時(shí)間:2012-05-15 14:45:16來源:gengwt
“FPGA接口開放性的特點(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(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。”
–RichardJennings,XtremePower
挑戰(zhàn):
創(chuàng)建一個(gè)可擴(kuò)展的控制系統(tǒng)來管理兆瓦級(jí)規(guī)模的能源儲(chǔ)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NISingle-Board設(shè)備構(gòu)建集中式的PXI系統(tǒng),連續(xù)測(cè)量能源電網(wǎng)的電能和電能質(zhì)量,并通過控制功率轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)電單元網(wǎng)絡(luò)來管理能量流
圖1:逆變器機(jī)箱內(nèi)配備嵌入式NISingle-BoardRIO,
用于本地控制并通過光纖網(wǎng)絡(luò)與中央PXI系統(tǒng)進(jìn)行通信。
XtremePower(XP)設(shè)計(jì)、建造、生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)了綜合性能源存儲(chǔ)和電源管理系統(tǒng),并稱之為動(dòng)態(tài)電力資源(DPR),為獨(dú)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)終端用戶提供服務(wù)。DPR系統(tǒng)可以時(shí)移電能,并能使用快速響應(yīng)和可配置的數(shù)字系統(tǒng)來同時(shí)執(zhí)行能源市場(chǎng)需求的多個(gè)輔助服務(wù),包括VAR補(bǔ)償、提前固定日的計(jì)劃、頻率響應(yīng)和梯度控件/平滑。
DPR由安全且高效的XPPowerCells、高性能的電力電子設(shè)備和可配置控制系統(tǒng)組成,每個(gè)組件的大小都根據(jù)每個(gè)客戶各自的電力和能源需求而設(shè)計(jì)。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(tǒng),該系統(tǒng)可與客戶現(xiàn)有或計(jì)劃的基礎(chǔ)設(shè)施搭配使用。
通過輸電網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)可以了解DPR的作用。在任何時(shí)候,流入電網(wǎng)的電量(又稱供應(yīng)或生成)必須等于流出電網(wǎng)的電量(又稱需求或負(fù)載)。過去,這都是由控制幾個(gè)大型、集中的發(fā)電所來管理的。這些發(fā)電所通過調(diào)節(jié)輸出功率來平衡電網(wǎng)的供需。
隨著新技術(shù)包括大規(guī)模應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏(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(fù)雜。風(fēng)能和太陽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?qū)δ茉葱枨蟮偷臅r(shí)候生產(chǎn)電能。能源儲(chǔ)存系統(tǒng)可以合并作為一個(gè)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(chǔ)存系統(tǒng)可以快速響應(yīng)電網(wǎng)的變化,以幫助減輕諧頻或電感負(fù)載所引起的不穩(wěn)定狀況,并為需求和產(chǎn)生過程中的不平衡狀況提供快速響應(yīng)。這些技術(shù)支持目前只由化石燃料生產(chǎn)提供,并統(tǒng)稱為輔助服務(wù)。如果沒有這些服務(wù),電網(wǎng)的可靠性會(huì)較差,而這些服務(wù)的重要性必須通過更高的市場(chǎng)價(jià)值來體現(xiàn)。安裝DPR就可以提供這些利潤(rùn)豐厚的服務(wù),這相比傳統(tǒng)產(chǎn)生方式響應(yīng)速度更快且排放物更少。
為了充分開發(fā)兆瓦/兆瓦時(shí)規(guī)模的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的潛力,我們需要建立一個(gè)靈活、快速的控制系統(tǒng)。以下為該系統(tǒng)的各種技術(shù)要求:
電網(wǎng)內(nèi)三相電壓和電流信息的精確高速測(cè)量
自動(dòng)發(fā)電機(jī)控制的高級(jí)算法,包括多個(gè)逆變器/電池子系統(tǒng)之間的高速、同步響應(yīng)
從500kW到幾兆瓦的可擴(kuò)展性
遍布全球的遠(yuǎn)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(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(nèi)憑借幾個(gè)工程師之力開發(fā)和部署了我們的控制系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)含有集中測(cè)量單元的分布式能源存儲(chǔ)系統(tǒng),測(cè)量單元包含一個(gè)主控制器和多個(gè)配備遠(yuǎn)程控制器節(jié)點(diǎn)的分布式逆變器/電池組。主控制器端是通過NIPXI控制器和多個(gè)R系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)以及擴(kuò)展C系列模塊實(shí)現(xiàn)的。PXI系統(tǒng)測(cè)量電網(wǎng)電能,運(yùn)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(diǎn)發(fā)送命令。它還將操作數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)托管的服務(wù)器,服務(wù)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(wù)器進(jìn)行本地和遠(yuǎn)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(shí)時(shí)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500kW擴(kuò)大至幾兆瓦。控制系統(tǒng)反映了這種可擴(kuò)性并且每個(gè)逆變器都有一個(gè)嵌入式NISingle-BoardRIO控制器。NISingle-BoardRIO控制器可通過以太網(wǎng)和自定義光纖連接與PXI系統(tǒng)進(jìn)行通信。以太網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)箱中FPGAR系列模塊和NISingle-BoardRIO控制器上FPGA之間嚴(yán)格時(shí)序的直接通信。FPGA接口開放性的特點(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(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。
每個(gè)NISingle-BoardRIO與一個(gè)完整的四象限變頻器相連,同步傳輸有功功率(瓦)和無功功率(伏安反應(yīng),或者‘VARs’),從而使DPR同時(shí)提供多種服務(wù)。當(dāng)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。變頻器可在不到15微秒的時(shí)間內(nèi)寄存命令,并在不到1毫秒的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)該命令。DPR可以在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)從完全額定充電(+MVA)狀態(tài)調(diào)整至完全額定放電(-MVA)狀態(tài)來響應(yīng)控制信號(hào)。NISingle-BoardRIO還與一個(gè)電池健康系統(tǒng)進(jìn)行集成,該系統(tǒng)用于監(jiān)控每個(gè)電池的充電狀態(tài),運(yùn)行分布式保護(hù)算法來管理電池。
憑借NI硬件和LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,對(duì)于FPGA和實(shí)時(shí)目標(biāo)到用于用戶界面和診斷的PC,我們只需使用一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境。NI圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法幫助我們專注于我們的應(yīng)用程序,而不是糾纏于底層的語法和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。憑借高生產(chǎn)率的工具、快速原型設(shè)計(jì)和重復(fù)開發(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(fù)雜、可靠的系統(tǒng),而如果使用ANSIC完成這些,我們估計(jì)需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(qiáng)大的系統(tǒng),以滿足當(dāng)今綠色能源的迫切需要。
圖2:XP能量存儲(chǔ)系統(tǒng)幫助整合可再生能源,其中包括 夏威夷風(fēng)電場(chǎng)的能量
圖3:XP能源系統(tǒng)的分布式架構(gòu)具備可擴(kuò)展性,通過增加更多的電池/逆變器單元可將規(guī)模擴(kuò)展至多兆瓦/兆瓦時(shí)
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