储能逆变器测试平台设计和实现

李 春，陈国栋

（上海电气输配电集团技术中心 上海 200050）

0 引言

世界经济的快速发展让人们对于能源的需求越来越大，传统能源与温室效应的退步，对于人们所面临的环境问题越来越不利。在开发常规能源的同时，要更加注重新型的可再生能源的开发。新能源的开发成为当前的主要发展趋势。分布式发电技术应运而生，拥有良好的环保性和便捷性，可以让储能逆变器的设备得到国家的大力支持。同时，为了保证电能在输出方面的质量问题，促进设备的研发进程，对储能逆变器进行系统的测试和调试平台的开发显得尤为重要。

1 测试平台需求分析

1.1 储能逆变器

在智能电网的建设中，储能逆变器凭借自身的双向变流功能可以完成一些特殊的功能。作为一种双向变流器，不仅可以完成电网电能之间的能量传输，还可以完成储能电能之间的能量传输，适用于多种直流储能单元中。在直流储能单元中，储能逆变器可以快速完成分布式发电的功能，提高电网对于可再生能源电力的接纳。根据系统的特性，在负荷的低谷期，需要储存更多的发电量以备不时之需，在负荷的高峰期所释放的能量，可以有效提高电网的供电质量[1]。图1为储能逆变器在电网中的结构网络。

储能逆变器适用于大容量储能电池的充放电，在充放电系统应用时，可以实现双向流动，实现智能化、稳定性和安全性等优势。

在进行储能逆变器的整个开发过程中，利用示波器完成对电信号的全面检测，使用储能逆变器控制算法进行实际电信号量的研究所获取的量较少，利用示波器对大量的数据进行检测的过程中，多少会存在一些问题，虽然可以获取储能逆变器的电信号，但是经过传感器进行信号转换后，通过AD进行采集不一定保证采集量的正确性[2]。因此，为了确保系统的正常运行，对程序的变量进行观察非常有必要。在进行程序观测的过程中，使用断点观测的方式较多，在进行弱电电路的程序调试和应用时，断点观测是一种非常有效的调试方法，但是在大功率的设备调试中，断点观测无法更好地预知大功率设备的状态，容易引发短路故障，存在一定的安全隐患，对于工作人员的安全作业非常不利。通过调试软件可以让刷新功能得到保障的同时，提高安全隐患。在进行储能逆变器大功率设备的测试过程中，会遇到很多故障问题。发生故障后，如果没有及时保存算法的变量信息，将无法准确获取故障点的位置和原因。因此，在进行储能逆变器的测试和调试过程中，谐波含量的大小是测试的一个重要指标，可以实时获取储能逆变器的谐波含量，对于储能逆变器的测试非常重要。基于以上问题，开发储能逆变器测试软件平台十分有必要。

1.2 需求分析

储能逆变器测试软件平台的设计由人机交互测试平台和数据采集模块两部分组成，测试平台展示如图2所示[3]。

对于储能逆变器的传感器模块而言，完成信号的转换是一大亮点。通过获取AD小信号的数据，利用DSP控制器进行处理后通过以太网通信模块将数据发送到PC端。测试软件平台通过PC端口读取以太网中的数据信息，实现对数据的处理，并通过测试平台完成对数据结果的全面分析。

根据上述对于储能逆变器测试软件平台的总体设计，对其进行功能模块的需求分析：

（1）上下位机高速通信：传统的总线通信速率为460 800 bps[4]，为了提高通信的准确度，一般采取最多的是9 600 bps。CAN总线的通信速率为1 Mbps，与工业以太网的总线差距较大；传统总线的可靠性较低，采用CAN或者工业以太网方可满足通信传输稳定性的设计需求；由于上下位机数据的通信中，上位机一般使用PC，CAN总线进行上下位机通信时，需要通过接口卡进行数据处理，因此使用CAN的成本较高。

（2）后台数据处理：通过测试软件平台接收数据后完成对数据的处理，主要由储能逆变器的后台完成。

（3）数据显示与人机交互：储能逆变器测试软件平台的后台主要负责对数据进行处理，通过显示数据完成对数据的操作，并实现最终的人机交互。

2 测试平台结构及算法设计

2.1 总体结构

储能逆变器测试软件平台通过工业以太网获取数据后，需要对数据进行运算分析处理，在实现数据展示的同时，也可以根据用户的设置需求，对历史数据进行存储，测试平台的数据处理流程如图3所示。

在储能逆变器的测试软件平台开发时，采用三层结构体系，包括应用层、业务逻辑层和控制层，对软件中的各个层次任务进行分工处理，有助于软件的开发。

2.2 谐波检测算法

在电力系统中，基波频率为50 Hz，根据谐波次数的奇偶特性，在三相系统中，除非系统存在谐振，否则偶次谐波会被消除[5]，因此，在电力系统中，考虑奇次谐波最多。在电力系统中，产生谐波的因素很多，如发电厂设备、配电系统、其他用电设备等。其中，用电设备是产生谐波的主要因素，整流器设备更是产生谐波的主要来源。在电力系统中，谐波会加速器件的老化速度，影响设备的正常工作。经过多年的研究，谐波检测算法分为时域和频域两种，时域中基波同步、谐波同步为主要的旋转变换方法；频域中以离散傅立叶、快速离散傅立叶为主要变换方法。在本测试平台中，采用快速离散傅立叶作为主要算法，对数据进行分析和讨论。

