專利名稱：基于工業(yè)實時以太網(wǎng)的儲能型變流器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于一種變流控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為我國可再生能源的重要組成部分，風電近年來得到迅速發(fā)展。但是由于風電本身的出力波動，給電網(wǎng)帶來不利影響。儲能變流器裝置的使用，將有效地改善風機對電網(wǎng)的不良影響，提高電網(wǎng)對風機并網(wǎng)的允許接入率，進一步實現(xiàn)平滑風電出力、實現(xiàn)削峰填谷、跟蹤計劃發(fā)電等功能。儲能型變流器裝置也可以稱作功率變換系統(tǒng)(power converting system,以下簡稱PCS)，其連接著電網(wǎng)和儲能電池堆。作為溝通電網(wǎng)和儲能電池之間的橋梁，儲能PCS在風電場發(fā)電功率過剩時將該過剩功率所發(fā)電能轉(zhuǎn)換為儲能電池能量，此過程中PCS為儲能電池充電；而在風電場發(fā)電功率不足時儲能PCS將儲能電池能量回饋到電網(wǎng)上，彌補風機發(fā)電功率不足，此過程中儲能電池通過儲能PCS向電網(wǎng)放電；同時還可根據(jù)電網(wǎng)要求下，PCS發(fā)出無功功率，實現(xiàn)電力系統(tǒng)有功/無功功率統(tǒng)一調(diào)度功能。傳統(tǒng)的變流器結(jié)構(gòu)，是基于控制板的結(jié)構(gòu)。比如以單片機、DSP(數(shù)字信號處理器)，可編程邏輯單元FPGA等為核心，在控制板上實現(xiàn)變流器各部分功能，包括電壓與電流信號的采樣、變流器核心算法實現(xiàn)、PWM信號的調(diào)制與生成、變流器與上層PC或者其他控制器的通信等。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，但是也有其一些弊端由于控制板上集成了所有的變流器功能，使得控制器負擔相對偏重。TI典型的DSP芯片2812每片最多可以產(chǎn)生12路PWM信號，每片最多可以采樣16路AD，在工程實際應用中為了保證采樣精度，都一定程度采用了過采樣技術(shù)，這樣的話每片2812實際的AD采樣要小于16路。可見由于單個芯片結(jié)構(gòu)固定，其片上資源有限，這限制了變流器功能的擴展。雖然可以采用雙口 RAM芯片，引入FPGA芯片等來增強控制板功能，擴展變流器控制功能，但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，開發(fā)周期長，靈活度不夠高，對控制器的可靠性和處理能力要求很高，控制板之間硬線連接的電磁兼容性、可靠性設(shè)計也是比較復雜的。工業(yè)以太網(wǎng)是在工業(yè)控制場合中使用的以太網(wǎng)，其在技術(shù)上和商用以太網(wǎng)是兼容的。目前工業(yè)以太網(wǎng)的實時響應時間可以達到5ms，而對于變流器的控制，由于其控制對象是頻率50Hz周期20ms的交流電，要準確控制變流器的有功功率、無功功率，其實際要求的響應時間要遠遠小于5ms。顯然一般工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率遠遠不能滿足要求。工業(yè)實時以太網(wǎng)的出現(xiàn)給變流器的設(shè)計架構(gòu)提供了新的可能性，尤其是等時同步通信IRT技術(shù)的使用可以使工業(yè)實時以太網(wǎng)的通信響應速度達到250微秒。借助于工業(yè)實時以太網(wǎng)高速的通信響應速度，可將變流器中各個功能模塊分開，每個功能模塊負責各自主要功能，各個模塊之間采用工業(yè)實時以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，完成儲能變流器功能。根據(jù)以上背景分析，目前風電場建設(shè)需要配備儲能型變流器裝置，來消除風電本身出力波動帶給電網(wǎng)的不利影響，進而提高風機并網(wǎng)率。而基于控制板結(jié)構(gòu)的變流器裝置設(shè)計復雜，開發(fā)周期長，靈活度不夠高，對控制器的可靠性和處理能力要求很高。