“FPGA接口開放性的特點幫助我們創(chuàng)建了自定義且高性能的實時通信鏈接，從而實現(xiàn)了分布式實時閉環(huán)控制。”

– Richard Jennings, Xtreme Power

挑戰(zhàn)：
    創(chuàng)建一個可擴展的控制系統(tǒng)來管理兆瓦級規(guī)模的能源儲存并提供數(shù)字電力管理系統(tǒng)。

 

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(tǒng)，連續(xù)測量能源電網的電能和電能質量，并通過控制功率轉換器和儲電單元網絡來管理能量流

作者：Richard Jennings - Xtreme Power

圖1: 逆變器機箱內配備嵌入式NI Single-Board RIO，

用于本地控制并通過光纖網絡與中央PXI系統(tǒng)進行通信。

    Xtreme Power（XP）設計、建造、生產和運營了綜合性能源存儲和電源管理系統(tǒng)，并稱之為動態(tài)電力資源（DPR），為獨立電力生產商、傳輸和分配公用事業(yè)單位以及商業(yè)和工業(yè)終端用戶提供服務。 DPR系統(tǒng)可以時移電能，并能使用快速響應和可配置的數(shù)字系統(tǒng)來同時執(zhí)行能源市場需求的多個輔助服務，包括VAR補償、提前固定日的計劃、頻率響應和梯度控件/平滑。    

    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(tǒng)組成，每個組件的大小都根據(jù)每個客戶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大型、實際可用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與客戶現(xiàn)有或計劃的基礎設施搭配使用。

    通過輸電網絡的細節(jié)可以了解DPR的作用。 在任何時候，流入電網的電量（又稱供應或生成）必須等于流出電網的電量（又稱需求或負載）。  過去，這都是由控制幾個大型、集中的發(fā)電所來管理的。  這些發(fā)電所通過調節(jié)輸出功率來平衡電網的供需。

    隨著新技術包括大規(guī)模應用的風力發(fā)電和太陽能光伏（PV）的日益普及，電網方程（實時供給=實時需求）變得更為復雜。  風能和太陽能等可再生能源都引入了生產可變性，能夠在非高峰時間或對能源需求低的時候生產電能。  能源儲存系統(tǒng)可以合并作為一個供需的緩沖區(qū)，最大限度地提高可再生能源的潛力并確保電能的無縫輸送。

    此外，能源儲存系統(tǒng)可以快速響應電網的變化，以幫助減輕諧頻或電感負載所引起的不穩(wěn)定狀況，并為需求和產生過程中的不平衡狀況提供快速響應。  這些技術支持目前只由化石燃料生產提供，并統(tǒng)稱為輔助服務。  如果沒有這些服務，電網的可靠性會較差，而這些服務的重要性必須通過更高的市場價值來體現(xiàn)。  安裝DPR就可以提供這些利潤豐厚的服務，這相比傳統(tǒng)產生方式響應速度更快且排放物更少。

    為了充分開發(fā)兆瓦/兆瓦時規(guī)模的能源存儲系統(tǒng)的潛力，我們需要建立一個靈活、快速的控制系統(tǒng)。  以下為該系統(tǒng)的各種技術要求：

·          電網內三相電壓和電流信息的精確高速測量 

·          自動發(fā)電機控制的高級算法，包括多個逆變器/電池子系統(tǒng)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(shù)據(jù)訪問，用于系統(tǒng)診斷和管理 

    除了滿足這些技術要求之外，我們作為一個創(chuàng)新的小型私營公司還曾不得不在短時期內憑借幾個工程師之力開發(fā)和部署了我們的控制系統(tǒng)。

    為了實現(xiàn)這些目標，我們設計了一個含有集中測量單元的分布式能源存儲系統(tǒng)，測量單元包含一個主控制器和多個配備遠程控制器節(jié)點的分布式逆變器/電池組。  主控制器端是通過NI PXI控制器和多個R系列現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以及擴展C系列模塊實現(xiàn)的。 PXI系統(tǒng)測量電網電能，運行算法以確定電池組輸入輸出的能量流，并向分布式節(jié)點發(fā)送命令。  它還將操作數(shù)據(jù)傳輸至主機托管的服務器，服務器將收到的數(shù)據(jù)記錄在SQL數(shù)據(jù)庫中，可以通過Web服務器進行本地和遠程的數(shù)據(jù)訪問。  PXI系統(tǒng)發(fā)送控制命令，并與分布式逆變器/電池組交換實時數(shù)據(jù)。

    通過增加更多的逆變器/電池系統(tǒng)，我們可以將裝置規(guī)模從500 kW擴大至幾兆瓦。  控制系統(tǒng)反映了這種可擴性并且每個逆變器都有一個嵌入式NI Single-Board RIO控制器。  NI Single-Board RIO控制器可通過以太網和自定義光纖連接與PXI系統(tǒng)進行通信。  以太網用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）用于大容量數(shù)據(jù)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之間嚴格時序的直接通信。 FPGA接口開放性的特點，幫助我們創(chuàng)建了這個自定義且高性能實時通信鏈接，從而實現(xiàn)了分布式實時閉環(huán)控制。

    每個NI Single-Board RIO與一個完整的四象限變頻器相連，同步傳輸有功功率（瓦）和無功功率（伏安反應，或者‘VARs’），從而使DPR同時提供多種服務。  當電網中斷時，這些電力電子技術仍舊可以保持活躍，使低電壓和零電壓得以通過。  變頻器可在不到15微秒的時間內寄存命令，并在不到1毫秒的時間內響應該命令。DPR可以在不到一秒鐘的時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)來響應控制信號。 NI Single-Board RIO還與一個電池健康系統(tǒng)進行集成，該系統(tǒng)用于監(jiān)控每個電池的充電狀態(tài)，運行分布式保護算法來管理電池。