儲能逆變器測試平臺設計和實現

李 春，陳國棟

（上海電氣輸配電集團技術中心 上海 200050）

0 引言

世界經濟的快速發展讓人們對于能源的需求越來越大，傳統能源與溫室效應的退步，對于人們所面臨的環境問題越來越不利。在開發常規能源的同時，要更加注重新型的可再生能源的開發。新能源的開發成為當前的主要發展趨勢。分布式發電技術應運而生，擁有良好的環保性和便捷性，可以讓儲能逆變器的設備得到國家的大力支持。同時，為了保證電能在輸出方面的質量問題，促進設備的研發進程，對儲能逆變器進行系統的測試和調試平臺的開發顯得尤為重要。

1 測試平臺需求分析

1.1 儲能逆變器

在智能電網的建設中，儲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，不僅可以完成電網電能之間的能量傳輸，還可以完成儲能電能之間的能量傳輸，適用于多種直流儲能單元中。在直流儲能單元中，儲能逆變器可以快速完成分布式發電的功能，提高電網對于可再生能源電力的接納。根據系統的特性，在負荷的低谷期，需要儲存更多的發電量以備不時之需，在負荷的高峰期所釋放的能量，可以有效提高電網的供電質量[1]。圖1為儲能逆變器在電網中的結構網絡。

儲能逆變器適用于大容量儲能電池的充放電，在充放電系統應用時，可以實現雙向流動，實現智能化、穩定性和安全性等優勢。

在進行儲能逆變器的整個開發過程中，利用示波器完成對電信號的全面檢測，使用儲能逆變器控制算法進行實際電信號量的研究所獲取的量較少，利用示波器對大量的數據進行檢測的過程中，多少會存在一些問題，雖然可以獲取儲能逆變器的電信號，但是經過傳感器進行信號轉換后，通過AD進行采集不一定保證采集量的正確性[2]。因此，為了確保系統的正常運行，對程序的變量進行觀察非常有必要。在進行程序觀測的過程中，使用斷點觀測的方式較多，在進行弱電電路的程序調試和應用時，斷點觀測是一種非常有效的調試方法，但是在大功率的設備調試中，斷點觀測無法更好地預知大功率設備的狀態，容易引發短路故障，存在一定的安全隱患，對于工作人員的安全作業非常不利。通過調試軟件可以讓刷新功能得到保障的同時，提高安全隱患。在進行儲能逆變器大功率設備的測試過程中，會遇到很多故障問題。發生故障后，如果沒有及時保存算法的變量信息，將無法準確獲取故障點的位置和原因。因此，在進行儲能逆變器的測試和調試過程中，諧波含量的大小是測試的一個重要指標，可以實時獲取儲能逆變器的諧波含量，對于儲能逆變器的測試非常重要?；谝陨蠁栴}，開發儲能逆變器測試軟件平臺十分有必要。

1.2 需求分析

儲能逆變器測試軟件平臺的設計由人機交互測試平臺和數據采集模塊兩部分組成，測試平臺展示如圖2所示[3]。

對于儲能逆變器的傳感器模塊而言，完成信號的轉換是一大亮點。通過獲取AD小信號的數據，利用DSP控制器進行處理后通過以太網通信模塊將數據發送到PC端。測試軟件平臺通過PC端口讀取以太網中的數據信息，實現對數據的處理，并通過測試平臺完成對數據結果的全面分析。

根據上述對于儲能逆變器測試軟件平臺的總體設計，對其進行功能模塊的需求分析：

（1）上下位機高速通信：傳統的總線通信速率為460 800 bps[4]，為了提高通信的準確度，一般采取最多的是9 600 bps。CAN總線的通信速率為1 Mbps，與工業以太網的總線差距較大；傳統總線的可靠性較低，采用CAN或者工業以太網方可滿足通信傳輸穩定性的設計需求；由于上下位機數據的通信中，上位機一般使用PC，CAN總線進行上下位機通信時，需要通過接口卡進行數據處理，因此使用CAN的成本較高。

（2）后臺數據處理：通過測試軟件平臺接收數據后完成對數據的處理，主要由儲能逆變器的后臺完成。

（3）數據顯示與人機交互：儲能逆變器測試軟件平臺的后臺主要負責對數據進行處理，通過顯示數據完成對數據的操作，并實現最終的人機交互。

2 測試平臺結構及算法設計

2.1 總體結構

儲能逆變器測試軟件平臺通過工業以太網獲取數據后，需要對數據進行運算分析處理，在實現數據展示的同時，也可以根據用戶的設置需求，對歷史數據進行存儲，測試平臺的數據處理流程如圖3所示。

在儲能逆變器的測試軟件平臺開發時，采用三層結構體系，包括應用層、業務邏輯層和控制層，對軟件中的各個層次任務進行分工處理，有助于軟件的開發。

2.2 諧波檢測算法

在電力系統中，基波頻率為50 Hz，根據諧波次數的奇偶特性，在三相系統中，除非系統存在諧振，否則偶次諧波會被消除[5]，因此，在電力系統中，考慮奇次諧波最多。在電力系統中，產生諧波的因素很多，如發電廠設備、配電系統、其他用電設備等。其中，用電設備是產生諧波的主要因素，整流器設備更是產生諧波的主要來源。在電力系統中，諧波會加速器件的老化速度，影響設備的正常工作。經過多年的研究，諧波檢測算法分為時域和頻域兩種，時域中基波同步、諧波同步為主要的旋轉變換方法；頻域中以離散傅立葉、快速離散傅立葉為主要變換方法。在本測試平臺中，采用快速離散傅立葉作為主要算法，對數據進行分析和討論。

