士、OPAL-RT及项目其他参与者的合作模式。

该电力系统模型由夏威夷电气公司通过PSS®E（一种电力传输系统仿真软件）提供。该模型逐步转换为PSS® SINCAL和Simscape™中的高保真电磁暂态（EMT）模型，然后引入到OPAL-RT的实时仿真软硬件中。

接下来，电网的实时仿真模型以硬件在环（HIL）演示系统的形式连接到西门子商用能源管理系统Spectrum Power™7和SIGUARD®DSA。这一HIL DEMO不仅帮助西门子验证了夏威夷未来电力系统的新运营商支持系统，还能够充分展示该支持系统在高比例可再生能源场景中的优势。（该演示系统目前位于PNNL。）

04 项目成果

西门子能源管理系统Spectrum Power™7用于管理虚拟电网。辅助系统SIGUARD®DSA包含了预测岛屿电网如何应对关键事件的算法，这些算法为电网运营商提供了可再生能源逆变器的替代设置，用以减少功率振荡。在OPAL-RT的实时仿真器中，夏威夷电力系统的数字孪生体与新的能源管理系统互连，使项目团队能够在实际操作条件下展示新支持系统的有效性。

该项目的成功确保了高比例可再生能源岛屿电网的稳定运行，这对推动大规模可再生能源转型有重要的示范意义。未来，源自可再生能源的电力将点亮夏威夷的万家灯火。

"以风能和太阳能发电为主的电力系统弹性运行是夏威夷、爱尔兰或澳大利亚等国家实现可再生能源高度整合的主要障碍。随着可再生能源发电比例逐步接近100%，电力系统动态将发生根本性的变化，这是目前我们面临的主要挑战。如果没有真实系统的高保真数字孪生，开发和验证这些系统的创新解决方案是不可能的。OPAL-RT为项目DEMO开发虚拟环境提供了非常大的支持。”

—— Ulrich Muenz博士

西门子首席控制系统专家