申请/专利权人：华北电力科学研究院有限责任公司;国网冀北电力有限公司电力科学研究院;国家电网公司;国网冀北电力有限公司经济技术研究院

申请日：2017-10-24

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN107681694B

主分类号：H02J3/38

分类号：H02J3/38;H02J13/00;H04L12/40

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2018.03.09#实质审查的生效;2018.02.09#公开

摘要：本发明提供了一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，包括：控制单元、驱动单元及测量单元；控制单元为主站，其上集成有一包含主站协议芯片的EtherCAT总线处理器；驱动单元及测量单元为从站，各自集成有一包含从站协议芯片的EtherCAT总线处理器；主站和从站之间、各从站间通过EtherCAT工业总线顺序连接；主站向与其连接的驱动单元发送EtherCAT报文，用于依次读写驱动单元及测量单元的内存，以获取各从站设备的状态数据，测量单元将经过处理的响应报文返回驱动单元，由驱动单元返回到主站。本发明采用EtherCAT工业总线替代了传统光伏逆变器的走线，只需利用两条光纤搭建总线即可，光伏逆变器的可靠性大大增强，且更有利于扩展应用、易于工程实施。

主权项：1.一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述光伏逆变器包括：控制单元、驱动单元及测量单元；所述控制单元作为主站，其上集成有一包含主站协议芯片的EtherCAT总线处理器；所述驱动单元及测量单元分别作为从站，各自集成有一包含从站协议芯片的EtherCAT总线处理器；所述主站和从站之间、各从站之间通过EtherCAT工业总线顺序连接；所述主站向与其连接的驱动单元发送EtherCAT报文，用于依次读写所述驱动单元及测量单元的内存，以获取各从站设备的状态数据，所述测量单元将经过处理的响应报文返回驱动单元，由驱动单元返回到主站；所述主站还用于根据所述驱动单元返回的响应报文进行策略运算生成驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号发送给所述驱动单元；所述测量单元包括直流侧测量单元及交流侧测量单元，所述直流侧测量单元用于测量所述光伏逆变器中直流侧的电压信号及电流信号，所述交流侧测量单元用于测量所述光伏逆变器中交流侧的电压信号及电流信号；驱动单元、直流侧测量单元和交流侧测量单元与控制单元的连接顺序不可改变；由控制单元通过EtherCAT工业总线发送EtherCAT报文给驱动单元，驱动单元中的从协议控制芯片解析该EtherCAT报文，提取出相关控制命令，并将从站中设备的自身状态信息数据插入到该EtherCAT报文中，并通过EtherCAT工业总线传输给直流侧测量单元；直流侧测量单元接收到驱动单元发来的EtherCAT报文后对其进行解析，从中解析出相关控制命令，并将直流侧测量单元所测量到的电流和电压信息插入到EtherCAT报文中，并通过EtherCAT工业总线发送给交流侧测量单元；交流侧测量单元接收到直流侧测量单元发来的EtherCAT报文后对其进行解析，从中解析出相关控制命令，并根据相关控制命令将交流侧测量单元所测量到的电流和电压信息插入到EtherCAT报文中，并通过EtherCAT工业总线返回到直流侧测量单元，由直流侧测量单元发送给驱动单元，最后再由驱动单元发送给控制单元；控制单元从回传的响应报文中解析出驱动单元中的开关状态信息，以及两测量单元测量的电流和电压数据，并根据上述信息及数据进行策略运算生成驱动脉冲信号发送给驱动单元，以控制该驱动单元中各开关的导通关断。

