夏威夷Sandia國家實驗室採用OPAL-RT硬體即時系統進行太陽能分散式供電系統之模擬
桑迪亞國家實驗室在夏威夷透過即時模擬的方式進行太陽能分散式發電(Photovoltaic Distributed Generation)的相關研究。夏威夷的電網將由柴油發電轉換為再生能源，發掘如何透過模擬與相關的研究，讓工程師能夠了解，加入再生能源的發電系統後，於2030年時電網系統的運作狀況。目前夏威夷仍然相當依賴各種礦物燃料來滿足其能源需求。事實上，目前美國各州的能源有90%以上是仰賴國外進口的石油來產生，而石油問題除了可能會導致其政治的動盪外，供應中斷更可能間接削弱整個太平洋島嶼間的經濟脈絡。
雖然美國本土的能源成本大約僅佔國民生產毛額的4%左右，但在夏威夷，能源的成本大約佔了11%左右，且隨著近期石油價格的飆漲，到了2008年中期以後的能源成本已提高到了36%。為了解決這個問題，夏威夷與美國的能源部門共同推動了夏威夷清淨能源計畫( Hawaii Clean Energy Initiative簡稱HCEI)，期望在2030年時能夠藉由再生能源提供夏威夷百分之三十的能源需求。
而HCEI其中一個名為”Lanai 100%再生能源計畫”(Lanai 100% Renewable)，其主要的目標為協助拉奈島使其能以再生能源提供該島所需的所有電能。而該計劃的短期目標為使拉奈島能夠在2030年時，藉由再生能源提供該島30%所需的電能。除了居住需求的電能負載外，拉奈島主要的負載是來自兩個城堡以及庫克度假村，總和的峰值負載為12,470V，一共5.5兆瓦。目前其主要的電力來源是透過許多的柴油發電機來提供。而在HCEI的推動下，目前在拉奈島上已設置了1.2兆瓦的太陽能發電機，其所提供的電能讓HECI團隊在短時間內逼近其所期望的目標：30%的供電來自再生能源。
拉奈島所建立的太陽能電池
針對太陽能發電與傳統的柴油發電機兩個電力系統相關的整合研究，HCEI團隊邀請桑迪亞國家實驗室進行研究相關的援助。桑迪亞國家實驗室隸屬於美國政府，其工作內容著重在確保美國境內的安全相關的技術研究與開發。在過去，桑迪亞國家實驗室主要致力於美國核武儲存設施的安全性與可靠性相關的研究。但是近年來，桑迪亞國家實驗室的研究方向已慢慢轉變為永續、無污染以及高效的能源開發相關的研究。桑迪亞國家實驗室的工程師在拉奈島面臨了兩個任務：
1. 除了確保再生能源的轉移外，還要能夠緊急提供額外的電力並將其傳送至其他的島嶼，作為更大型的州際電網中的一部份。
2. 證明當太陽能電廠作動時，透過其具效率的控制方式，能夠有效降低為了穩定電壓與頻率而使用的高成本能源儲存系統的需求。
針對間歇性的分散式太陽能發電，桑迪亞國家實驗室的工程師調查了島上所有穩定以及暫態反應後，在MATLAB/Simulink 的環境裡建立了一個相似於拉奈島的電力系統模型如下圖所示，同時透過Opal-RT開發的eMEGAsim進行混合電網系統的即時模擬。模型中的柴油發電機是使用SimPowerSystem建立的，而太陽能發電機則是透過Simulink 的模組來建立，且所有匯流排均加入模擬三相故障的機制。
「目前我們唯一會遇到的事情是當太陽能電力加入到這些小系統之後，電壓與頻率會有衰減的現象。」 桑迪亞國家實驗室的技術團隊成員，班傑明‧申克曼(Benjamin Schenkman)表示。「我們已經在MATLAB/Simulink 環境下透過SimPowerSystem 建立了所有我們所需要的模型，且到目前為止，所有的現象顯示其反應是穩定的。所以接下來我們將嘗試增加更多的控制器或是儲存更多的能量。「所有的模擬以及硬體迴路測試在這個研究扮演著很關鍵的角色。非線性的功率流(power flow)控制模型必須藉由模擬的方式確保系統能夠適當的運作，且未來分散式的發電設備如風力發電場，將會加入進行整合的工作。
