基于NI RIO平臺開(kāi)發(fā)并網(wǎng)型儲能系統控制器

“FPGA接口開(kāi)放性的特點(diǎn)幫助我們創(chuàng )建了自定義且高性能的實(shí)時(shí)通信鏈接，從而實(shí)現了分布式實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。”　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　                     
                                                                                                                                     －　Richard Jennings，Xtreme Power　

挑戰：　

創(chuàng )建一個(gè)可擴展的控制系統來(lái)管理兆瓦級規模的能源儲存并提供數字電力管理系統　

解決方案：　

使用R系列可重新配置I／O（RIO）硬件和分布式NI Single－Board 設備構建集中式的PXI系統，連續測量能源電網(wǎng)的電能和電能質(zhì)量，并通過(guò)控制功率轉換器和儲電單元網(wǎng)絡(luò )來(lái)管理能量流　

Xtreme Power（XP）設計、建造、生產(chǎn)和運營(yíng)了綜合性能源存儲和電源管理系統，并稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)電力資源（DPR），為獨立電力生產(chǎn)商、傳輸和分配公用事業(yè)單位以及商業(yè)和工業(yè)終端用戶(hù)提供服務(wù)。DPR系統可以時(shí)移電能，并能使用快速響應和可配置的數字系統來(lái)同時(shí)執行能源市場(chǎng)需求的多個(gè)輔助服務(wù)，包括VAR補償、提前固定日的計劃、頻率響應和梯度控件／平滑?！　　?/p>

DPR由安全且高效的XP PowerCells、高性能的電力電子設備和可配置控制系統組成，每個(gè)組件的大小都根據每個(gè)客戶(hù)各自的電力和能源需求而設計。我們將所有的主要組件都融入一個(gè)大型、實(shí)際可用的系統，該系統可與客戶(hù)現有或計劃的基礎設施搭配使用。
　
通過(guò)輸電網(wǎng)絡(luò )的細節可以了解DPR的作用。在任何時(shí)候，流入電網(wǎng)的電量（又稱(chēng)供應或生成）必須等于流出電網(wǎng)的電量（又稱(chēng)需求或負載）。過(guò)去，這都是由控制幾個(gè)大型、集中的發(fā)電所來(lái)管理的。這些發(fā)電所通過(guò)調節輸出功率來(lái)平衡電網(wǎng)的供需?！?/p>

隨著(zhù)新技術(shù)包括大規模應用的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏（PV）的日益普及，電網(wǎng)方程（實(shí)時(shí)供給＝實(shí)時(shí)需求）變得更為復雜。風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源都引入了生產(chǎn)可變性，能夠在非高峰時(shí)間或對能源需求低的時(shí)候生產(chǎn)電能。能源儲存系統可以合并作為一個(gè)供需的緩沖區，最大限度地提高可再生能源的潛力并確保電能的無(wú)縫輸送?！?/p>

此外，能源儲存系統可以快速響應電網(wǎng)的變化，以幫助減輕諧頻或電感負載所引起的不穩定狀況，并為需求和產(chǎn)生過(guò)程中的不平衡狀況提供快速響應。這些技術(shù)支持目前只由化石燃料生產(chǎn)提供，并統稱(chēng)為輔助服務(wù)。如果沒(méi)有這些服務(wù)，電網(wǎng)的可靠性會(huì )較差，而這些服務(wù)的重要性必須通過(guò)更高的市場(chǎng)價(jià)值來(lái)體現。安裝DPR就可以提供這些利潤豐厚的服務(wù)，這相比傳統產(chǎn)生方式響應速度更快且排放物更少?！?/p>

為了充分開(kāi)發(fā)兆瓦／兆瓦時(shí)規模的能源存儲系統的潛力，我們需要建立一個(gè)靈活、快速的控制系統。以下為該系統的各種技術(shù)要求：　