全文数据：一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器技术领域[0001]本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器。背景技术[0002]目前，我国正在大力发展新能源事业，作为新能源事业的重要组成部分一一光伏发电系统得到了广泛的关注和发展。光伏逆变器作为光伏发电系统中最重要的核心设备，其快速批量生产能力和运行的可靠性成为考核光伏逆变器最重要的指标。[0003]光伏逆变器内部包含有大量的测量模块和功率单兀，而这些测量模块和功率单元均通过模拟量信号和数字量信号传送至光伏逆变器控制系统，接线复杂且数量繁多，出错的可能性很大，而目前基于通信的测量模块也大多采用ModbusRTU等方式，无论是通信的速率还是可靠性均不能满足光伏逆变器控制的需要。[0004]为了解决目前光伏逆变器内部大量的测量模块电压传感器、电流传感器和驱动单元造成的线路繁多、可靠性差等问题，同时又需要保证光伏逆变器控制的实时性要求，所导致的光伏逆变器很难快速大规模生产并保证其运行的可靠性，因此迫切的需要一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器实现方法以避免多路模拟量信号、数字量信号造成的接线困难、可靠性差等问题。发明内容[0005]为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，所述光伏逆变器包括:控制单元、驱动单元及测量单元；[0006]所述控制单元作为主站，其上集成有一包含主站协议芯片的EtherCAT总线处理器;所述驱动单元及测量单元分别作为从站，各自集成有一包含从站协议芯片的EtherCAT总线处理器；[0007]所述主站和从站之间、各从站之间通过EtherCAT工业总线顺序连接;所述主站向与其连接的驱动单元发送EtherCAT报文，用于依次读写所述驱动单元及测量单元的内存，以获取各从站设备的状态数据，所述测量单元将经过处理的响应报文返回驱动单元，由驱动单元返回到主站。[0008]在一实施例中，所述主站还用于根据所述驱动单元返回的响应报文进行策略运算生成驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号发送给所述驱动单元。[0009]在一实施例中，所述测量单元包括直流侧测量单元及交流侧测量单元，所述直流侧测量单元用于测量所述光伏逆变器中直流侧的电压信号及电流信号，所述交流侧测量单元用于测量所述光伏逆变器中交流侧的电压信号及电流信号。[0010]在一实施例中，所述控制单元与所述驱动单元通过EtherCAT工业总线直连，所述驱动单元、直流侧测量单元及交流侧测量单元通过EtherCAT工业总线按顺序依次连接。[0011]在一实施例中，集成在所述从站上的EtherCAT总线处理器还包括:报文接收链路、功能控制芯片及报文发送链路；[0012]所述报文接收链路，用于接收主站或与当前从站通信的上一从站经由EtherCAT工业总线发来的EtherCAT报文，并发送给当前从站的从站协议芯片；[0013]所述从站协议芯片用于解析所述EtherCAT报文中的控制命令，并根据所述控制命令将从站中设备的自身状态信息插入到所述EtherCAT报文中；[0014]所述功能控制芯片与当前从站的设备、从站协议芯片分别连接，用于获取从站设备的自身状态信息并写入从站协议芯片；[0015]所述报文发送链路，用于将己插入当前从站设备的自身状态信息的EtherCAT报文转发至下一个从站。[0016]在一实施例中，所述报文接收链路包括:第一连接器、第一变压器及第一物理数据收发器;所述第一连接器用于为EtherCAT工业总线提供接入接口；所述第一变压器用于对EtherCAT工业总线上传输的EtherCAT报文信号进行降压处理;所述第一物理数据收发器用于将经降压处理的EtherCAT报文发送给从站协议芯片。[0017]在一实施例中，所述报文发送链路包括:第二物理数据收发器、第二变压器及第二连接器;所述第二物理数据收发器用于将所述从站协议芯片发出的已插入当前从站设备的自身状态信息的EtherCAT报文传输至所述第二变压器;所述第二变压器用于对第二物理数据收发器发来的EtherCAT报文进行升压;所述第二连接器用于将经升压处理的EtherCAT报文发送到EtherCAT工业总线上，转发至下一个从站。[0018]在一实施例中，所述从站协议芯片的型号为ET1100。[0019]在一实施例中，所述状态数据包含各测量单元测量的数据和驱动单元中开关的导通状态信息。