一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，包括核心控制CPU和功率單元，所述功率單元的數量至少為一個，所述核心控制CPU采用powerPC處理器，所述功率單元包括依次信號連接的信號采集單元、核心計算單元、PWM單元、驅動單元和輸出單元。有益效果：本發明所述的基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，功率單元模組化，控制核心模塊化，配合EtherCAT內部總線，實現不同容量的風電變流器的可能性大大提高，真正實現開發一次，即可適應行業內不同的應用需求，為其他系統的二次開發提供了良好的開發平臺，大大縮短了新產品的開發周期，同時降低了人力物力成本。
【專利說明】
一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統
技術領域
[0001]本發明屬于風電系統領域，尤其是涉及一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，新能源行業逐漸的得到了重視，由于不用地點對風電機組容量的要求也不相同，內蒙古草原，微電網項目對風電機組的容量需求較小；海上風電，以及風資源較豐富，人煙稀少的西北風電場則對單臺的容量要求較大。
[0003]目前風力發電行業內應對這種不同需求采用的一貫辦法為，客戶需求多大的風機，就設計多大的變流系統;客戶有十幾種容量需求，就設計十幾種容量的風力變流系統，在成本和備品備件等方面都有很大的浪費。
【發明內容】
[0004]有鑒于此，本發明旨在提出一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，以解決大功率風電變流器因需求容量不同，不能統一設計和制作造成的時間、原材料等成本浪費的問題。
[0005]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0006]—種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，包括核心控制CPU和功率單元，所述功率單元的數量至少為一個，所述核心控制CPU分別通過EtherNET通信協議和CANopen通信協議與外界的SCADA和主控系統PLC進行通信，所述核心控制CPU通過EtherCAT通信協議與各個所述功率單元進行通信，完成整個變流系統的閉環控制，所述核心控制CPU采用PowerPC處理器，所述功率單元包括依次信號連接的信號采集單元、核心計算單元、PWM單元、驅動單元和輸出單元。
[0007]進一步的，所述核心控制CPU采用PowerPC處理器中的P2020芯片，所述P2020芯片的SPI引腳經過SPI轉CAN芯片后連接至CAN驅動芯片，所述P2020芯片的Etsec3引腳經PHY芯片后通過EtherNET通信協議與外界連接，所述P2020芯片的引腳Etsec2和引腳Etsecl各經一個PHY芯片后通過EtherCAT通信協議與外界連接，所述P2020芯片的引腳DUART經UARTO連接至RS485驅動電路，所述P2020芯片的引腳DUART經UARTl連接至SCI/RS485驅動電路。
[0008]進一步的，所述信號采集單元包括電壓傳感器、電流傳感器和A/D轉換芯片，所述電壓傳感器、電流傳感器均與所述A/D轉換芯片信號連接。
[0009]進一步的，所述風電變流系統的主站采用飛思卡爾的PowerPC和RTlinux操作系統。
[0010]進一步的，所述EtherCAT的最小循環周期為200US。
[0011]相對于現有技術，本發明所述的基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統具有以下優勢:
[0012](I)本發明所述的基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，開發單臺小功率變流器單元，并通過EtherCAT通信技術完成控制側組網，實現多個變流器單元協同工作，針對不同應用場合，特別是海上風力發電機組的應用，對功率進行靈活組合，完成變流系統的搭建，從而實現大容量的“單”臺大功率變流系統的運行，真正實現開發一次，即可適應行業內不同的應用需求，為其他系統的二次開發提供良好的開發平臺，大大縮短了新產品的開發周期。
[0013](2)本發明所述的基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，功率單元模組化，控制核心模塊化，配合EtherCAT內部總線，實現不同容量的風電變流器的可能性大大提高，同時減少人力物力的成本。
[0014](3)本發明所述的基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，采用的PowerPC處理器能夠在極低和超高溫的情況下啟動并運行，采用RTLinux操作系統，通過對操作系統內核部分的改造，可以實現直接對底層硬件高實時性改造，更加方便實用。
【附圖說明】
[0015]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0016]圖1為本發明實施例所述的基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統拓撲圖；
[0017]圖2為本發明實施例所述的PowerPC處理器的硬件結構示意圖；
[0018]圖3為本發明實施例所述的PowerPC處理器的軟件架構示意圖；
[0019]圖4為本發明實施例所述的功率單元組成框圖。
[0020]附圖標記說明:
【具體實施方式】
[0021]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0022]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0023]在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0024]下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
