儲(chǔ)能逆變器測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

李 春，陳國(guó)棟

（上海電氣輸配電集團(tuán)技術(shù)中心 上海 200050）

0 引言

世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展讓人們對(duì)于能源的需求越來越大，傳統(tǒng)能源與溫室效應(yīng)的退步，對(duì)于人們所面臨的環(huán)境問題越來越不利。在開發(fā)常規(guī)能源的同時(shí)，要更加注重新型的可再生能源的開發(fā)。新能源的開發(fā)成為當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢(shì)。分布式發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，擁有良好的環(huán)保性和便捷性，可以讓儲(chǔ)能逆變器的設(shè)備得到國(guó)家的大力支持。同時(shí)，為了保證電能在輸出方面的質(zhì)量問題，促進(jìn)設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程，對(duì)儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試和調(diào)試平臺(tái)的開發(fā)顯得尤為重要。

1 測(cè)試平臺(tái)需求分析

1.1 儲(chǔ)能逆變器

在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，儲(chǔ)能逆變器憑借自身的雙向變流功能可以完成一些特殊的功能。作為一種雙向變流器，不僅可以完成電網(wǎng)電能之間的能量傳輸，還可以完成儲(chǔ)能電能之間的能量傳輸，適用于多種直流儲(chǔ)能單元中。在直流儲(chǔ)能單元中，儲(chǔ)能逆變器可以快速完成分布式發(fā)電的功能，提高電網(wǎng)對(duì)于可再生能源電力的接納。根據(jù)系統(tǒng)的特性，在負(fù)荷的低谷期，需要儲(chǔ)存更多的發(fā)電量以備不時(shí)之需，在負(fù)荷的高峰期所釋放的能量，可以有效提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量[1]。圖1為儲(chǔ)能逆變器在電網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

儲(chǔ)能逆變器適用于大容量?jī)?chǔ)能電池的充放電，在充放電系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能化、穩(wěn)定性和安全性等優(yōu)勢(shì)。

在進(jìn)行儲(chǔ)能逆變器的整個(gè)開發(fā)過程中，利用示波器完成對(duì)電信號(hào)的全面檢測(cè)，使用儲(chǔ)能逆變器控制算法進(jìn)行實(shí)際電信號(hào)量的研究所獲取的量較少，利用示波器對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)的過程中，多少會(huì)存在一些問題，雖然可以獲取儲(chǔ)能逆變器的電信號(hào)，但是經(jīng)過傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后，通過AD進(jìn)行采集不一定保證采集量的正確性[2]。因此，為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)程序的變量進(jìn)行觀察非常有必要。在進(jìn)行程序觀測(cè)的過程中，使用斷點(diǎn)觀測(cè)的方式較多，在進(jìn)行弱電電路的程序調(diào)試和應(yīng)用時(shí)，斷點(diǎn)觀測(cè)是一種非常有效的調(diào)試方法，但是在大功率的設(shè)備調(diào)試中，斷點(diǎn)觀測(cè)無法更好地預(yù)知大功率設(shè)備的狀態(tài)，容易引發(fā)短路故障，存在一定的安全隱患，對(duì)于工作人員的安全作業(yè)非常不利。通過調(diào)試軟件可以讓刷新功能得到保障的同時(shí)，提高安全隱患。在進(jìn)行儲(chǔ)能逆變器大功率設(shè)備的測(cè)試過程中，會(huì)遇到很多故障問題。發(fā)生故障后，如果沒有及時(shí)保存算法的變量信息，將無法準(zhǔn)確獲取故障點(diǎn)的位置和原因。因此，在進(jìn)行儲(chǔ)能逆變器的測(cè)試和調(diào)試過程中，諧波含量的大小是測(cè)試的一個(gè)重要指標(biāo)，可以實(shí)時(shí)獲取儲(chǔ)能逆變器的諧波含量，對(duì)于儲(chǔ)能逆變器的測(cè)試非常重要。基于以上問題，開發(fā)儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)十分有必要。

1.2 需求分析

儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)由人機(jī)交互測(cè)試平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集模塊兩部分組成，測(cè)試平臺(tái)展示如圖2所示[3]。

對(duì)于儲(chǔ)能逆變器的傳感器模塊而言，完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換是一大亮點(diǎn)。通過獲取AD小信號(hào)的數(shù)據(jù)，利用DSP控制器進(jìn)行處理后通過以太網(wǎng)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。測(cè)試軟件平臺(tái)通過PC端口讀取以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，并通過測(cè)試平臺(tái)完成對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的全面分析。

