當(dāng)前隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力的需求量越來(lái)越大，能源和環(huán)保問(wèn)題日益增加，本著可持續(xù)發(fā)展的理念，對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電的投入不斷加大，可以預(yù)見(jiàn)風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電將成為未來(lái)電力系統(tǒng)的重要組成。變流器是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心設(shè)備，承擔(dān)電能雙向轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵角色。在充電時(shí)，將電網(wǎng)或新能源發(fā)電的交流電(AC)轉(zhuǎn)為直流電(DC)存儲(chǔ)于電池；放電時(shí)，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┴?fù)載使用。作為連接儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)/負(fù)荷的“橋梁”，變流器的性能直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。隨著全球風(fēng)力/光伏發(fā)電占比提升和電力系統(tǒng)靈活性需求激增，儲(chǔ)能變流器市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)。據(jù)GGIl數(shù)據(jù)，2023年全球儲(chǔ)能變流器出貨量超150GW，中國(guó)占比超60%，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模將突破千億元。

技術(shù)迭代上，光儲(chǔ)一體化、高壓級(jí)聯(lián)、構(gòu)網(wǎng)型等創(chuàng)新方案正成為行業(yè)焦點(diǎn)，推動(dòng)變流器從單一逆變功能向“智能電網(wǎng)調(diào)節(jié)器”升級(jí)。目前，世界上已有的柔性直流輸電工程廣泛采用的電壓型變流器多是兩電平換流器技術(shù)。由于兩電平換流器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低但其缺點(diǎn)也很突出：

1）單個(gè)閥需要串聯(lián)大量開(kāi)關(guān)器件，必然引起的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}；

2）由于電平數(shù)低，輸出諧波較大，需要配置交流濾波器抑制高頻諧波；

3）電壓等級(jí)較低，功率器件投切頻率很高，增大了開(kāi)關(guān)損耗，逆變效率低，不適用于高壓系統(tǒng)；

4）高階躍電壓導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重。正是因?yàn)楝F(xiàn)有的多電平變換器存在上述不可避免的缺點(diǎn)，模塊化多電平變流器(MMC)應(yīng)用而生。其優(yōu)點(diǎn)包括：

1）子模塊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)可提高換流器的額定電壓和容量，且交流側(cè)輸出電壓波形為多電平階梯波，諧波含量低；

2）橋功率器件數(shù)量與子模塊成正比，冗余特性好,電壓應(yīng)力低，等效的開(kāi)關(guān)頻率下，器件的開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗小；3）無(wú)需濾波器和變壓器。

▲模塊化多電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由MMC結(jié)構(gòu)可知，相對(duì)于傳統(tǒng)變流器，MMC橋臂子模塊內(nèi)含有大量的儲(chǔ)能元件，需要監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)數(shù)量眾多。當(dāng)級(jí)聯(lián)子模塊數(shù)目達(dá)成幾十個(gè)甚至上百個(gè)時(shí)，單個(gè)控制器由于運(yùn)算速度與引腳數(shù)目有限，難以處理MMC的控制問(wèn)題,需要用多控制器協(xié)調(diào)控制的方法實(shí)現(xiàn)控制策略，同時(shí)需要可靠、高速、大容量的通信方式將控制器連接起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，造成多個(gè)控制器之間的協(xié)調(diào)控制難度增大。傳統(tǒng)的CAN通訊或RS485通訊傳輸速率較慢，可靠性較低，導(dǎo)致各子模塊之間信號(hào)同步性較差，難以滿足多個(gè)控制器之間協(xié)調(diào)運(yùn)行及高速可靠地通訊要求，且子模塊個(gè)數(shù)的增加會(huì)同時(shí)帶來(lái)光纖使用量的倍數(shù)增長(zhǎng)，使得整個(gè)系統(tǒng)子模塊板總體成本大大增加，同時(shí)也增加了PCB制板成本及MMC裝置的空間成本。EtherCAT是由德國(guó)倍福自動(dòng)化公司于2003年提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。EtherCAT通信技術(shù)具有突出的實(shí)時(shí)性、靈活性以及同步性等優(yōu)點(diǎn)，與模塊化多電平變換器的子模塊多、子模塊同步難、系統(tǒng)控制復(fù)雜、通信實(shí)時(shí)性要求高等難點(diǎn)完美的契合。實(shí)現(xiàn)基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的的MMC控制系統(tǒng)，為解決上述問(wèn)題提供全新方案。該系統(tǒng)PLC主控制器與各從站控制器間通過(guò)EtherCAT數(shù)據(jù)幀進(jìn)行通信，相比于傳統(tǒng)CAN通信等模式，極大地提高了主從站間的傳輸速率及可靠性，可以精確地保證從站單元控制器間的載波信號(hào)同步，增強(qiáng)模塊化級(jí)聯(lián)的可擴(kuò)展性。

