EtherCAT科普系列（16）：EtherCAT技术在储能变流器控制系统领域的应用

当前随着世界经济的发展，电力的需求量越来越大，能源和环保问题日益增加，本着可持续发展的理念，对风能、太阳能等可再生能源发电的投入不断加大，可以预见风力和太阳能发电将成为未来电力系统的重要组成。变流器是储能系统的核心设备，承担电能双向转换的关键角色。在充电时，将电网或新能源发电的交流电(AC)转为直流电(DC)存储于电池；放电时，再将直流电逆变为交流电供负载使用。作为连接储能电池与电网/负荷的“桥梁”，变流器的性能直接影响储能系统的效率、稳定性和经济性。随着全球风力/光伏发电占比提升和电力系统灵活性需求激增，储能变流器市场迎来爆发。据GGIl数据，2023年全球储能变流器出货量超150GW，中国占比超60%，预计2025年市场规模将突破千亿元。

技术迭代上，光储一体化、高压级联、构网型等创新方案正成为行业焦点，推动变流器从单一逆变功能向“智能电网调节器”升级。目前，世界上已有的柔性直流输电工程广泛采用的电压型变流器多是两电平换流器技术。由于两电平换流器电路结构简单且成本低但其缺点也很突出：

1）单个阀需要串联大量开关器件，必然引起的静态、动态均压问题；

2）由于电平数低，输出谐波较大，需要配置交流滤波器抑制高频谐波；

3）电压等级较低，功率器件投切频率很高，增大了开关损耗，逆变效率低，不适用于高压系统；

4）高阶跃电压导致电磁干扰问题严重。正是因为现有的多电平变换器存在上述不可避免的缺点，模块化多电平变流器(MMC)应用而生。其优点包括：

1）子模块的串联结构可提高换流器的额定电压和容量，且交流侧输出电压波形为多电平阶梯波，谐波含量低；

2）桥功率器件数量与子模块成正比，冗余特性好,电压应力低，等效的开关频率下，器件的开关频率低、开关损耗小；3）无需滤波器和变压器。

▲模块化多电平变流器拓扑结构

由MMC结构可知，相对于传统变流器，MMC桥臂子模块内含有大量的储能元件，需要监控的实时数据、控制目标数量众多。当级联子模块数目达成几十个甚至上百个时，单个控制器由于运算速度与引脚数目有限，难以处理MMC的控制问题,需要用多控制器协调控制的方法实现控制策略，同时需要可靠、高速、大容量的通信方式将控制器连接起来进行数据通信，造成多个控制器之间的协调控制难度增大。传统的CAN通讯或RS485通讯传输速率较慢，可靠性较低，导致各子模块之间信号同步性较差，难以满足多个控制器之间协调运行及高速可靠地通讯要求，且子模块个数的增加会同时带来光纤使用量的倍数增长，使得整个系统子模块板总体成本大大增加，同时也增加了PCB制板成本及MMC装置的空间成本。EtherCAT是由德国倍福自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。EtherCAT通信技术具有突出的实时性、灵活性以及同步性等优点，与模块化多电平变换器的子模块多、子模块同步难、系统控制复杂、通信实时性要求高等难点完美的契合。实现基于EtherCAT工业以太网的的MMC控制系统，为解决上述问题提供全新方案。该系统PLC主控制器与各从站控制器间通过EtherCAT数据帧进行通信，相比于传统CAN通信等模式，极大地提高了主从站间的传输速率及可靠性，可以精确地保证从站单元控制器间的载波信号同步，增强模块化级联的可扩展性。