電網(wǎng)內三相電壓和電流信息的精確高速測量　

自動(dòng)發(fā)電機控制的高級算法，包括多個(gè)逆變器／電池子系統之間的高速、同步響應　

從500 kW到幾兆瓦的可擴展性　

遍布全球的遠程數據訪(fǎng)問(wèn)，用于系統診斷和管理　

除了滿(mǎn)足這些技術(shù)要求之外，我們作為一個(gè)創(chuàng )新的小型私營(yíng)公司還曾不得不在短時(shí)期內憑借幾個(gè)工程師之力開(kāi)發(fā)和部署了我們的控制系統。
　
為了實(shí)現這些目標，我們設計了一個(gè)含有集中測量單元的分布式能源存儲系統，測量單元包含一個(gè)主控制器和多個(gè)配備遠程控制器節點(diǎn)的分布式逆變器／電池組。主控制器端是通過(guò)NI PXI控制器和多個(gè)R系列現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）以及擴展C系列模塊實(shí)現的。PXI系統測量電網(wǎng)電能，運行算法以確定電池組輸入輸出的能量流，并向分布式節點(diǎn)發(fā)送命令。它還將操作數據傳輸至主機托管的服務(wù)器，服務(wù)器將收到的數據記錄在SQL數據庫中，可以通過(guò)Web服務(wù)器進(jìn)行本地和遠程的數據訪(fǎng)問(wèn)。PXI系統發(fā)送控制命令，并與分布式逆變器／電池組交換實(shí)時(shí)數據?！?/p>

通過(guò)增加更多的逆變器／電池系統，我們可以將裝置規模從500 kW擴大至幾兆瓦?？刂葡到y反映了這種可擴性并且每個(gè)逆變器都有一個(gè)嵌入式NI Single－Board RIO控制器。NI Single－Board RIO控制器可通過(guò)以太網(wǎng)和自定義光纖連接與PXI系統進(jìn)行通信。以太網(wǎng)用戶(hù)數據報協(xié)議（UDP）用于大容量數據命令，而自定義光纖連接用于PXI機箱中FPGA R系列模塊和NI Single－Board RIO控制器上FPGA之間嚴格時(shí)序的直接通信。FPGA接口開(kāi)放性的特點(diǎn)，幫助我們創(chuàng )建了這個(gè)自定義且高性能實(shí)時(shí)通信鏈接，從而實(shí)現了分布式實(shí)時(shí)閉環(huán)控制?！?/p>

每個(gè)NI Single－Board RIO與一個(gè)完整的四象限變頻器相連，同步傳輸有功功率（瓦）和無(wú)功功率（伏安反應，或者'VARs'），從而使DPR同時(shí)提供多種服務(wù)。當電網(wǎng)中斷時(shí)，這些電力電子技術(shù)仍舊可以保持活躍，使低電壓和零電壓得以通過(guò)。變頻器可在不到15微秒的時(shí)間內寄存命令，并在不到1毫秒的時(shí)間內響應該命令。DPR可以在不到一秒鐘的時(shí)間內從完全額定充電（＋　MVA）狀態(tài)調整至完全額定放電（－MVA）狀態(tài)來(lái)響應控制信號。 NI Single－Board RIO還與一個(gè)電池健康系統進(jìn)行集成，該系統用于監控每個(gè)電池的充電狀態(tài)，運行分布式保護算法來(lái)管理電池?！?/p>

憑借NI硬件和LabVIEW系統設計軟件，對于FPGA和實(shí)時(shí)目標到用于用戶(hù)界面和診斷的PC，我們只需使用一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 NI圖形化系統設計方法幫助我們專(zhuān)注于我們的應用程序，而不是糾纏于底層的語(yǔ)法和實(shí)現細節。憑借高生產(chǎn)率的工具、快速原型設計和重復開(kāi)發(fā)的能力，我們的軟件投資只需要兩人年工作量就部署完成了復雜、可靠的系統，而如果使用ANSI C完成這些，我們估計需要一個(gè)團隊10年或更多的時(shí)間。我們憑借LabVIEW和NI嵌入式硬件建立了一個(gè)強大的系統，以滿(mǎn)足當今綠色能源的迫切需要。