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圖1: 逆變器機箱內(nèi)配備嵌入式NI Single-Board RIO
“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(shè)備構(gòu)建集中式的PXI系統(tǒng)，連續(xù)測量能源電網(wǎng)的電能和電能質(zhì)量，并通過控制功率轉(zhuǎn)換器和儲電單元網(wǎng)絡(luò)來管理能量流
Xtreme Power（XP）設(shè)計、建造、生產(chǎn)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(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(wù)，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(shè)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(shè)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(chǔ)設(shè)施搭配使用。
通過輸電網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)可以了解DPR的作用。 在任何時候，流入電網(wǎng)的電量（又稱供應或生成）必須等于流出電網(wǎng)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(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)模應用的風力發(fā)電和太陽能光伏（PV）的日益普及，電網(wǎng)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(chǎn)可變性，能夠在非高峰時間或?qū)δ茉葱枨蟮偷臅r候生產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)生過程中的不平衡狀況提供快速響應。 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)的可靠性會較差，而這些服務(wù)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(wù)，這相比傳統(tǒng)產(chǎn)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(shù)要求：
電網(wǎng)內(nèi)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(shù)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(nèi)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(shè)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(wǎng)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(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(wǎng)和自定義光纖連接與PXI系統(tǒng)進行通信。 以太網(wǎng)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(wù)。 當電網(wǎng)中斷時，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微秒的時間內(nèi)寄存命令，并在不到1毫秒的時間內(nèi)響應該命令。DPR可以在不到一秒鐘的時間內(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。
憑借NI硬件和LabVIEW系統(tǒng)設(shè)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(fā)環(huán)境。 NI圖形化系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)細節(jié)。 憑借高生產(chǎn)率的工具、快速原型設(shè)計和重復開發(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雜、可靠的系統(tǒng) ， 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(tǒng)，以滿足當今綠色能源的迫切需要。
圖2：XP能量存儲系統(tǒng)幫助整合可再生能源，其中包括夏威夷風電場的能量
圖3：XP能源系統(tǒng)的分布式架構(gòu)具備可擴展性，通過增加更多的電池/逆變器單元可將規(guī)模擴展至多兆瓦/兆瓦時
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