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EtherCAT的模块化多电平变流器控制系统

基于EtherCAT的模块化多电平变流器的系统控制包括监控站、主站PLC、从站控制器。

▲基于EtherCAT的MMC控制系统结构图

监控站与主控制器进行通信，具体功能如下：实现控制参数下发和指令下达、监测整个系统的运行状态。监控站采用PC，使用人机交互界面，基于TwinCAT软件实现PLC的控制，该软件的优势在于可利用其自带的TwinCAT scope2功能模拟示波器，对程序中出现的任意变量实现波形的实时记录与分析。主站控制器为PLC，具有以下功能：通过EtherCAT工业以太网与6个从站控制器通信，接收从站控制器上传的6个桥臂电流、直流侧电压、三相输出电压和电流以及各个子模块电容电压，并下发相应桥臂调制波信号给从站控制器。主控制器是整个MMC 系统的运算及控制核心，主要实现MMC的外功率环、内电流环和环流抑制控制，并生成调制波下发给各个从站控制器。从站控制器基于EtherCAT从站控制器（ESC）和DSP芯片组成的EtherCAT从站设备，主要功能如下：通过AD模块采集三相MMC上下桥臂电流、直流侧电压、三相输出电压和电流并上传给主站PLC；接收主站发过来的相应桥臂调制波信号，同时接收子模块上传的电容电压、电容电流及故障信号，并产生PWM信号下发给相应子模块。从站控制器负责 MMC系统的调制控制和电容电压均衡控制。需要指出的是EtherCAT从站设备一共有6块，为了节约资源，每块负责4个子模块即一个桥臂的信号处理。未来如果要扩展电平数，可以选择每块EtherCAT从站设备控制的子模块个数小于或等于4，最终满足每个桥臂子模块级联的数量除以每个杯臂从站控制器个数刚好等于整数即可，这样既节约了成本，又增加了系统结构的灵活性。

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基于EtherCAT的模块化多电平变流器从站系统

DSP控制板和从站控制器芯片共同构成了EtherCAT 从站，该从站包括电压电流采样电路、故障检测电路、保护动作电路、PWM发生电路，这些硬件电路组合共同完成了变流器从站所需实现的功能。

▲基于EtherCAT的MMC从站功能示意图

从站控制微处理器DSP的主要功能是完成EtherCAT 从站系统的控制功能。EtherCAT从站控制器 ESC 的主要功能是处理 EtherCAT 数据帧，帮助主站和DSP完成相应的信息交换，EtherCAT 主站和从站在建立完状态机以后进入正常的本地数据交换时，交换的数据被存储在 ESC内部一个固定的存储空间里。同时DSP会专门划分出一段存储区与其相映射，以便于DSP提取相关数据执行相应操作。

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码灵半导体MMC控制系统EtherCAT通信解决方案

EtherCAT从站的核心部分是EtherCAT从站控制器，用来实现EtherCAT的物理层和数据链路层的协议。码灵半导体推出的CF110x系列芯片是为实现 EtherCAT 从站设计的提供了一款经济高效且紧凑的从站芯片。码灵半导体CF110x系列有着广泛的应用场景，可以作为一个使用分布式时钟的没有外部逻辑的最多32位数字IO 节点使用，也可以作为一个具有最多3个EtherCAT通信端口的微控制器的一部分使用。CF110x系列芯片的封装(QFN)尺寸小，最大尺寸为 12mmx12mm，最小尺寸仅为9mmx9mm，且仅需少量的外部电路就能组成最小工作系统，所以在设计时，整个从站控制系统体积可以设计得非常紧凑。

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

虽然码灵半导体CF110x系列从站专用芯片体积较小，但内部资源十分丰富。包含8个FMMU(现场总线内存管理单元)，8个SyncManager(同步管理器)，8KB的DPRAM(双端口RAM)用于存放数据。支持三种 PDI(过程数据接口)接口：32位 Digital I/O、SPI 从站接口、8/16位异步微控制器接口（μC8/16），其中SPI号μC8/16方式用于连接外部微处理器，组成复杂EtherCAT从站。支持64位分布时钟，分布时钟引脚与微处理器（MCU/DSP）的中断引脚连接，实现多个从站控制任务与输入采样的同步。通过I2C接口连接EEPROM存储器，存储从站设备描述信息。此外CF110x系列最多支持3个通信端口，内部集成了两个以太网PHY 芯片，每个以太网PHY芯片均包含一个全双工100BASE-TX收发器支持，支持100Mbps工作速率，兼容快速以太网标准，通过外部光纤收发器实现 100BASE-FX。对于工业应用而言，码灵半导体CF110x系列内部集成了两个以太网PHY芯片，有利于系统高度集成，在电路设计过程中，更简洁布线更容易。此外，与其它EtherCAT从站控制芯片相比，码灵半导体CF110x系列价格更低，在后期产品成本控制上，具有更大优势，可以提高产品市场竞争力。

▲码灵半导体CF110x系列芯片

结构框图基于EtherCAT的模块化多电平变流器控制系统能有效地降低系统控制复杂度，提高了主从站间的传输速率及可靠性，同时利用其分布时钟功能使从站控制器间载波信号得到精确同步，增强了MMC 模块化级联的可扩展性。码灵半导体推出的CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片为模块化多电平变流器控制系统EtherCAT通信带来高效、紧凑、高性价比的全新解决方案。