[0020]在一实施例中，所述第一物理数据收发器采用以太网PHY芯片KSS721，所述第一变压器采用以太网数据变压器H1102,所述第一连接器采用RJ45连接器。[0021]在一实施例中，所述第二物理数据收发器采用以太网PHY芯片KS8721，所述第二变压器采用以太网数据变压器H1102,所述第二连接器采用RJ45连接器。[0022]本发明实施例采用EtherCAT工业总线解决了传统光伏逆变器内部模拟量信号和数字量信号需要大量走线的问题，只需要利用两条光纤搭建总线即可，光伏逆变器的可靠性大大增强，且更有利于扩展应用、易于工程实施。并且，本发明实施例通过对光伏逆变器中测量单元、驱动单元、控制单元等按照顺序连接，可以实现光伏逆变器中电压、电流等模拟量信息以及驱动信号的快速传输，满足光伏逆变器控制的实时性要求。附图说明[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0024]图1为本发明实施例提供的光伏逆变器系统的拓扑结构示意图；[0025]图2为本发明实施例提供的光伏逆变器中各单元间的连接关系示意图；[0026]图3为本发明实施例提供的EtherCAT处理器的结构示意图。具体实施方式[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0028]通常地，光伏逆变器内部包含有测量模块、驱动单元、开关模块和控制单元等。在实际工作时，光伏逆变器的基本工作原理是:各测量模块测量光伏逆变器内部电压和电流信息，并将信息以模拟量或数字量的形式传送至控制单元，控制单元根据检测到的电压和电流状态并经过策略运算后生成驱动脉冲信号，通过数字量IO口传送至驱动单元，以驱动开关器件动作。但^通过模拟量和数字量传送信号的方式必然需要数量繁多的接线，容易出错，并且目前所采用的ModbusRTU通信方式不能达到较高的通信速率，可靠性较低。[0029]本发明实施例提供一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，该光伏逆变器的拓扑结构示意图如图1所示，主要包括控制单元10、功率模块驱动单元11及测量单元。测量单元主要包括直流侧测量单元I2及交流侧测量单元13,直流侧测量单元12用于测量光伏逆变器中直流侧的电压信号及电流信号，交流侧测量单元13用于测量光伏逆变器中交流侧的电压信号及电流信号。控制单元10用于根据直流侧测量单元12和交流侧测量单元13传来的电压及电流等信号生成驱动脉冲信号，驱动功率模块驱动单元11中的开关动作。[0030]将图1所示光伏逆变器中的功率模块驱动单元11、直流侧测量单元12、交流侧测量单元13等通过统一EtherCAT工业总线以环形方式顺序连接，如图2所示。其中，驱动单元11、直流侧测量单元12和交流侧测量单元13与控制单元10的连接顺序不可改变，这主要是由光伏逆变器的工作原理决定的。光伏逆变器控制单元10根据直流侧测量单元12和交流侧测量单元13测量得到的数据进行分析，根据设定控制目标得到驱动单元11的驱动信号来指导驱动单元11的工作，需要直流侧测量单元12、交流侧测量单元13、控制单元10和驱动单元11以图2所示的环状顺序连接才能保证信息传输和处理的最高效率。[0031]光伏逆变器的控制单元10、驱动单元11及测量单元采用主从模式介质访问控制。其中，控制单元10作为主站，其上集成有一包含主站协议芯片的EtherCAT总线处理器（图中未示出）；驱动单元11、直流侧测量单元12及交流侧测量单元13分别作为从站，各自集成有一包含从站协议芯片的EtherCAT总线处理器，分别为图2中所示的11、12、13。在功率模块驱动单元11、直流侧测量单元12、交流侧测量单元13中集成有EtherCAT总线处理器的基础上，将EtherCAT工业总线接入，作为EtherCAT从站。[0032]由主站发送EtherCAT报文，用于读写从站设备的内存来实现信息交互。EtherCAT报文传输经过相应从站节点时，从站协议芯片从报文中提取相关的命令数据，并将当前从站中设备的自身状态信息数据插入到EtherCAT报文中，然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站，最后一个EtherCAT从站发回完全经过处理的报文，并由第一个从站将响应报文发送给主站。[0033]在一个实施例中，上述的状态数据包含各测量单元测量的数据和或驱动单元中开关的导通状态信息。[0034]在本发明实施例中，由光伏逆变器控制单元10通过EtherCAT工业总线发送EtherCAT报文给功率模块驱动单兀11，功率模块驱动单兀11中的从协议控制芯片解析该EtherCAT报文，提取出相关控制命令例如读写命令等），并将从站中设备的自身状态信息数据例如开关导通状态信息插入到该EtherCAT报文中，并通过EtherCATI业总线传输给直流侧测量单元12。