基於模型的工程設計與PC-based控制技術應用於高壓直流電傳輸
不論是從公海上的離岸風力發電機到陸地、從德國北部的風力發電機到該國南部的工業區，或從斯堪的那維亞（Scandinavia ）的水力發電廠到中歐地區 – 都採用高壓直流輸電技術傳輸長距離的大量能源。對此，西門子能源（Siemens Energy）在其解決方案中仰賴MathWorks的MATLAB與Simulink，以及Beckhoff的PC-based控制技術。
在1890年代，Nikola Tesla與George Westinghouse之間就美國電力供應技術進行爭論後，交流電便成為全世界的主流系統。不過，用於遠距離傳輸交流電的電纜作用就像電容器一樣，會造成傳輸損失而需要透過無功功率進行補償。然而，傳輸直流電時，便不太需要進行無功功率補償，也就是說電流傳輸時的損失會大幅降低。這正是採用高壓直流電傳輸高電力的原因。
直流電傳輸的基本原理
簡言之，這種透過直流電傳輸的方式會採用兩個具有共同直流鏈的電力轉換器。每個電力轉換器都能將來自電網的交流電傳送至採用直流電的直流鏈，同時也能將來自直流鏈的電力反饋回電網變成交流電。這讓電力能在兩個電網之間進行任意方向的傳輸。直流鏈中採用高壓直流電進行傳輸，這也是該系統名稱「高壓直流電（HVDC）傳輸」的由來。名為絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）的電晶體，作用就像用於轉換電流的閥門一樣。其可允許電流通過或將其阻斷，進而用脈衝模式產生需要的電流曲線。
不過，HVDC系統的電力轉換器規模與傳統的轉換器不同。這是因為模組化多階轉換器（MMC）是由數百個IGBT所組成，且安裝與使用面積達10到15公頃。該直流鏈使用100到800 kV之間的電壓，在數百公里的距離中傳輸500到6400 MW的電力。
全新大型電力轉換控制概念
作為用於傳輸電力及穩定電網之系統的製造商，Siemens Energy將更加信賴Beckhoff的PC-based控制技術。Embedded PCs及EtherCAT I/O terminals 還有TwinCAT automation software搭配以模型為基礎的設計方式，正用於更高階的控制與保護大型電力轉換器上。除此之外，這些電力轉換器不只成為HDVC系統的基礎，而且還作為無功功率補償或支撐與穩定電網（彈性交流電傳輸系統，FACTS）的系統使用。
為讓電網的重要骨幹具有高可靠度，通常會採用冗餘系統。控制與防護系統軟硬體會保持在熱待機模式下，以便在發生故障時能立即切換至冗餘系統。為達此效果，其符合IEC 62439-3的TwinCAT Parallel Redundancy Protocol (PRP)透過數個獨立乙太網路建立冗餘通訊網。這方法讓嵌入式PC間能透過EtherCAT自動化協定（EAP）進行通訊，還可以透過符合IEC 61850的MMS與GOOSE和外部系統（如斷路器）等進行通訊。
快速的響應時間與安全的運作方式
藉由使用EtherCAT及高效能嵌入式PC，可滿足更高階電流與電壓控制對於快速響應時間的要求。運用CX2043 Embedded PCs中AMD Ryzen™中央處理器，能在TwinCAT中以250 µs週期時間與最小的抖動來執行控制任務。每部電力轉換器最多採用十二台的嵌入式PC，能透過 EL6695 EtherCAT bridge terminal在冗餘區中交換快速訊號。
為確保作為關鍵基礎設施一部分的系統能安全運作，作業系統採用了TwinCAT/BSD。其為TwinCAT 3執行階段提供了一個穩定的Unix平台，同時也符合持續成長的資安要求。然後TwinCAT模組會在TwinCAT 3即時環境中執行。TwinCAT是直接以C/C++開發而成，並作為基本功能或特殊通訊堆疊使用。透過這些模組，可以將控制軟體從硬體細節或透過 EtherCAT 或 IEC 61850 等各種協定進行的通訊過程中抽離出來。接著會採用MATLAB與Simulink中以模型為基礎的開發方式為系統設定特定功能與控制方式，並運用程式碼生成技術的方式轉移到嵌入式PC上。
整合且開放的軟體
因這類HVDC系統無法透過實體系統進行開發與驗證，故透過模擬進行早期測試是非常重要的。過去，這類測試會透過各種模擬環境來進行，需要針對各個環境的條件去手動轉譯控制與防護軟體。這個手動的過程既容易出錯又費時，以至於難以比較在不同環境中控制行為。
Siemens Energyｙ在追求一站式軟體解決方案的過程中，多年來在MATLAB與Simulink的協助下，成功地將以模型為基礎的設計與工程方法導入於流程中。在Simulink中開發控制與防護軟體，以及結合TwinCAT 3 Target for Simulink程式碼生成的方式，精準地去除了上述所有的手動步驟，讓開發人員能專注於核心作業上。在不同模擬環境以及最終的控制硬體上執行相同的軟體，能更有效地針對行為進行比較。
另一項優勢則是在遇到錯誤或擴充模型時，能有效節省時間。過去，需要在個別系統上進行系統修正或擴充功能，但如今只要在Simulink的來源模型中完成即可。搭配TwinCAT，便能輕鬆將已測試過的軟體移植到強大、高度即時的嵌入式PC上，而且僅需連接實體介面即可。如此一來，包括HIL（硬體迴路）測試，還有涉及後續會安裝於實際系統之控制機箱測試都能以控制系統執行，以提供最符合電網中所有情境的控制系統。