CN102946116A - 基于工业实时以太网的储能型变流器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种全新的储能型变流器装置。与传统的基于控制板结构的变流器结构相比，本发明所提出的储能型变流器装置是基于工业实时以太网技术的。借助等时同步通信IRT技术，工业实时以太网的通信响应速度可以达到250微秒。本储能型变流器装置由采用工业实时以太网连接的各功能模块构成，各功能模块的通信响应速度可以根据具体需求分级配置。本发明中各模块功能定位清晰、结构紧凑、便于安装和调试，各模块合理分工变流控制相应部分，有利于提高变流器的整体性能。采用此种架构变流器装置的可扩展性明显改善，开发周期、保护动作响应时间明显缩短，系统整体的稳定性、可靠性都有明显的提升。

Description

基于工业实时以太网的储能型变流器装置

技术领域

本发明属于电力控制技术领域，尤其属于一种变流控制技术领域。

背景技术

作为我国可再生能源的重要组成部分，风电近年来得到迅速发展。但是由于风电本身的出力波动，给电网带来不利影响。储能变流器装置的使用，将有效地改善风机对电网的不良影响，提高电网对风机并网的允许接入率，进一步实现平滑风电出力、实现削峰填谷、跟踪计划发电等功能。

储能型变流器装置也可以称作功率变换系统（power converting system，以下简称PCS），其连接着电网和储能电池堆。作为沟通电网和储能电池之间的桥梁，储能PCS在风电场发电功率过剩时将该过剩功率所发电能转换为储能电池能量，此过程中PCS为储能电池充电；而在风电场发电功率不足时储能PCS将储能电池能量回馈到电网上，弥补风机发电功率不足，此过程中储能电池通过储能PCS向电网放电；同时还可根据电网要求下，PCS发出无功功率，实现电力系统有功/无功功率统一调度功能。

传统的变流器结构，是基于控制板的结构。比如以单片机、DSP（数字信号处理器），可编程逻辑单元FPGA等为核心，在控制板上实现变流器各部分功能，包括电压与电流信号的采样、变流器核心算法实现、PWM信号的调制与生成、变流器与上层PC或者其他控制器的通信等。这种设计结构紧凑，但是也有其一些弊端：由于控制板上集成了所有的变流器功能，使得控制器负担相对偏重。TI典型的DSP芯片2812每片最多可以产生12路PWM信号，每片最多可以采样16路AD，在工程实际应用中为了保证采样精度，都一定程度采用了过采样技术，这样的话每片2812实际的AD采样要小于16路。可见由于单个芯片结构固定，其片上资源有限，这限制了变流器功能的扩展。虽然可以采用双口RAM芯片，引入FPGA芯片等来增强控制板功能，扩展变流器控制功能，但是这种结构设计复杂，开发周期长，灵活度不够高，对控制器的可靠性和处理能力要求很高，控制板之间硬线连接的电磁兼容性、可靠性设计也是比较复杂的。

工业以太网是在工业控制场合中使用的以太网，其在技术上和商用以太网是兼容的。目前工业以太网的实时响应时间可以达到5ms，而对于变流器的控制，由于其控制对象是频率50Hz周期20ms的交流电，要准确控制变流器的有功功率、无功功率，其实际要求的响应时间要远远小于5ms。显然一般工业以太网的通信速率远远不能满足要求。

工业实时以太网的出现给变流器的设计架构提供了新的可能性，尤其是等时同步通信IRT技术的使用可以使工业实时以太网的通信响应速度达到250微秒。借助于工业实时以太网高速的通信响应速度，可将变流器中各个功能模块分开，每个功能模块负责各自主要功能，各个模块之间采用工业实时以太网连接，实现数据交换和共享，完成储能变流器功能。