基2FFT算法有时域抽取FFT和频域抽取法FFT两种，采用时域抽取FFT的方法，并根据奇偶关系进行抽选分解可以得到：

通过分解得到：

根据公式（2）和公式（3）得到蝶形信号流图符号，如图4所示。

在对谐波进行检测时，如果经常发生频谱泄露问题，将会严重影响到谐波检测的精度。此时可以通过加窗插值法实现对谐波精度的补偿，为了实现近似表达式的误差曲线，尽管数值很小，也可以通过插值算法得到较高的精度。近似表达式的误差曲线如图5所示。

插值公式的幅值和相位表达式为[6]：

其中，Xw(k)表示加窗后的离散频谱；Xw(kx)表示幅值最大谱线。

2.3 效率计算方法

在储能逆变器测试软件平台下，通过对储能逆变器进行效率计算后，得到交流功率和直流功率的计算方法，根据公式P=UI，完成对直流功率的计算。三相交流的储能逆变器在进行交流功率的计算过程较为复杂，因为交流功率需要实时获取储能逆变器的效率值，需要对三相交流的瞬时功率进行计算。基于此，在进行坐标变换分析过程中，可以以相电压为例，获得通用电压之间的关系，得到：

其中，U表示电压矢量；θ表示相位角。

在不同的坐标系下，计算三相交流瞬时功率的方法较多，以两相静止坐标系下的计算方法为例，得到：

储能逆变器在实际的使用中，根据自身的特有功能，不仅可以完成交流到直流的储能，还可以完成直流到交流的逆变。因为其具备的双向性特点，所以在进行计算的过程中需要先获取储能逆变器的运行情况。对于储能逆变器的计算，可以转变储能逆变器的输入功率和输出功率，通过直流功率的计算公式P=UI可以得到[7]：

当储能逆变器处于整流状态，需要对电池进行充电，此时的效率可以表示为直流功率与交流功率的比值；当储能逆变器处于逆变状态，需要对电池放电逆变，此时的效率表示为交流有功率与直流功率的比值，得到：

其中，PDC表示直流侧功率；PAC表示交流功率；Udc表示直流母线电压；Ldc表示直流母线电流；uα、uβ、iα、iβ表示坐标系下的电压矢量和电流矢量。

2.4 高速通信协议

在工业的控制系统中，经常使用的控制总线有CAN和工业以太网，CAN其自身独有的可靠性和灵活性，在电力领域得到了快速发展，并逐渐在工业控制领域中崭露头角。CAN总线的传输速率最高可以达到1 M时，会明显缩短传输距离，影响其可靠性，限制了自身的应用范围。储能逆变器的控制频率为9 K，如果使用CAN总线作为通信接口，在一个控制周期中，只能够完成111bit的数据交换。储能逆变器测试平台与自身的通信数据属于浮点型的数据，占用空间达到32 bit，因此在使用CAN总线时，储能逆变器的控制周期完成的浮点型数据交换的空间优先，会严重影响到储能逆变器测试软件平台在获取数据方面的真实性与实时性。

使用工业以太网进行通信接口，在进行数据交换时[8]，可以在一个控制周期内完成1 111 bit，数据量的交换空间大，为用户的使用数据预留充裕，因此使用10 Mbps的工业以太网进行数据处理时，可以让储能逆变器的每一个控制周期都可以完成24个浮点型的数据交换，对于测试平台在进行通信速率处理时有较好的优势。综合分析，在储能逆变器测试软件平台中使用工业以太网总线进行通信速率的处理得到的效果更好。

3 测试平台模块实现

3.1 数据采集模块

实现的过程为：电压电流传感器→信号调理电路→AD→DSP，通过传感器将强电信号转化为弱点信号，通过AD采集后利用以太网将数据发送到测试平台中。在本系统的设计中，数据采集模块主要通过AD公司旗下的8通道、16位的芯片AD7606，完成输入信号的采样，让所有的通道采集速率都可以达到200 kSPS。

3.2 以太网通信模块的实现

实现过程为：数据采集模块→DSP→RTL→储能逆变器测试软件平台。测试软件平台的数据传输利用工业以太网进行，将数据采集模块中的数据通过DSP传输到以太网的控制器中，以太网将其传输到测试平台中。上下位机的数据通信使用RTL8019AS进行通信，该控制器的电路简单，操作方便，通信速率高，可以满足该平台的设计需求。

3.3 谐波检测模块的实现

使用基-2FFT算法实现，通过蝶形运算，完成对FFT算法的谐波检测分析。

有效值计算模块的实现，在同等电阻上增加直流和交流，通过交通流量的周期，让直流和交流的热量相等，得到交通流量的有效值。根据交流有效值的计算，得到公式：

其中；Fdc为直流；Fac为交流；R为电阻；t1～t2为周期。

人机交互接口的实现，使用C++实现，该开发软件是一款面向对象的可视化开发平台，具有高效性、灵活性、速度快的优势。

4 结语

储能逆变器的测试软件平台设计，主要是针对储能逆变器而开发的一款测试软件，该软件也可以应用在其他的逆变器中进行调试。通过对谐波检测算法的分析，得到抑制频谱泄露的原理，对进一步提高测试平台的实时性具有显著作用。通过对各个模块的功能实现进行分析后得到，使用C++可以实现储能逆变器的测试软件平台设计，完成对谐波分析、检测、采集、计算、显示和保存等功能的分析，验证了该设计方案的可行性。