「目前我們唯一會遇到的事情是當太陽能電力加入到這些小系統之後，電壓與頻率會有衰減的現象。」 桑迪亞國家實驗室的技術團隊成員，班傑明‧申克曼(Benjamin Schenkman)表示。「我們已經在MATLAB/Simulink 環境下透過SimPowerSystem 建立了所有我們所需要的模型，且到目前為止，所有的現象顯示其反應是穩定的。所以接下來我們將嘗試增加更多的控制器或是儲存更多的能量。「所有的模擬以及硬體迴路測試在這個研究扮演著很關鍵的角色。非線性的功率流(power flow)控制模型必須藉由模擬的方式確保系統能夠適當的運作，且未來分散式的發電設備如風力發電場，將會加入進行整合的工作。
「若是我們加入風場能源或是提供更集中太陽能能源，系統會有什麼反應呢?在這個專案裡，當我們在offline的狀況下透過SimPowerSystem進行測試時，必須花上大約1個小時的時間，才能完成1次測試。若是要進行多重測試時，將有可能會花上數天之久。」申克曼先生說到。「而在這種情況就必須仰賴Opal-RT所開發的 eMEGAsim進行測試模擬的工作。使用這台安裝有RT-LAB的eMEGAsim，也就是Opal-RT的即時模擬平台,同時藉由ARTEMIS這套專門針對SimPowerSystem開發的模型進行即時運算與求解的軟體，將能夠很容易的克服模擬時會碰到的問題。」
根據申克曼先生的描述，「使用Opal-RT 的設備之後，我們可以在更短的時間內完成100次測試，且這些現在僅需幾分鐘即可完成的測試若是以過去的方法進行模擬可能要花上好幾個小時，且透過過去的方式進行模擬還有可能會有死當及模擬不出結果的情況發生。」但是像Lanai計畫這種必須經常進行大規模測試的工程計畫，沒有比實際硬體的測試更讓人信服的了。因此，為了確定是否收到正向的研究成果，在Simulink / SimPowerSystem的模型仍然精準的情況下，桑迪亞國家實驗室在其分散式能源技術實驗室進行了廣泛的相關測試。「不論是使用實際的柴油引擎發電系統或是實際的太陽能發電系統，客戶都喜歡看到以實際硬體進行的測試結果。所以我們將會建立縮小版的拉奈島電網與實際的模型，接上實際的柴油發電機以及太陽能發電機，將整個系統連接至Simulink後，在Opal-RT的設備上進行即時的測試，接著走到拉奈島並且對我們的客戶說，這能夠成功的運作。」
根據申克曼先生的描述，「使用Opal-RT 的設備之後，我們可以在更短的時間內完成100次測試，且這些現在僅需幾分鐘即可完成的測試若是以過去的方法進行模擬可能要花上好幾個小時，且透過過去的方式進行模擬還有可能會有死當及模擬不出結果的情況發生。」但是像Lanai計畫這種必須經常進行大規模測試的工程計畫，沒有比實際硬體的測試更讓人信服的了。因此，為了確定是否收到正向的研究成果，在Simulink / SimPowerSystem的模型仍然精準的情況下，桑迪亞國家實驗室在其分散式能源技術實驗室進行了廣泛的相關測試。「不論是使用實際的柴油引擎發電系統或是實際的太陽能發電系統，客戶都喜歡看到以實際硬體進行的測試結果。所以我們將會建立縮小版的拉奈島電網與實際的模型，接上實際的柴油發電機以及太陽能發電機，將整個系統連接至Simulink後，在Opal-RT的設備上進行即時的測試，接著走到拉奈島並且對我們的客戶說，這能夠成功的運作。」
在發電機的暫態響應以及太陽能轉換的輸出量，到目前為止的初步結果是正向的。不論是傳統亦或是創新的控制架構與策略，目前都被用來針對太陽能發電整合到目前電網系統的效果進行評估。 雖然進度已經超前了，拉奈島的相關工作仍然持續的進行中。而桑迪亞國家實驗室的工程師們在電網模型中加入其他非線性的功率流控制，並使用eMEGAsim進行實際的硬體迴路模擬測試與驗證工作上，遇到許多挑戰。
不論是對桑迪亞國家實驗室的工程師們或是客戶的效用面來說，拉奈島計畫是個很好的學習經驗。「針對效用相關的研究，這種研究的方式與想法相當創新。」申克曼先生結論道，「在模擬的階段加入實際的硬體並不是傳統的作法。在效用相關的研究上，通常使用軟體僅僅只是看整個系統的結果是否平衡，而這種方式並不能看到其動態的過程。”“但是使用像SimPowerSystem以及eMEGAsim這類的工具，我們可以免去各種猜測並且精確的看到未來會發生的情況。」