直流侧测量单元12接收到功率模块驱动单元11发来的EtherCAT报文后对其进行解析，从中解析出相关的控制命令，并将直流侧测量单元12所测量到的电流和电压信息插入到EtherCAT报文中，并通过EtherCAT工业总线发送给交流侧测量单元I3。交流侧测量单元13接收到直流侧测量单元12发来的EtherCAT报文后对其进行解析，从中解析出相关的控制命令，并根据该控制命令将交流侧测量单元12所测量到的电流和电压信息插入至丨jEtherCAT报文中，并通过EtherCAT工业总线返回到上一个从站--直流侧测量单兀12，由直流侧测量单元12发送给驱动单元11，最后再由驱动单元11发送给主站--控制单元10。控制单元10从回传的响应报文中解析出驱动单元11中的开关状态信息，以及两测量单元测量的电流和电压等数据，并根据上述信息及数据进行策略运算生成驱动脉冲信号发送给驱动单元11，以控制该驱动单元11中各开关的导通关断。[0035]图3为本发明实施例提供的EtherCAT处理器的结构示意图。如图3所示，集成在各个从站上的EtherCAT总线处理器还包括:报文接收链路、功能控制芯片及报文发送链路。其中，报文接收链路用于接收主站或与当前从站通信的上一从站经由EtherCAT工业总线发来的EtherCAT报文，并发送给当前从站的从站协议芯片。由从站协议芯片解析该EtherCAT报文中的控制数据，并将从站中设备的自身状态信息插入到所述EtherCAT报文中。功能控制芯片则与当前从站设备、从站协议芯片分别连接，从从站协议芯片读取控制数据，实现设备控制功能，并采样设备的反馈数据，写入从站协议芯片中，以供主站读取，因此从站的EtherCAT通信过程由从站协议芯片处理，不受功能控制芯片的制约。报文发送链路则用于将已插入当前从站设备的自身状态信息的EtherCAT报文转发至下一个从站。[0036]如图3所示，报文接收链路和报文发送链路都是由连接器、变压器及物理数据收发器组成。其中，在报文接收链路中，连接器用于为EtherCAT工业总线提供接入接口；变压器用于对EtherCAT工业总线上传输的EtherCAT报文信号进行降压处理;物理数据收发器用于将经降压处理的EtherCAT报文发送给从站协议芯片。在报文发送链路中，物理数据收发器用于将从站协议芯片发出的已插入当前从站设备的自身状态信息的EtherCAT报文传输至该链路中的变压器；由变压器用于对物理数据收发器发来的EtherCAT报文进行升压；该链路只中的连接器也用于为EtherCAT工业总线提供接入接口，将经升压处理的EtherCAT报文发送到EtherCAT工业总线上，以转发至下一个从站。[0037]上述的从站协议芯片可以具有多个数据收发端口，其中两个数据收发端口用于满足基本数据收发的需要，其余的数据收发端口作为备用满足未来扩展需要。在一实施例中，上述从站协议芯片例如可以采取型号为ET1100的芯片。[0038]在一实施例中，上述的物理数据收发器可采用以太网PHY芯片KS8721，变压器可采用以太网数据变压器H1102,连接器可采用RJ45连接器。报文发送链路和报文接收链路中的对应器件的型号通常一致。[0039]本发明实施例采用EtherCAT工业总线解决了传统光伏逆变器内部模拟量和数字量信号需要大量走线的问题，只需要利用两条光纤搭建总线即可，光伏逆变器的可靠性大大增强，且更有利于扩展应用、易于工程实施。并且，本发明实施例通过对光伏逆变器中测量单兀、驱动单元、控制单元等按照顺序连接，可以实现光伏逆变器中电压、电流等模拟量信息以及驱动信号的快速传输，满足光伏逆变器控制的实时性要求。[0040]本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等上实施的计算机程序产品的形式。[0041]本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和或方框图中的每一流程和或方框、以及流程图和或方框图中的流程和或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。[0042]这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。[0043]这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。[0044]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

