專利名稱：基于工業實時以太網的儲能型變流器裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力控制技術領域，尤其屬于一種變流控制技術領域。
背景技術：
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展。但是由于風電本身的出力波動，給電網帶來不利影響。儲能變流器裝置的使用，將有效地改善風機對電網的不良影響，提高電網對風機并網的允許接入率，進一步實現平滑風電出力、實現削峰填谷、跟蹤計劃發電等功能。儲能型變流器裝置也可以稱作功率變換系統(power converting system,以下簡稱PCS)，其連接著電網和儲能電池堆。作為溝通電網和儲能電池之間的橋梁，儲能PCS在風電場發電功率過剩時將該過剩功率所發電能轉換為儲能電池能量，此過程中PCS為儲能電池充電；而在風電場發電功率不足時儲能PCS將儲能電池能量回饋到電網上，彌補風機發電功率不足，此過程中儲能電池通過儲能PCS向電網放電；同時還可根據電網要求下，PCS發出無功功率，實現電力系統有功/無功功率統一調度功能。傳統的變流器結構，是基于控制板的結構。比如以單片機、DSP(數字信號處理器)，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、PWM信號的調制與生成、變流器與上層PC或者其他控制器的通信等。這種設計結構緊湊，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，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構固定，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，但是這種結構設計復雜，開發周期長，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、可靠性設計也是比較復雜的。工業以太網是在工業控制場合中使用的以太網，其在技術上和商用以太網是兼容的。目前工業以太網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。顯然一般工業以太網的通信速率遠遠不能滿足要求。工業實時以太網的出現給變流器的設計架構提供了新的可能性，尤其是等時同步通信IRT技術的使用可以使工業實時以太網的通信響應速度達到250微秒。借助于工業實時以太網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實時以太網連接，實現數據交換和共享，完成儲能變流器功能。根據以上背景分析，目前風電場建設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的不利影響，進而提高風機并網率。而基于控制板結構的變流器裝置設計復雜，開發周期長，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)這種結構的變流器裝置在控制板上實現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計不可忽略，隨著擴展電路板數量的增加，該問題也越來越明顯，處理難度也隨之增加。2 )現有的普通工業以太網實時通信速度不夠，只能用于變流器的狀態檢測等應用場合，而無法用于變流器的實時控制。

發明內容
為克服現有技術中存在的以上問題，本發明提出了一個新的解決方案。本方案將工業實時以太網引入到儲能型變流器裝置中。應用等時同步通信IRT技術，可實現通信響應速度達250微秒的高速可靠工業實時通信。本儲能型變流器裝置采用模塊化結構，變流器整體由數個功能模塊組成，各功能模塊之間采用工業實時以太網連接。借助于工業實時以太網，各功能模塊之間可實現實時數據通信，完成變流器的控制功能。本發明具體采用以下技術方案一種基于工業實時以太網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、主斷路器等構成；所述主斷路器的輸出端與電網相連，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產生的交流電流信號，所述電壓采樣電路用于檢測電網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濾波電路，用于對變流器裝置并網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實時以太網與第一主控模塊相連；光纖交換機負責和上層電網調度中心通信，上傳儲能型變流器裝置運行狀態和相關參數，同時接收調度中心控制命令；第一主控模塊根據上層電網調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送來的智能功率模塊IPM控制命令，并根據此控制命令生成脈沖信號用以驅動智能功率模塊IPM ;分布式IO單元根據第一主控模塊發送來的開關命令控制開關與繼電器執行相應的動作；電能儀表將測量的智能功率模塊IPM產生的交流電流信號、交流電壓信號傳輸到第一主控模塊中，作為第一主控模塊進行控制算法的控制參考。本發明中等時同步通信IRT技術使工業實時以太網通信響應速度達到250微秒，這個響應速度是一般應用的工業以太網所達不到的，該響應速度可以使工業實時以太網直接參與到變流器的實時控制中，而不僅僅限于傳統的對變流器狀態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實時以太網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需要分級配置。在變流器可擴展性方面，傳統的基于控制電路板結構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，隨著擴展電路板數量和功能的增加，硬線連接復雜度也會相應增加，并且系統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實時以太網連接，當需要增加控制模塊時，只需要將該模塊連接到工業實時以太網中并進行相應配置即可，在系統設計靈活性、電磁兼容處理等方面優勢明顯。同時高速通信也使系統保護動作響應時間縮短，系統整體的穩定性、可靠性都有明顯的提升。


圖I為儲能系統構成基本不意圖2為本發明的儲能變流器裝置內部基本框圖3為本發明的儲能變流器裝置主電路原理框 閱圖4為本發明的儲能變流器裝置控制功能模塊以及工業實時以太網連接原理框圖;