根據(jù)上述對(duì)于儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行功能模塊的需求分析：

（1）上下位機(jī)高速通信：傳統(tǒng)的總線通信速率為460 800 bps[4]，為了提高通信的準(zhǔn)確度，一般采取最多的是9 600 bps。CAN總線的通信速率為1 Mbps，與工業(yè)以太網(wǎng)的總線差距較大；傳統(tǒng)總線的可靠性較低，采用CAN或者工業(yè)以太網(wǎng)方可滿足通信傳輸穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)需求；由于上下位機(jī)數(shù)據(jù)的通信中，上位機(jī)一般使用PC，CAN總線進(jìn)行上下位機(jī)通信時(shí)，需要通過接口卡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此使用CAN的成本較高。

（2）后臺(tái)數(shù)據(jù)處理：通過測(cè)試軟件平臺(tái)接收數(shù)據(jù)后完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，主要由儲(chǔ)能逆變器的后臺(tái)完成。

（3）數(shù)據(jù)顯示與人機(jī)交互：儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)的后臺(tái)主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過顯示數(shù)據(jù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的操作，并實(shí)現(xiàn)最終的人機(jī)交互。

2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)通過工業(yè)以太網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析處理，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示的同時(shí)，也可以根據(jù)用戶的設(shè)置需求，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

在儲(chǔ)能逆變器的測(cè)試軟件平臺(tái)開發(fā)時(shí)，采用三層結(jié)構(gòu)體系，包括應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和控制層，對(duì)軟件中的各個(gè)層次任務(wù)進(jìn)行分工處理，有助于軟件的開發(fā)。

2.2 諧波檢測(cè)算法

在電力系統(tǒng)中，基波頻率為50 Hz，根據(jù)諧波次數(shù)的奇偶特性，在三相系統(tǒng)中，除非系統(tǒng)存在諧振，否則偶次諧波會(huì)被消除[5]，因此，在電力系統(tǒng)中，考慮奇次諧波最多。在電力系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的因素很多，如發(fā)電廠設(shè)備、配電系統(tǒng)、其他用電設(shè)備等。其中，用電設(shè)備是產(chǎn)生諧波的主要因素，整流器設(shè)備更是產(chǎn)生諧波的主要來源。在電力系統(tǒng)中，諧波會(huì)加速器件的老化速度，影響設(shè)備的正常工作。經(jīng)過多年的研究，諧波檢測(cè)算法分為時(shí)域和頻域兩種，時(shí)域中基波同步、諧波同步為主要的旋轉(zhuǎn)變換方法；頻域中以離散傅立葉、快速離散傅立葉為主要變換方法。在本測(cè)試平臺(tái)中，采用快速離散傅立葉作為主要算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論。

基2FFT算法有時(shí)域抽取FFT和頻域抽取法FFT兩種，采用時(shí)域抽取FFT的方法，并根據(jù)奇偶關(guān)系進(jìn)行抽選分解可以得到：

通過分解得到：

根據(jù)公式（2）和公式（3）得到蝶形信號(hào)流圖符號(hào)，如圖4所示。

在對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果經(jīng)常發(fā)生頻譜泄露問題，將會(huì)嚴(yán)重影響到諧波檢測(cè)的精度。此時(shí)可以通過加窗插值法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波精度的補(bǔ)償，為了實(shí)現(xiàn)近似表達(dá)式的誤差曲線，盡管數(shù)值很小，也可以通過插值算法得到較高的精度。近似表達(dá)式的誤差曲線如圖5所示。

插值公式的幅值和相位表達(dá)式為[6]：

其中，Xw(k)表示加窗后的離散頻譜；Xw(kx)表示幅值最大譜線。

2.3 效率計(jì)算方法

在儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)下，通過對(duì)儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行效率計(jì)算后，得到交流功率和直流功率的計(jì)算方法，根據(jù)公式P=UI，完成對(duì)直流功率的計(jì)算。三相交流的儲(chǔ)能逆變器在進(jìn)行交流功率的計(jì)算過程較為復(fù)雜，因?yàn)榻涣鞴β市枰獙?shí)時(shí)獲取儲(chǔ)能逆變器的效率值，需要對(duì)三相交流的瞬時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算。基于此，在進(jìn)行坐標(biāo)變換分析過程中，可以以相電壓為例，獲得通用電壓之間的關(guān)系，得到：

其中，U表示電壓矢量；θ表示相位角。

在不同的坐標(biāo)系下，計(jì)算三相交流瞬時(shí)功率的方法較多，以兩相靜止坐標(biāo)系下的計(jì)算方法為例，得到：

儲(chǔ)能逆變器在實(shí)際的使用中，根據(jù)自身的特有功能，不僅可以完成交流到直流的儲(chǔ)能，還可以完成直流到交流的逆變。因?yàn)槠渚邆涞碾p向性特點(diǎn)，所以在進(jìn)行計(jì)算的過程中需要先獲取儲(chǔ)能逆變器的運(yùn)行情況。對(duì)于儲(chǔ)能逆變器的計(jì)算，可以轉(zhuǎn)變儲(chǔ)能逆變器的輸入功率和輸出功率，通過直流功率的計(jì)算公式P=UI可以得到[7]：