造成這種情況的根本原因在于I)這種結(jié)構(gòu)的變流器裝置在控制板上實現(xiàn)了變流器的各部分功能，造成芯片負擔過重，要求芯片有很高的運算能力。同時由于單個芯片的資源有限，限制了變流器功能擴展，雖然可以通過擴展等方法來一定程度增加控制板的資源和功能，但是開發(fā)周期長，過程復雜。控制電路板之間硬線連接的電磁兼容和可靠性設(shè)計不可忽略，隨著擴展電路板數(shù)量的增加，該問題也越來越明顯，處理難度也隨之增加。2 )現(xiàn)有的普通工業(yè)以太網(wǎng)實時通信速度不夠，只能用于變流器的狀態(tài)檢測等應用場合，而無法用于變流器的實時控制。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本發(fā)明提出了一個新的解決方案。本方案將工業(yè)實時以太網(wǎng)引入到儲能型變流器裝置中。應用等時同步通信IRT技術(shù)，可實現(xiàn)通信響應速度達250微秒的高速可靠工業(yè)實時通信。本儲能型變流器裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，變流器整體由數(shù)個功能模塊組成，各功能模塊之間采用工業(yè)實時以太網(wǎng)連接。借助于工業(yè)實時以太網(wǎng)，各功能模塊之間可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信，完成變流器的控制功能。本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案一種基于工業(yè)實時以太網(wǎng)的儲能型變流器裝置，包括主電路模塊和控制功能模塊，其特征在于所述主電路模塊主要由智能功率模塊IPM、直流電容單元、主電感、濾波電路、電流傳感器、主斷路器等構(gòu)成；所述主斷路器的輸出端與電網(wǎng)相連，主斷路器的輸入端通過電流傳感器、主電感后連接至智能功率模塊IPM的交流輸出端，所述智能功率模塊IPM的直流輸出端連接儲能電池；在主斷路器的輸入端還連接有電壓采樣電路，所述電流傳感器用于檢測智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號，所述電壓采樣電路用于檢測電網(wǎng)交流電壓信號和變流器裝置中母線直流電壓信號；在電流傳感器和主電感之間并聯(lián)濾波電路，用于對變流器裝置并網(wǎng)前的交流電流進行濾波；所述控制功能模塊包括光纖交換機、第一主控模塊、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表；光纖交換機、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表均通過工業(yè)實時以太網(wǎng)與第一主控模塊相連；光纖交換機負責和上層電網(wǎng)調(diào)度中心通信，上傳儲能型變流器裝置運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，同時接收調(diào)度中心控制命令；第一主控模塊根據(jù)上層電網(wǎng)調(diào)度中心的控制命令完成變流器控制算法并生成相應的控制命令；第二主控模塊接收第一主控模塊發(fā)送來的智能功率模塊IPM控制命令，并根據(jù)此控制命令生成脈沖信號用以驅(qū)動智能功率模塊IPM ;分布式IO單元根據(jù)第一主控模塊發(fā)送來的開關(guān)命令控制開關(guān)與繼電器執(zhí)行相應的動作；電能儀表將測量的智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號、交流電壓信號傳輸?shù)降谝恢骺啬K中，作為第一主控模塊進行控制算法的控制參考。本發(fā)明中等時同步通信IRT技術(shù)使工業(yè)實時以太網(wǎng)通信響應速度達到250微秒，這個響應速度是一般應用的工業(yè)以太網(wǎng)所達不到的，該響應速度可以使工業(yè)實時以太網(wǎng)直接參與到變流器的實時控制中，而不僅僅限于傳統(tǒng)的對變流器狀態(tài)的檢測和保護等對通信速度要求偏慢的應用場合中。