圖5為本發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說明書附圖，結合優選實施例對本發明的技術方案進一步詳細說明。如圖I所示，為儲能系統構成的基本示意圖。儲能系統由隔離變壓器、儲能變流器裝置、儲能電池，上層調度中心構成。上層調度中心根據電網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上層調度中心發出的指令，將儲能電池的能量回饋到電網或者將電網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換，將電網和儲能變流器裝置兩個不同電壓等級的系統連接起來，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，控制功能模塊根據電網調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、主斷路器等構成。主斷路器具有2500A電流分斷能力，其脫扣特性可以靈活設置，起到實現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產生的交流電流信號，電壓采樣電路用于檢測電網交流電壓信號和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到控制功能模塊中以供控制參考。濾波電路并聯在主電感和電流傳感器之間，對變流器裝置并網前的電流進行濾波，提高變流器裝置并網電流波形質量。主電感一側連接電網正弦交流電壓，另一側連接智能功率模塊IPM輸出的調制交流電壓，產生幅值和相位可控的交流電流，實現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出的控制命令，在變流器裝置中的其他部件配合下，實現對儲能電池的充放電、發生無功功率等功能。圖4所示為儲能變流器裝置控制功能模塊內部原理框圖，包括了其中各個部件之間的工業實時以太網連接關系框圖。控制功能模塊主要由光纖交換機、觸摸屏、交換機、第一主控模塊、第二主控模塊、分布式IO模塊、電能儀表構成。光纖交換機負責和上層電網調度中心通信，上傳儲能變流器裝置狀態和運行參數，同時接收調度中心命令并執行。交換機和第一主控模塊之間采用工業實時以太網通信，交換機同時連接觸摸屏，顯示儲能變流器運行狀態、故障與報警信息等內容。第一主控模塊通過工業實時以太網連接第二主控模塊、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實時以太網實時并可靠接收第一主控模塊發送來的控制命令，并根據此控制命令生成脈沖信號，用以驅動智能功率模塊單元。分布式IO單元根據主控模塊甲發送來的命令控制開關與繼電器執行相應的動作。電能儀表將測量的內容傳輸到第一主控模塊中，供其作為控制參考。工業實時以太網的通訊響應速度可以配置，根據各部件對通信速率的要求來設置，這樣的優點是可以降低控制器負擔，實現工業實時以太網的優化配置與使用。圖5為儲能變流器裝置整體詳細框圖，是前面各圖內容的綜合。即，一種基于工業實時以太網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、主斷路器等構成；所述主斷路器的輸出端與電網相連，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產生的交流電流信號，所述電壓采樣電路用于檢測電網交流電壓信號和PCS中母線直流電壓信號；在電流傳感器和主電感之間并聯濾波電路，用于對變流器裝置并網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實時以太網與第一主控模塊相連；光纖交換機負責和上層電網調度中心通信，上傳儲能型變流器裝置運行狀態和相關參數，同時接收調度中心控制命令；第一主控模塊根據上層電網調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送來的智能功率模塊IPM控制命令，并根據此控制命令生成脈沖信號用以驅動智能功率模塊IPM ;分布式IO單元根據第一主控模塊發送來的開關命令控制開關與繼電器執行相應的動作；電能儀表將測量的智能功率模塊IPM產生的交流電流信號、交流電壓信號傳輸到第一主控模塊中，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實時以太網與第一主控模塊相連，另一端通過工業實時以太網連接觸摸屏，用于顯示儲能型變流器裝置運行狀態、故障與報警信息。
權利要求
1.一種基于工業實時以太網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、主斷路器等構成；所述主斷路器的輸出端與電網相連，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產生的交流電流信號，所述電壓采樣電路用于檢測電網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濾波電路，用于對變流器裝置并網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實時以太網與第一主控模塊相連；光纖交換機負責和上層電網調度中心通信，上傳儲能型變流器裝置運行狀態和相關參數，同時接收調度中心控制命令；第一主控模塊根據上層電網調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送來的智能功率模塊IPM控制命令，并根據此控制命令生成脈沖信號用以驅動智能功率模塊IPM ;分布式IO單兀根據第一主控模塊發送來的開關命令控制開關與繼電器執行相應的動作；電能儀表將測量的智能功率模塊IPM產生的交流電流信號、交流電壓信號傳輸到第一主控模塊中，作為第一主控模塊進行控制算法的控制參考。
2.根據權利要求I所述的基于工業實時以太網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實時以太網與第一主控模塊相連，另一端通過工業實時以太網連接觸摸屏，用于顯示儲能型變流器裝置運行狀態、故障與報警信息。
3.根據權利要求I所述的基于工業實時以太網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
本發明提出了一種全新的儲能型變流器裝置。與傳統的基于控制板結構的變流器結構相比，本發明所提出的儲能型變流器裝置是基于工業實時以太網技術的。借助等時同步通信IRT技術，工業實時以太網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實時以太網連接的各功能模塊構成，各功能模塊的通信響應速度可以根據具體需求分級配置。本發明中各模塊功能定位清晰、結構緊湊、便于安裝和調試，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。采用此種架構變流器裝置的可擴展性明顯改善，開發周期、保護動作響應時間明顯縮短，系統整體的穩定性、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 優先權日2012年10月24日
發明者鹿懷驥, 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有限公司