當(dāng)儲(chǔ)能逆變器處于整流狀態(tài)，需要對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)的效率可以表示為直流功率與交流功率的比值；當(dāng)儲(chǔ)能逆變器處于逆變狀態(tài)，需要對(duì)電池放電逆變，此時(shí)的效率表示為交流有功率與直流功率的比值，得到：

其中，PDC表示直流側(cè)功率；PAC表示交流功率；Udc表示直流母線電壓；Ldc表示直流母線電流；uα、uβ、iα、iβ表示坐標(biāo)系下的電壓矢量和電流矢量。

2.4 高速通信協(xié)議

在工業(yè)的控制系統(tǒng)中，經(jīng)常使用的控制總線有CAN和工業(yè)以太網(wǎng)，CAN其自身獨(dú)有的可靠性和靈活性，在電力領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，并逐漸在工業(yè)控制領(lǐng)域中嶄露頭角。CAN總線的傳輸速率最高可以達(dá)到1 M時(shí)，會(huì)明顯縮短傳輸距離，影響其可靠性，限制了自身的應(yīng)用范圍。儲(chǔ)能逆變器的控制頻率為9 K，如果使用CAN總線作為通信接口，在一個(gè)控制周期中，只能夠完成111bit的數(shù)據(jù)交換。儲(chǔ)能逆變器測(cè)試平臺(tái)與自身的通信數(shù)據(jù)屬于浮點(diǎn)型的數(shù)據(jù)，占用空間達(dá)到32 bit，因此在使用CAN總線時(shí)，儲(chǔ)能逆變器的控制周期完成的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)交換的空間優(yōu)先，會(huì)嚴(yán)重影響到儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)在獲取數(shù)據(jù)方面的真實(shí)性與實(shí)時(shí)性。

使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信接口，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)[8]，可以在一個(gè)控制周期內(nèi)完成1 111 bit，數(shù)據(jù)量的交換空間大，為用戶的使用數(shù)據(jù)預(yù)留充裕，因此使用10 Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以讓儲(chǔ)能逆變器的每一個(gè)控制周期都可以完成24個(gè)浮點(diǎn)型的數(shù)據(jù)交換，對(duì)于測(cè)試平臺(tái)在進(jìn)行通信速率處理時(shí)有較好的優(yōu)勢(shì)。綜合分析，在儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)中使用工業(yè)以太網(wǎng)總線進(jìn)行通信速率的處理得到的效果更好。

3 測(cè)試平臺(tái)模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

實(shí)現(xiàn)的過程為：電壓電流傳感器→信號(hào)調(diào)理電路→AD→DSP，通過傳感器將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱點(diǎn)信號(hào)，通過AD采集后利用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到測(cè)試平臺(tái)中。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集模塊主要通過AD公司旗下的8通道、16位的芯片AD7606，完成輸入信號(hào)的采樣，讓所有的通道采集速率都可以達(dá)到200 kSPS。

3.2 以太網(wǎng)通信模塊的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)過程為：數(shù)據(jù)采集模塊→DSP→RTL→儲(chǔ)能逆變器測(cè)試軟件平臺(tái)。測(cè)試軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸利用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行，將數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)通過DSP傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)的控制器中，以太網(wǎng)將其傳輸?shù)綔y(cè)試平臺(tái)中。上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信使用RTL8019AS進(jìn)行通信，該控制器的電路簡(jiǎn)單，操作方便，通信速率高，可以滿足該平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求。

3.3 諧波檢測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)

使用基-2FFT算法實(shí)現(xiàn)，通過蝶形運(yùn)算，完成對(duì)FFT算法的諧波檢測(cè)分析。

有效值計(jì)算模塊的實(shí)現(xiàn)，在同等電阻上增加直流和交流，通過交通流量的周期，讓直流和交流的熱量相等，得到交通流量的有效值。根據(jù)交流有效值的計(jì)算，得到公式：

其中；Fdc為直流；Fac為交流；R為電阻；t1～t2為周期。

人機(jī)交互接口的實(shí)現(xiàn)，使用C++實(shí)現(xiàn)，該開發(fā)軟件是一款面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)平臺(tái)，具有高效性、靈活性、速度快的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能逆變器的測(cè)試軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)儲(chǔ)能逆變器而開發(fā)的一款測(cè)試軟件，該軟件也可以應(yīng)用在其他的逆變器中進(jìn)行調(diào)試。通過對(duì)諧波檢測(cè)算法的分析，得到抑制頻譜泄露的原理，對(duì)進(jìn)一步提高測(cè)試平臺(tái)的實(shí)時(shí)性具有顯著作用。通過對(duì)各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析后得到，使用C++可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能逆變器的測(cè)試軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，完成對(duì)諧波分析、檢測(cè)、采集、計(jì)算、顯示和保存等功能的分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。