权利要求：1.一种基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述光伏逆变器包括:控制单元、驱动单元及测量单元；所述控制单元作为主站，其上集成有一包含主站协议芯片的EtherCAT总线处理器;所述驱动单元及测量单元分别作为从站，各自集成有一包含从站协议芯片的EtherCAT总线处理器；所述主站和从站之间、各从站之间通过EtherCAT工业总线顺序连接;所述主站向与其连接的驱动单元发送EtherCAT报文，用于依次读写所述驱动单元及测量单元的内存，以获取各从站设备的状态数据，所述测量单元将经过处理的响应报文返回驱动单元，由驱动单元返回到主站。2.根据权利要求1所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述主站还用于根据所述驱动单元返回的响应报文进行策略运算生成驱动脉冲信号，并将驱动脉冲信号发送给所述驱动单元。3.根据权利要求1所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述测量单元包括直流侧测量单元及交流侧测量单元，所述直流侧测量单元用于测量所述光伏逆变器中直流侧的电压信号及电流信号，所述交流侧测量单元用于测量所述光伏逆变器中交流侧的电压信号及电流信号。4.根据权利要求3所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述控制单元与所述驱动单元通过EtherCAT工业总线直连，所述驱动单元、直流侧测量单元及交流侧测量单元通过EtherCAT工业总线按顺序依次连接。5.根据权利要求1所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，集成在所述从站上的EtherCAT总线处理器还包括:报文接收链路、功能控制芯片及报文发送链路；所述报文接收链路，用于接收主站或与当前从站通信的上一从站经由EtherCAT工业总线发来的EtherCAT报文，并发送给当前从站的从站协议芯片；所述从站协议芯片用于解析所述EtherCAT报文中的控制命令，并根据所述控制命令将从站中设备的自身状态信息插入到所述EtherCAT报文中；所述功能控制芯片与当前从站的设备、从站协议芯片分别连接，用于获取从站设备的自身状态信息并写入从站协议芯片；所述报文发送链路，用于将已插入当前从站设备的自身状态信息的EtherCAT报文转发至下一个从站。6.根据权利要求5所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述报文接收链路包括:第一连接器、第一变压器及第一物理数据收发器;所述第一连接器用于为EtherCAT工业总线提供接入接口；所述第一变压器用于对EtherCAT工业总线上传输的EtherCAT报文信号进行降压处理;所述第一物理数据收发器用于将经降压处理的EtherCAT报文发送给从站协议芯片。7.根据权利要求5所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述报文发送链路包括:第二物理数据收发器、第二变压器及第二连接器;所述第二物理数据收发器用于将所述从站协议芯片发出的已插入当前从站设备的自身状态信息的EtherCAT报文传输至所述第二变压器;所述第二变压器用于对第二物理数据收发器发来的EtherCAT报文进行升压;所述第二连接器用于将经升压处理的EtherCAT报文发送到EtherCAT工业总线上，转发至下一个从站。8.根据权利要求1所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述从站协议芯片的型号为ET1100。9.根据权利要求1所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述状态数据包含各测量单元测量的数据和驱动单元中开关的导通状态信息。10.根据权利要求6所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述第一物理数据收发器采用以太网PHY芯片KSSUl，所述第一变压器采用以太网数据变压器H1102，所述第一连接器采用RJ45连接器。11.根据权利要求7所述的基于高速以太网工业总线的光伏逆变器，其特征在于，所述第二物理数据收发器采用以太网PHY芯片KS8721，所述第二变压器采用以太网数据变压器H1102，所述第二连接器采用RJ45连接器。

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