本儲能型變流器裝置由采用工業(yè)實時以太網(wǎng)通信連接的各功能模塊組成，各個功能模塊的通信速度可根據(jù)需要分級配置。在變流器可擴展性方面，傳統(tǒng)的基于控制電路板結(jié)構(gòu)的變流器裝置中各個電路板之間多采用硬線方式連接，在這種方式中，隨著擴展電路板數(shù)量和功能的增加，硬線連接復雜度也會相應增加，并且系統(tǒng)可靠性和電磁抗干擾性問題也會越來越難處理。本方案中各個功能模塊之間采用工業(yè)實時以太網(wǎng)連接，當需要增加控制模塊時，只需要將該模塊連接到工業(yè)實時以太網(wǎng)中并進行相應配置即可，在系統(tǒng)設(shè)計靈活性、電磁兼容處理等方面優(yōu)勢明顯。同時高速通信也使系統(tǒng)保護動作響應時間縮短，系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性都有明顯的提升。


圖I為儲能系統(tǒng)構(gòu)成基本不意圖2為本發(fā)明的儲能變流器裝置內(nèi)部基本框圖3為本發(fā)明的儲能變流器裝置主電路原理框 閱圖4為本發(fā)明的儲能變流器裝置控制功能模塊以及工業(yè)實時以太網(wǎng)連接原理框圖;
圖5為本發(fā)明的儲能變流器裝置整體詳細框圖。
具體實施例方式下面根據(jù)說明書附圖，結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步詳細說明。如圖I所示，為儲能系統(tǒng)構(gòu)成的基本示意圖。儲能系統(tǒng)由隔離變壓器、儲能變流器裝置、儲能電池，上層調(diào)度中心構(gòu)成。上層調(diào)度中心根據(jù)電網(wǎng)需求下達控制命令給儲能變流器裝置，儲能變流器裝置根據(jù)上層調(diào)度中心發(fā)出的指令，將儲能電池的能量回饋到電網(wǎng)或者將電網(wǎng)能量存儲于儲能電池中；隔離變壓器采用連接組別為Dynll的三相變壓器，其主要功能一是完成電壓轉(zhuǎn)換，將電網(wǎng)和儲能變流器裝置兩個不同電壓等級的系統(tǒng)連接起來，二是起到隔離與保護作用。如圖2所示為儲能變流器裝置內(nèi)部基本框圖，包括主電路模塊和控制功能模塊兩部分，主電路模塊中的電壓、電流、溫度等參數(shù)的測量值作為變流器控制中所需的參考變量需要輸入到控制功能模塊中，控制功能模塊根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度中心的命令和主電路模塊輸入的變量完成變流器的控制算法，輸出變流器的控制命令到主電路模塊。如圖3所示為儲能變流器裝置主電路模塊原理框圖，其主要由智能功率模塊IPM和直流電容單元、主電感、濾波電路、電流傳感器、主斷路器等構(gòu)成。主斷路器具有2500A電流分斷能力，其脫扣特性可以靈活設(shè)置，起到實現(xiàn)運行控制以及保護儲能裝置的作用。電流傳感器用來測量智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號，電壓采樣電路用于檢測電網(wǎng)交流電壓信號和PCS中母線直流電壓信號。采樣到的電壓信號和電流信號傳輸?shù)娇刂乒δ苣K中以供控制參考。濾波電路并聯(lián)在主電感和電流傳感器之間，對變流器裝置并網(wǎng)前的電流進行濾波，提高變流器裝置并網(wǎng)電流波形質(zhì)量。主電感一側(cè)連接電網(wǎng)正弦交流電壓，另一側(cè)連接智能功率模塊IPM輸出的調(diào)制交流電壓，產(chǎn)生幅值和相位可控的交流電流，實現(xiàn)儲能型變流器裝置的有功功率和無功功率的控制。智能功率模塊IPM接收控制功能模塊發(fā)出的控制命令，在變流器裝置中的其他部件配合下，實現(xiàn)對儲能電池的充放電、發(fā)生無功功率等功能。圖4所示為儲能變流器裝置控制功能模塊內(nèi)部原理框圖，包括了其中各個部件之間的工業(yè)實時以太網(wǎng)連接關(guān)系框圖?？刂乒δ苣K主要由光纖交換機、觸摸屏、交換機、第一主控模塊、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表構(gòu)成。