NI提供行業領先的逆變器控制器解決方案

–Richard Jennings,Xtreme Power

挑戰：
創建一個可擴展的控制系統來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，并稱之為動態電力資源（DPR），為獨立電力生產商、傳輸和分配公用事業單位以及商業和工業終端用戶提供服務。DPR系統可以時移電能，并能使用快速響應和可配置的數字系統來同時執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組成，每個組件的大小都根據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，該系統可與客戶現有或計劃的基礎設施搭配使用。

        通過輸電網絡的細節可以了解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、集中的發電所來管理的。 這些發電所通過調節輸出功率來平衡電網的供需。

         隨著新技術包括大規模應用的風力發電和太陽能光伏（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。 能源儲存系統可以合并作為一個供需的緩沖區，最大限度地提高可再生能源的潛力并確保電能的無縫輸送。

         此外，能源儲存系統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。 安裝DPR就可以提供這些利潤豐厚的服務，這相比傳統產生方式響應速度更快且排放物更少。

        為了充分開發兆瓦/兆瓦時規模的能源存儲系統的潛力，我們需要建立一個靈活、快速的控制系統。 以下為該系統的各種技術要求：

·         電網內三相電壓和電流信息的精確高速測量 

·         自動發電機控制的高級算法，包括多個逆變器/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問，用于系統診斷和管理 

        除了滿足這些技術要求之外，我們作為一個創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和部署了我們的控制系統。

         為了實現這些目標，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，測量單元包含一個主控制器和多個配備遠程控制器節點的分布式逆變器/電池組。 主控制器端是通過NI PXI控制器和多個R系列現場可編程門陣列(FPGA)以及擴展C系列模塊實現的。PXI系統測量電網電能，運行算法以確定電池組輸入輸出的能量流，并向分布式節點發送命令。 它還將操作數據傳輸至主機托管的服務器，服務器將收到的數據記錄在SQL數據庫中，可以通過Web服務器進行本地和遠程的數據訪問。 PXI系統發送控制命令，并與分布式逆變器/電池組交換實時數據。

        通過增加更多的逆變器/電池系統，我們可以將裝置規模從500 kW擴大至幾兆瓦。 控制系統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系統進行通信。 以太網用戶數據報協議（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之間嚴格時序的直接通信。FPGA接口開放性的特點，幫助我們創建了這個自定義且高性能實時通信鏈接，從而實現了分布式實時閉環控制。

        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）狀態調整至完全額定放電（-MVA）狀態來響應控制信號。NI Single-Board RIO還與一個電池健康系統進行集成，該系統用于監控每個電池的充電狀態，運行分布式保護算法來管理電池。

         憑借NI硬件和LabVIEW系統設計軟件，對于FPGA和實時目標到用于用戶界面和診斷的PC，我們只需使用一個集成開發環境。NI圖形化系統設計方法幫助我們專注于我們的應用程序，而不是糾纏于底層的語法和實現細節。 憑借高生產率的工具、快速原型設計和重復開發的能力，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，我們估計需要一個團隊10年或更多的時間。 我們憑借LabVIEW和NI嵌入式硬件建立了一個強大的系統，以滿足當今綠色能源的迫切需要。

Figure 2: The XP energy storage systems help enable the integration of renewable energy sources including energy from this wind farm in Hawaii