[0025 ] 一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，如圖1至圖4所示，
[0026]包括核心控制CHJ和功率單元，所述功率單元的數量至少為一個，所述核心控制CHJ分別通過EtherNET通信協議和CANopen通信協議與外界的SCADA和主控系統PLC進行通信，所述核心控制CHJ通過EtherCAT通信協議與各個所述功率單元進行通信，完成整個變流系統的閉環控制，所述核心控制CPU采用PowerPC處理器，所述功率單元包括依次信號連接的信號采集單元、核心計算單元、PffM單元、驅動單元和輸出單元。
[0027]所述核心控制CPU采用PowerPC處理器中的P2020芯片，所述P2020芯片的SPI引腳依次經過SPI轉CAN芯片和CAN驅動芯片后連接至DB9，所述P2020芯片的Etsec3引腳經PHY芯片后通過EtherNET通信協議連接至RJ45，所述P2020芯片的引腳Etsec2和引腳Etsecl各經一個PHY芯片后通過EtherCAT通信協議各連接至一個光纖模塊，所述P2020芯片的引腳DUART經UARTO和RS485驅動電路后連接至DB9，所述P2020芯片的引腳DUART經UARTl和SCI/RS485驅動電路后連接至光纖頭/DB9，所述P2020芯片的引腳SD/MMC連接至SD接口，所述P2020芯片的引腳USB2.0連接至USB接口，所述P2020芯片的引腳MiniPCIE連接至MiniPCIE接口，所述P2020芯片的引腳Local BUS連接至FLASH，所述P2020芯片的引腳DDR3連接至RAM，所述P2020芯片的引腳I2C連接至RTC，所述P2020芯片的引腳還設置JTAG接口。
[0028]所述信號采集單元包括電壓傳感器、電流傳感器和A/D轉換芯片，所述電壓傳感器、電流傳感器均與所述A/D轉換芯片信號連接，電壓傳感器和電流傳感器采集標準的4?20mA的工業傳感器信號，經過A/D轉換芯片轉換，完成模擬量對數字量的轉換。數字量輸入核心計算單元后進行快速計算，并通過EtherCAT進行數據交換，最終得到一個高同步的PWM信號輸出給驅動單元，并由驅動單元完成對輸出單元的控制。
[0029]所述風電變流系統的主站采用飛思卡爾的PowerPC和Rtlinux操作系統，采用的PowerPC處理器能在極低和超高溫的惡劣溫度情況下啟動并運行。采用的RTLinux操作系統，其優點在于代碼開源，通過對操作系統內核部分的改造，可以實現直接對底層硬件高實時性改造，并通過實時核完成對EtherCAT協議棧的強力支撐。通過對內核的裁剪、倍頻等優化工作，使EtherCAT的最小循環周期在200us運行，滿足了功率單元的協同配合，確保了閉環控制的周期。
[0030]所述P2020芯片的軟件架構包括應用部分、控制部分和硬件部分，所述應用部分通過基于EtherCAT通信協議的界面與控制部分連接，所述控制部分經過數據實時轉換系統驅動硬件部分并連接至基于EtherCAT通信協議的網卡。所述應用部分包括Code tooKSSHServer、GDB Server、WEB Server和CanOpen接口，所述控制部分包括EtherCAT接口、USB接口、麗C/SD接口、UART接口、SPI接口和CAN接口，所述硬件部分設置基于EtherCAT通信協議的網卡NIC。
[0031 ] 一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統的工作原理為:
[0032]功率單元模組化，控制核心模塊化，配合EtherCAT內部總線，由于每個功率單元的功率是相同的，根據用戶對風電變流器不同容量的需求，實現單控制核心+單功率模塊到單控制核心+多功率模塊的使用方式，通過對功率單元的一次開發完成整個產品鏈的開發。
[0033]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，其特征在于:包括核心控制CPU和功率單元，所述功率單元的數量至少為一個， 所述核心控制CPU分別通過EtherNET通信協議和CANopen通信協議與外界的SCADA和主控系統PLC進行通信，所述核心控制CPU通過EtherCAT通信協議與各個所述功率單元進行通信，完成整個變流系統的閉環控制，所述核心控制(PU采用PowerPC處理器， 所述功率單元包括依次信號連接的信號采集單元、核心計算單元、PWM單元、驅動單元和輸出單元。2.根據權利要求1所述的一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，其特征在于:所述核心控制CHJ采用PowerPC處理器中的P2020芯片，所述P2020芯片的SPI引腳經過SPI轉CAN芯片后連接至CAN驅動芯片，所述P2020芯片的Etsec3引腳經PHY芯片后通過EtherNET通信協議與外界連接，所述P2020芯片的引腳Etsec2和引腳Etsecl各經一個PHY芯片后通過EtherCAT通信協議與外界連接，所述P2020芯片的引腳DUART經UARTO連接至RS485驅動電路，所述P2020芯片的引腳DUART經UARTl連接至SCI/RS485驅動電路。3.根據權利要求1所述的一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，其特征在于:所述信號采集單元包括電壓傳感器、電流傳感器和A/D轉換芯片，所述電壓傳感器、電流傳感器均與所述A/D轉換芯片信號連接。4.根據權利要求1所述的一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，其特征在于:所述風電變流系統的主站采用飛思卡爾的PowerPC和RTI i nux操作系統。5.根據權利要求1所述的一種基于EtherCAT通信的大功率風電變流系統，其特征在于:所述EtherCAT的最小循環周期為200us。
【文檔編號】H02J3/38GK105959196SQ201610493188
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】房凱龍, 于凱, 魏濤, 常俊杰, 侯立軍
【申請人】天津瑞能電氣有限公司