光纖交換機負責和上層電網(wǎng)調(diào)度中心通信，上傳儲能變流器裝置狀態(tài)和運行參數(shù)，同時接收調(diào)度中心命令并執(zhí)行。交換機和第一主控模塊之間采用工業(yè)實時以太網(wǎng)通信，交換機同時連接觸摸屏，顯示儲能變流器運行狀態(tài)、故障與報警信息等內(nèi)容。第一主控模塊通過工業(yè)實時以太網(wǎng)連接第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表。在第一主控模塊中完成變流器控制算法，包括對儲能電池的充放電控制、無功功率/有功功率控制、變流器故障處理與保護控制。第二主控模塊通過工業(yè)實時以太網(wǎng)實時并可靠接收第一主控模塊發(fā)送來的控制命令，并根據(jù)此控制命令生成脈沖信號，用以驅(qū)動智能功率模塊單元。分布式IO單元根據(jù)主控模塊甲發(fā)送來的命令控制開關(guān)與繼電器執(zhí)行相應的動作。電能儀表將測量的內(nèi)容傳輸?shù)降谝恢骺啬K中，供其作為控制參考。工業(yè)實時以太網(wǎng)的通訊響應速度可以配置，根據(jù)各部件對通信速率的要求來設(shè)置，這樣的優(yōu)點是可以降低控制器負擔，實現(xiàn)工業(yè)實時以太網(wǎng)的優(yōu)化配置與使用。圖5為儲能變流器裝置整體詳細框圖，是前面各圖內(nèi)容的綜合。即，一種基于工業(yè)實時以太網(wǎng)的儲能型變流器裝置，包括主電路模塊和控制功能模塊。其中，所述主電路模塊主要由智能功率模塊IPM、直流電容單元、主電感、濾波電路、電流傳感器、電壓采樣電路、主斷路器等構(gòu)成；所述主斷路器的輸出端與電網(wǎng)相連，主斷路器的輸入端通過電流傳感器、主電感后連接至智能功率模塊IPM的交流輸出端，所述智能功率模塊IPM的直流輸出端連接儲能電池；在主斷路器的輸入端還連接有電壓采樣電路，所述電流傳感器用于檢測智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號，所述電壓采樣電路用于檢測電網(wǎng)交流電壓信號和PCS中母線直流電壓信號；在電流傳感器和主電感之間并聯(lián)濾波電路，用于對變流器裝置并網(wǎng)前的交流電流進行濾波。所述控制功能模塊包括光纖交換機、第一主控模塊、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表；光纖交換機、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表均通過工業(yè)實時以太網(wǎng)與第一主控模塊相連；光纖交換機負責和上層電網(wǎng)調(diào)度中心通信，上傳儲能型變流器裝置運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，同時接收調(diào)度中心控制命令；第一主控模塊根據(jù)上層電網(wǎng)調(diào)度中心的控制命令完成變流器控制算法并生成相應的控制命令，在第一主控模塊中完成的控制算法包括對儲能電池的充放電控制、無功功率/有功功率的控制、變流器故障處理與保護控制。第二主控模塊接收第一主控模塊發(fā)送來的智能功率模塊IPM控制命令，并根據(jù)此控制命令生成脈沖信號用以驅(qū)動智能功率模塊IPM ;分布式IO單元根據(jù)第一主控模塊發(fā)送來的開關(guān)命令控制開關(guān)與繼電器執(zhí)行相應的動作；電能儀表將測量的智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號、交流電壓信號傳輸?shù)降谝恢骺啬K中，作為第一主控模塊進行控制算法的控制參考。在進一步的實施例中，所述控制功能模塊還包括觸摸屏和交換機，所述交換機的一端通過工業(yè)實時以太網(wǎng)與第一主控模塊相連，另一端通過工業(yè)實時以太網(wǎng)連接觸摸屏，用于顯示儲能型變流器裝置運行狀態(tài)、故障與報警信息。
權(quán)利要求
