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圖1: 逆變器機(jī)箱內(nèi)配備嵌入式NI Single-Board RIO
“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(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。”
– Richard Jennings, Xtreme Power
挑戰(zhàn)：
創(chuàng)建一個(gè)可擴(kuò)展的控制系統(tǒng)來(lái)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NI Single-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(guò)控制功率轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)電單元網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理能量流
Xtreme Power（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(lái)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XP PowerCells、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(guò)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(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(diào)節(jié)輸出功率來(lái)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(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(fù)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?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(wú)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(guò)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(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(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(kāi)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500 kW到幾兆瓦的可擴(kuò)展性
遍布全球的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)，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(kāi)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(guò)NI PXI控制器和多個(gè)R系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(kù)中，可以通過(guò)Web服務(wù)器進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。 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(guò)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(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(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FPGA R系列模塊和NI Single-Board RIO控制器上FPGA之間嚴(yán)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(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。
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(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(guò)。 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(lái)響應(yīng)控制信號(hào)。 NI Single-Board RIO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(lái)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(kāi)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(yǔ)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(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(fù)雜、可靠的系統(tǒng) ， 而如果使用ANSI C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(guò)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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