01

EtherCAT的模塊化多電平變流器控制系統(tǒng)

基于EtherCAT的模塊化多電平變流器的系統(tǒng)控制包括監(jiān)控站、主站PLC、從站控制器。

▲基于EtherCAT的MMC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控站與主控制器進(jìn)行通信，具體功能如下：實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)下發(fā)和指令下達(dá)、監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控站采用PC，使用人機(jī)交互界面，基于TwinCAT軟件實(shí)現(xiàn)PLC的控制，該軟件的優(yōu)勢(shì)在于可利用其自帶的TwinCAT scope2功能模擬示波器，對(duì)程序中出現(xiàn)的任意變量實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)記錄與分析。主站控制器為PLC，具有以下功能：通過(guò)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)與6個(gè)從站控制器通信，接收從站控制器上傳的6個(gè)橋臂電流、直流側(cè)電壓、三相輸出電壓和電流以及各個(gè)子模塊電容電壓，并下發(fā)相應(yīng)橋臂調(diào)制波信號(hào)給從站控制器。主控制器是整個(gè)MMC 系統(tǒng)的運(yùn)算及控制核心，主要實(shí)現(xiàn)MMC的外功率環(huán)、內(nèi)電流環(huán)和環(huán)流抑制控制，并生成調(diào)制波下發(fā)給各個(gè)從站控制器。從站控制器基于EtherCAT從站控制器（ESC）和DSP芯片組成的EtherCAT從站設(shè)備，主要功能如下：通過(guò)AD模塊采集三相MMC上下橋臂電流、直流側(cè)電壓、三相輸出電壓和電流并上傳給主站PLC；接收主站發(fā)過(guò)來(lái)的相應(yīng)橋臂調(diào)制波信號(hào)，同時(shí)接收子模塊上傳的電容電壓、電容電流及故障信號(hào)，并產(chǎn)生PWM信號(hào)下發(fā)給相應(yīng)子模塊。從站控制器負(fù)責(zé) MMC系統(tǒng)的調(diào)制控制和電容電壓均衡控制。需要指出的是EtherCAT從站設(shè)備一共有6塊，為了節(jié)約資源，每塊負(fù)責(zé)4個(gè)子模塊即一個(gè)橋臂的信號(hào)處理。未來(lái)如果要擴(kuò)展電平數(shù)，可以選擇每塊EtherCAT從站設(shè)備控制的子模塊個(gè)數(shù)小于或等于4，最終滿足每個(gè)橋臂子模塊級(jí)聯(lián)的數(shù)量除以每個(gè)杯臂從站控制器個(gè)數(shù)剛好等于整數(shù)即可，這樣既節(jié)約了成本，又增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性。

02

基于EtherCAT的模塊化多電平變流器從站系統(tǒng)

DSP控制板和從站控制器芯片共同構(gòu)成了EtherCAT 從站，該從站包括電壓電流采樣電路、故障檢測(cè)電路、保護(hù)動(dòng)作電路、PWM發(fā)生電路，這些硬件電路組合共同完成了變流器從站所需實(shí)現(xiàn)的功能。