根据以上背景分析，目前风电场建设需要配备储能型变流器装置，来消除风电本身出力波动带给电网的不利影响，进而提高风机并网率。而基于控制板结构的变流器装置设计复杂，开发周期长，灵活度不够高，对控制器的可靠性和处理能力要求很高。造成这种情况的根本原因在于：

1）这种结构的变流器装置在控制板上实现了变流器的各部分功能，造成芯片负担过重，要求芯片有很高的运算能力。同时由于单个芯片的资源有限，限制了变流器功能扩展，虽然可以通过扩展等方法来一定程度增加控制板的资源和功能，但是开发周期长，过程复杂。控制电路板之间硬线连接的电磁兼容和可靠性设计不可忽略，随着扩展电路板数量的增加，该问题也越来越明显，处理难度也随之增加。

2）现有的普通工业以太网实时通信速度不够，只能用于变流器的状态检测等应用场合，而无法用于变流器的实时控制。

发明内容

为克服现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一个新的解决方案。本方案将工业实时以太网引入到储能型变流器装置中。应用等时同步通信IRT技术，可实现通信响应速度达250微秒的高速可靠工业实时通信。本储能型变流器装置采用模块化结构，变流器整体由数个功能模块组成，各功能模块之间采用工业实时以太网连接。借助于工业实时以太网，各功能模块之间可实现实时数据通信，完成变流器的控制功能。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于工业实时以太网的储能型变流器装置，包括主电路模块和控制功能模块，其特征在于：

所述主电路模块主要由智能功率模块IPM、直流电容单元、主电感、滤波电路、电流传感器、主断路器等构成；所述主断路器的输出端与电网相连，主断路器的输入端通过电流传感器、主电感后连接至智能功率模块IPM的交流输出端，所述智能功率模块IPM的直流输出端连接储能电池；在主断路器的输入端还连接有电压采样电路，所述电流传感器用于检测智能功率模块IPM产生的交流电流信号，所述电压采样电路用于检测电网交流电压信号和变流器装置中母线直流电压信号；在电流传感器和主电感之间并联滤波电路，用于对变流器装置并网前的交流电流进行滤波；

所述控制功能模块包括光纤交换机、第一主控模块、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表；光纤交换机、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表均通过工业实时以太网与第一主控模块相连；光纤交换机负责和上层电网调度中心通信，上传储能型变流器装置运行状态和相关参数，同时接收调度中心控制命令；第一主控模块根据上层电网调度中心的控制命令完成变流器控制算法并生成相应的控制命令；第二主控模块接收第一主控模块发送来的智能功率模块IPM控制命令，并根据此控制命令生成脉冲信号用以驱动智能功率模块IPM；分布式IO单元根据第一主控模块发送来的开关命令控制开关与继电器执行相应的动作；电能仪表将测量的智能功率模块IPM产生的交流电流信号、交流电压信号传输到第一主控模块中，作为第一主控模块进行控制算法的控制参考。

本发明中等时同步通信IRT技术使工业实时以太网通信响应速度达到250微秒，这个响应速度是一般应用的工业以太网所达不到的，该响应速度可以使工业实时以太网直接参与到变流器的实时控制中，而不仅仅限于传统的对变流器状态的检测和保护等对通信速度要求偏慢的应用场合中。

本储能型变流器装置由采用工业实时以太网通信连接的各功能模块组成，各个功能模块的通信速度可根据需要分级配置。在变流器可扩展性方面，传统的基于控制电路板结构的变流器装置中各个电路板之间多采用硬线方式连接，在这种方式中，随着扩展电路板数量和功能的增加，硬线连接复杂度也会相应增加，并且系统可靠性和电磁抗干扰性问题也会越来越难处理。本方案中各个功能模块之间采用工业实时以太网连接，当需要增加控制模块时，只需要将该模块连接到工业实时以太网中并进行相应配置即可，在系统设计灵活性、电磁兼容处理等方面优势明显。同时高速通信也使系统保护动作响应时间缩短，系统整体的稳定性、可靠性都有明显的提升。

