[发明专利]基于工业实时以太网的储能型变流器装置

说明书

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：