▲基于EtherCAT的MMC從站功能示意圖

從站控制微處理器DSP的主要功能是完成EtherCAT 從站系統(tǒng)的控制功能。EtherCAT從站控制器 ESC 的主要功能是處理 EtherCAT 數(shù)據(jù)幀，幫助主站和DSP完成相應(yīng)的信息交換，EtherCAT 主站和從站在建立完?duì)顟B(tài)機(jī)以后進(jìn)入正常的本地?cái)?shù)據(jù)交換時(shí)，交換的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在 ESC內(nèi)部一個(gè)固定的存儲(chǔ)空間里。同時(shí)DSP會(huì)專(zhuān)門(mén)劃分出一段存儲(chǔ)區(qū)與其相映射，以便于DSP提取相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)操作。

03

碼靈半導(dǎo)體MMC控制系統(tǒng)EtherCAT通信解決方案

EtherCAT從站的核心部分是EtherCAT從站控制器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列芯片是為實(shí)現(xiàn) EtherCAT 從站設(shè)計(jì)的提供了一款經(jīng)濟(jì)高效且緊湊的從站芯片。碼靈半導(dǎo)體CF110x系列有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，可以作為一個(gè)使用分布式時(shí)鐘的沒(méi)有外部邏輯的最多32位數(shù)字IO 節(jié)點(diǎn)使用，也可以作為一個(gè)具有最多3個(gè)EtherCAT通信端口的微控制器的一部分使用。CF110x系列芯片的封裝(QFN)尺寸小，最大尺寸為 12mmx12mm，最小尺寸僅為9mmx9mm，且僅需少量的外部電路就能組成最小工作系統(tǒng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)從站控制系統(tǒng)體積可以設(shè)計(jì)得非常緊湊。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

雖然碼靈半導(dǎo)體CF110x系列從站專(zhuān)用芯片體積較小，但內(nèi)部資源十分豐富。包含8個(gè)FMMU(現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元)，8個(gè)SyncManager(同步管理器)，8KB的DPRAM(雙端口RAM)用于存放數(shù)據(jù)。支持三種 PDI(過(guò)程數(shù)據(jù)接口)接口：32位 Digital I/O、SPI 從站接口、8/16位異步微控制器接口（μC8/16），其中SPI號(hào)μC8/16方式用于連接外部微處理器，組成復(fù)雜EtherCAT從站。支持64位分布時(shí)鐘，分布時(shí)鐘引腳與微處理器（MCU/DSP）的中斷引腳連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)從站控制任務(wù)與輸入采樣的同步。通過(guò)I2C接口連接EEPROM存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)從站設(shè)備描述信息。此外CF110x系列最多支持3個(gè)通信端口，內(nèi)部集成了兩個(gè)以太網(wǎng)PHY 芯片，每個(gè)以太網(wǎng)PHY芯片均包含一個(gè)全雙工100BASE-TX收發(fā)器支持，支持100Mbps工作速率，兼容快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)外部光纖收發(fā)器實(shí)現(xiàn) 100BASE-FX。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，碼靈半導(dǎo)體CF110x系列內(nèi)部集成了兩個(gè)以太網(wǎng)PHY芯片，有利于系統(tǒng)高度集成，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，更簡(jiǎn)潔布線更容易。此外，與其它EtherCAT從站控制芯片相比，碼靈半導(dǎo)體CF110x系列價(jià)格更低，在后期產(chǎn)品成本控制上，具有更大優(yōu)勢(shì)，可以提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片

結(jié)構(gòu)框圖基于EtherCAT的模塊化多電平變流器控制系統(tǒng)能有效地降低系統(tǒng)控制復(fù)雜度，提高了主從站間的傳輸速率及可靠性，同時(shí)利用其分布時(shí)鐘功能使從站控制器間載波信號(hào)得到精確同步，增強(qiáng)了MMC 模塊化級(jí)聯(lián)的可擴(kuò)展性。碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片為模塊化多電平變流器控制系統(tǒng)EtherCAT通信帶來(lái)高效、緊湊、高性價(jià)比的全新解決方案。