附图说明

图1为储能系统构成基本示意图；

图2为本发明的储能变流器装置内部基本框图；

图3为本发明的储能变流器装置主电路原理框图；

图4为本发明的储能变流器装置控制功能模块以及工业实时以太网连接原理框图；

图5为本发明的储能变流器装置整体详细框图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，结合优选实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。

如图1所示，为储能系统构成的基本示意图。储能系统由隔离变压器、储能变流器装置、储能电池，上层调度中心构成。上层调度中心根据电网需求下达控制命令给储能变流器装置，储能变流器装置根据上层调度中心发出的指令，将储能电池的能量回馈到电网或者将电网能量存储于储能电池中；隔离变压器采用连接组别为Dyn11的三相变压器，其主要功能一是完成电压转换，将电网和储能变流器装置两个不同电压等级的系统连接起来，二是起到隔离与保护作用。

如图2所示为储能变流器装置内部基本框图，包括主电路模块和控制功能模块两部分，主电路模块中的电压、电流、温度等参数的测量值作为变流器控制中所需的参考变量需要输入到控制功能模块中，控制功能模块根据电网调度中心的命令和主电路模块输入的变量完成变流器的控制算法，输出变流器的控制命令到主电路模块。

如图3所示为储能变流器装置主电路模块原理框图，其主要由智能功率模块IPM和直流电容单元、主电感、滤波电路、电流传感器、主断路器等构成。主断路器具有2500A电流分断能力，其脱扣特性可以灵活设置，起到实现运行控制以及保护储能装置的作用。电流传感器用来测量智能功率模块IPM产生的交流电流信号，电压采样电路用于检测电网交流电压信号和PCS中母线直流电压信号。采样到的电压信号和电流信号传输到控制功能模块中以供控制参考。滤波电路并联在主电感和电流传感器之间，对变流器装置并网前的电流进行滤波，提高变流器装置并网电流波形质量。主电感一侧连接电网正弦交流电压，另一侧连接智能功率模块IPM输出的调制交流电压，产生幅值和相位可控的交流电流，实现储能型变流器装置的有功功率和无功功率的控制。智能功率模块IPM接收控制功能模块发出的控制命令，在变流器装置中的其他部件配合下，实现对储能电池的充放电、发生无功功率等功能。

图4所示为储能变流器装置控制功能模块内部原理框图，包括了其中各个部件之间的工业实时以太网连接关系框图。控制功能模块主要由光纤交换机、触摸屏、交换机、第一主控模块、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表构成。光纤交换机负责和上层电网调度中心通信，上传储能变流器装置状态和运行参数，同时接收调度中心命令并执行。交换机和第一主控模块之间采用工业实时以太网通信，交换机同时连接触摸屏，显示储能变流器运行状态、故障与报警信息等内容。第一主控模块通过工业实时以太网连接第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表。在第一主控模块中完成变流器控制算法，包括对储能电池的充放电控制、无功功率/有功功率控制、变流器故障处理与保护控制。第二主控模块通过工业实时以太网实时并可靠接收第一主控模块发送来的控制命令，并根据此控制命令生成脉冲信号，用以驱动智能功率模块单元。分布式IO单元根据主控模块甲发送来的命令控制开关与继电器执行相应的动作。电能仪表将测量的内容传输到第一主控模块中，供其作为控制参考。工业实时以太网的通讯响应速度可以配置，根据各部件对通信速率的要求来设置，这样的优点是可以降低控制器负担，实现工业实时以太网的优化配置与使用。