基2FFT算法有時域抽取FFT和頻域抽取法FFT兩種，采用時域抽取FFT的方法，并根據奇偶關系進行抽選分解可以得到：

通過分解得到：

根據公式（2）和公式（3）得到蝶形信號流圖符號，如圖4所示。

在對諧波進行檢測時，如果經常發生頻譜泄露問題，將會嚴重影響到諧波檢測的精度。此時可以通過加窗插值法實現對諧波精度的補償，為了實現近似表達式的誤差曲線，盡管數值很小，也可以通過插值算法得到較高的精度。近似表達式的誤差曲線如圖5所示。

插值公式的幅值和相位表達式為[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 效率計算方法

在儲能逆變器測試軟件平臺下，通過對儲能逆變器進行效率計算后，得到交流功率和直流功率的計算方法，根據公式P=UI，完成對直流功率的計算。三相交流的儲能逆變器在進行交流功率的計算過程較為復雜，因為交流功率需要實時獲取儲能逆變器的效率值，需要對三相交流的瞬時功率進行計算?；诖?，在進行坐標變換分析過程中，可以以相電壓為例，獲得通用電壓之間的關系，得到：

其中，U表示電壓矢量；θ表示相位角。

在不同的坐標系下，計算三相交流瞬時功率的方法較多，以兩相靜止坐標系下的計算方法為例，得到：

儲能逆變器在實際的使用中，根據自身的特有功能，不僅可以完成交流到直流的儲能，還可以完成直流到交流的逆變。因為其具備的雙向性特點，所以在進行計算的過程中需要先獲取儲能逆變器的運行情況。對于儲能逆變器的計算，可以轉變儲能逆變器的輸入功率和輸出功率，通過直流功率的計算公式P=UI可以得到[7]：

當儲能逆變器處于整流狀態，需要對電池進行充電，此時的效率可以表示為直流功率與交流功率的比值；當儲能逆變器處于逆變狀態，需要對電池放電逆變，此時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表示坐標系下的電壓矢量和電流矢量。

2.4 高速通信協議

在工業的控制系統中，經常使用的控制總線有CAN和工業以太網，CAN其自身獨有的可靠性和靈活性，在電力領域得到了快速發展，并逐漸在工業控制領域中嶄露頭角。CAN總線的傳輸速率最高可以達到1 M時，會明顯縮短傳輸距離，影響其可靠性，限制了自身的應用范圍。儲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，在一個控制周期中，只能夠完成111bit的數據交換。儲能逆變器測試平臺與自身的通信數據屬于浮點型的數據，占用空間達到32 bit，因此在使用CAN總線時，儲能逆變器的控制周期完成的浮點型數據交換的空間優先，會嚴重影響到儲能逆變器測試軟件平臺在獲取數據方面的真實性與實時性。

使用工業以太網進行通信接口，在進行數據交換時[8]，可以在一個控制周期內完成1 111 bit，數據量的交換空間大，為用戶的使用數據預留充裕，因此使用10 Mbps的工業以太網進行數據處理時，可以讓儲能逆變器的每一個控制周期都可以完成24個浮點型的數據交換，對于測試平臺在進行通信速率處理時有較好的優勢。綜合分析，在儲能逆變器測試軟件平臺中使用工業以太網總線進行通信速率的處理得到的效果更好。

3 測試平臺模塊實現

3.1 數據采集模塊

實現的過程為：電壓電流傳感器→信號調理電路→AD→DSP，通過傳感器將強電信號轉化為弱點信號，通過AD采集后利用以太網將數據發送到測試平臺中。在本系統的設計中，數據采集模塊主要通過AD公司旗下的8通道、16位的芯片AD7606，完成輸入信號的采樣，讓所有的通道采集速率都可以達到200 kSPS。

3.2 以太網通信模塊的實現

實現過程為：數據采集模塊→DSP→RTL→儲能逆變器測試軟件平臺。測試軟件平臺的數據傳輸利用工業以太網進行，將數據采集模塊中的數據通過DSP傳輸到以太網的控制器中，以太網將其傳輸到測試平臺中。上下位機的數據通信使用RTL8019AS進行通信，該控制器的電路簡單，操作方便，通信速率高，可以滿足該平臺的設計需求。

3.3 諧波檢測模塊的實現

使用基-2FFT算法實現，通過蝶形運算，完成對FFT算法的諧波檢測分析。

有效值計算模塊的實現，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。根據交流有效值的計算，得到公式：

其中；Fdc為直流；Fac為交流；R為電阻；t1～t2為周期。

人機交互接口的實現，使用C++實現，該開發軟件是一款面向對象的可視化開發平臺，具有高效性、靈活性、速度快的優勢。

4 結語

儲能逆變器的測試軟件平臺設計，主要是針對儲能逆變器而開發的一款測試軟件，該軟件也可以應用在其他的逆變器中進行調試。通過對諧波檢測算法的分析，得到抑制頻譜泄露的原理，對進一步提高測試平臺的實時性具有顯著作用。通過對各個模塊的功能實現進行分析后得到，使用C++可以實現儲能逆變器的測試軟件平臺設計，完成對諧波分析、檢測、采集、計算、顯示和保存等功能的分析，驗證了該設計方案的可行性。