1.一種基于工業(yè)實時以太網(wǎng)的儲能型變流器裝置，包括主電路模塊和控制功能模塊，其特征在于所述主電路模塊主要由智能功率模塊IPM、直流電容單元、主電感、濾波電路、電流傳感器、電壓采樣電路、主斷路器等構(gòu)成；所述主斷路器的輸出端與電網(wǎng)相連，主斷路器的輸入端通過電流傳感器、主電感后連接至智能功率模塊IPM的交流輸出端，所述智能功率模塊IPM的直流輸出端連接儲能電池；在主斷路器的輸入端還連接有電壓采樣電路，所述電流傳感器用于檢測智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號，所述電壓采樣電路用于檢測電網(wǎng)交流電壓信號和變流器裝置中母線直流電壓信號；在電流傳感器和主電感之間并聯(lián)濾波電路，用于對變流器裝置并網(wǎng)前的交流電流進行濾波；所述控制功能模塊包括光纖交換機、第一主控模塊、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表；光纖交換機、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表均通過工業(yè)實時以太網(wǎng)與第一主控模塊相連；光纖交換機負責和上層電網(wǎng)調(diào)度中心通信，上傳儲能型變流器裝置運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，同時接收調(diào)度中心控制命令；第一主控模塊根據(jù)上層電網(wǎng)調(diào)度中心的控制命令完成變流器控制算法并生成相應的控制命令；第二主控模塊接收第一主控模塊發(fā)送來的智能功率模塊IPM控制命令，并根據(jù)此控制命令生成脈沖信號用以驅(qū)動智能功率模塊IPM ;分布式IO單兀根據(jù)第一主控模塊發(fā)送來的開關(guān)命令控制開關(guān)與繼電器執(zhí)行相應的動作；電能儀表將測量的智能功率模塊IPM產(chǎn)生的交流電流信號、交流電壓信號傳輸?shù)降谝恢骺啬K中，作為第一主控模塊進行控制算法的控制參考。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于工業(yè)實時以太網(wǎng)的儲能型變流器裝置，其特征在于所述控制功能模塊還包括觸摸屏和交換機，所述交換機的一端通過工業(yè)實時以太網(wǎng)與第一主控模塊相連，另一端通過工業(yè)實時以太網(wǎng)連接觸摸屏，用于顯示儲能型變流器裝置運行狀態(tài)、故障與報警信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于工業(yè)實時以太網(wǎng)的儲能型變流器裝置，其特征在于在第一主控模塊中完成的控制算法包括對儲能電池的充放電控制、無功功率/有功功率的控制、變流器故障處理與保護算法。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種全新的儲能型變流器裝置。與傳統(tǒng)的基于控制板結(jié)構(gòu)的變流器結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所提出的儲能型變流器裝置是基于工業(yè)實時以太網(wǎng)技術(shù)的。借助等時同步通信IRT技術(shù)，工業(yè)實時以太網(wǎng)的通信響應速度可以達到250微秒。本儲能型變流器裝置由采用工業(yè)實時以太網(wǎng)連接的各功能模塊構(gòu)成，各功能模塊的通信響應速度可以根據(jù)具體需求分級配置。本發(fā)明中各模塊功能定位清晰、結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝和調(diào)試，各模塊合理分工變流控制相應部分，有利于提高變流器的整體性能。采用此種架構(gòu)變流器裝置的可擴展性明顯改善，開發(fā)周期、保護動作響應時間明顯縮短，系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性都有明顯的提升。
文檔編號H02J3/38GK102946116SQ20121040986
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者鹿懷驥, 吳國榮, 李志強, 王思耕, 陳劍, 陳飛 申請人:北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司