图5为储能变流器装置整体详细框图，是前面各图内容的综合。即，一种基于工业实时以太网的储能型变流器装置，包括主电路模块和控制功能模块。

其中，所述主电路模块主要由智能功率模块IPM、直流电容单元、主电感、滤波电路、电流传感器、电压采样电路、主断路器等构成；所述主断路器的输出端与电网相连，主断路器的输入端通过电流传感器、主电感后连接至智能功率模块IPM的交流输出端，所述智能功率模块IPM的直流输出端连接储能电池；在主断路器的输入端还连接有电压采样电路，所述电流传感器用于检测智能功率模块IPM产生的交流电流信号，所述电压采样电路用于检测电网交流电压信号和PCS中母线直流电压信号；在电流传感器和主电感之间并联滤波电路，用于对变流器装置并网前的交流电流进行滤波。

所述控制功能模块包括光纤交换机、第一主控模块、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表；光纤交换机、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表均通过工业实时以太网与第一主控模块相连；光纤交换机负责和上层电网调度中心通信，上传储能型变流器装置运行状态和相关参数，同时接收调度中心控制命令；第一主控模块根据上层电网调度中心的控制命令完成变流器控制算法并生成相应的控制命令，在第一主控模块中完成的控制算法包括对储能电池的充放电控制、无功功率/有功功率的控制、变流器故障处理与保护控制。第二主控模块接收第一主控模块发送来的智能功率模块IPM控制命令，并根据此控制命令生成脉冲信号用以驱动智能功率模块IPM；分布式IO单元根据第一主控模块发送来的开关命令控制开关与继电器执行相应的动作；电能仪表将测量的智能功率模块IPM产生的交流电流信号、交流电压信号传输到第一主控模块中，作为第一主控模块进行控制算法的控制参考。

在进一步的实施例中，所述控制功能模块还包括触摸屏和交换机，所述交换机的一端通过工业实时以太网与第一主控模块相连，另一端通过工业实时以太网连接触摸屏，用于显示储能型变流器装置运行状态、故障与报警信息。

Claims (3)

1.一种基于工业实时以太网的储能型变流器装置，包括主电路模块和控制功能模块，其特征在于：

所述主电路模块主要由智能功率模块IPM、直流电容单元、主电感、滤波电路、电流传感器、电压采样电路、主断路器等构成；所述主断路器的输出端与电网相连，主断路器的输入端通过电流传感器、主电感后连接至智能功率模块IPM的交流输出端，所述智能功率模块IPM的直流输出端连接储能电池；在主断路器的输入端还连接有电压采样电路，所述电流传感器用于检测智能功率模块IPM产生的交流电流信号，所述电压采样电路用于检测电网交流电压信号和变流器装置中母线直流电压信号；在电流传感器和主电感之间并联滤波电路，用于对变流器装置并网前的交流电流进行滤波；

所述控制功能模块包括光纤交换机、第一主控模块、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表；光纤交换机、第二主控模块、分布式IO模块、电能仪表均通过工业实时以太网与第一主控模块相连；光纤交换机负责和上层电网调度中心通信，上传储能型变流器装置运行状态和相关参数，同时接收调度中心控制命令；第一主控模块根据上层电网调度中心的控制命令完成变流器控制算法并生成相应的控制命令；第二主控模块接收第一主控模块发送来的智能功率模块IPM控制命令，并根据此控制命令生成脉冲信号用以驱动智能功率模块IPM；分布式IO单元根据第一主控模块发送来的开关命令控制开关与继电器执行相应的动作；电能仪表将测量的智能功率模块IPM产生的交流电流信号、交流电压信号传输到第一主控模块中，作为第一主控模块进行控制算法的控制参考。

2.根据权利要求1所述的基于工业实时以太网的储能型变流器装置，其特征在于：

所述控制功能模块还包括触摸屏和交换机，所述交换机的一端通过工业实时以太网与第一主控模块相连，另一端通过工业实时以太网连接触摸屏，用于显示储能型变流器装置运行状态、故障与报警信息。

3.根据权利要求1所述的基于工业实时以太网的储能型变流器装置，其特征在于：

在第一主控模块中完成的控制算法包括对储能电池的充放电控制、无功功率/有功功率的控制、变流器故障处理与保护算法。

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