一种基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统的制作方法

本实用新型属于风电系统领域，尤其是涉及一种基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统。

背景技术：

随着社会的发展，新能源行业逐渐的得到了重视，由于不用地点对风电机组容量的要求也不相同，内蒙古草原，微电网项目对风电机组的容量需求较小；海上风电，以及风资源较丰富，人烟稀少的西北风电场则对单台的容量要求较大。

目前风力发电行业内应对这种不同需求采用的一贯办法为，客户需求多大的风机，就设计多大的变流系统；客户有十几种容量需求，就设计十几种容量的风力变流系统，在成本和备品备件等方面都有很大的浪费。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统，以解决大功率风电变流器因需求容量不同，不能统一设计和制作造成的时间、原材料等成本浪费的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统，包括核心控制CPU和功率单元，所述功率单元的数量至少为一个，所述核心控制CPU分别通过EtherNET通信协议和CANopen通信协议与外界的SCADA和主控系统PLC进行通信，所述核心控制CPU通过EtherCAT通信协议与各个所述功率单元进行通信，完成整个变流系统的闭环控制，所述核心控制CPU采用powerPC处理器，所述功率单元包括依次信号连接的信号采集单元、核心计算单元、PWM单元、驱动单元和输出单元。

进一步的，所述核心控制CPU采用powerPC处理器中的P2020芯片，所述P2020芯片的SPI引脚经过SPI转CAN芯片后连接至CAN驱动芯片，所述P2020芯片的Etsec3引脚经PHY芯片后通过EtherNET通信协议与外界连接，所述P2020芯片的引脚Etsec2和引脚Etsec1各经一个PHY芯片后通过EtherCAT通信协议与外界连接，所述P2020芯片的引脚DUART经UART0连接至RS485驱动电路，所述P2020芯片的引脚DUART经UART1连接至SCI/RS485驱动电路。

进一步的，所述信号采集单元包括电压传感器、电流传感器和A/D转换芯片，所述电压传感器、电流传感器均与所述A/D转换芯片信号连接。

进一步的，所述风电变流系统的主站采用飞思卡尔的powerPC和RTlinux操作系统。

进一步的，所述EtherCAT的最小循环周期为200us。

相对于现有技术，本实用新型所述的基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统具有以下优势：

(1)本实用新型所述的基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统，开发单台小功率变流器单元，并通过EtherCAT通信技术完成控制侧组网，实现多个变流器单元协同工作，针对不同应用场合，特别是海上风力发电机组的应用，对功率进行灵活组合，完成变流系统的搭建，从而实现大容量的“单”台大功率变流系统的运行，真正实现开发一次，即可适应行业内不同的应用需求，为其他系统的二次开发提供良好的开发平台，大大缩短了新产品的开发周期。

(2)本实用新型所述的基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统，功率单元模组化，控制核心模块化，配合EtherCAT内部总线，实现不同容量的风电变流器的可能性大大提高，同时减少人力物力的成本。

(3)本实用新型所述的基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统，采用的powerPC处理器能够在极低和超高温的情况下启动并运行，采用RTLinux操作系统，通过对操作系统内核部分的改造，可以实现直接对底层硬件高实时性改造，更加方便实用。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统拓扑图；

图2为本实用新型实施例所述的PowerPC处理器的硬件结构示意图；

图3为本实用新型实施例所述的PowerPC处理器的软件架构示意图；

图4为本实用新型实施例所述的功率单元组成框图。

附图标记说明：

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

一种基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统，如图1至图4所示，

包括核心控制CPU和功率单元，所述功率单元的数量至少为一个，所述核心控制CPU分别通过EtherNET通信协议和CANopen通信协议与外界的SCADA和主控系统PLC进行通信，所述核心控制CPU通过EtherCAT通信协议与各个所述功率单元进行通信，完成整个变流系统的闭环控制，所述核心控制CPU采用powerPC处理器，所述功率单元包括依次信号连接的信号采集单元、核心计算单元、PWM单元、驱动单元和输出单元。

所述核心控制CPU采用powerPC处理器中的P2020芯片，所述P2020芯片的SPI引脚依次经过SPI转CAN芯片和CAN驱动芯片后连接至DB9，所述P2020芯片的Etsec3引脚经PHY芯片后通过EtherNET通信协议连接至RJ45，所述P2020芯片的引脚Etsec2和引脚Etsec1各经一个PHY芯片后通过EtherCAT通信协议各连接至一个光纤模块，所述P2020芯片的引脚DUART经UART0和RS485驱动电路后连接至DB9，所述P2020芯片的引脚DUART经UART1和SCI/RS485驱动电路后连接至光纤头/DB9,所述P2020芯片的引脚SD/MMC连接至SD接口，所述P2020芯片的引脚USB2.0连接至USB接口，所述P2020芯片的引脚MiniPCIE连接至MiniPCIE接口，所述P2020芯片的引脚Local BUS连接至FLASH，所述P2020芯片的引脚DDR3连接至RAM，所述P2020芯片的引脚I²C连接至RTC，所述P2020芯片的引脚还设置JTAG接口。

所述信号采集单元包括电压传感器、电流传感器和A/D转换芯片，所述电压传感器、电流传感器均与所述A/D转换芯片信号连接，电压传感器和电流传感器采集标准的4～20mA的工业传感器信号，经过A/D转换芯片转换，完成模拟量对数字量的转换。数字量输入核心计算单元后进行快速计算，并通过EtherCAT进行数据交换，最终得到一个高同步的PWM信号输出给驱动单元，并由驱动单元完成对输出单元的控制。

所述风电变流系统的主站采用飞思卡尔的powerPC和Rtlinux操作系统，采用的powerPC处理器能在极低和超高温的恶劣温度情况下启动并运行。采用的RTLinux操作系统，其优点在于代码开源，通过对操作系统内核部分的改造，可以实现直接对底层硬件高实时性改造，并通过实时核完成对EtherCAT协议栈的强力支撑。通过对内核的裁剪、倍频等优化工作，使EtherCAT的最小循环周期在200us运行，满足了功率单元的协同配合，确保了闭环控制的周期。

所述P2020芯片的软件架构包括应用部分、控制部分和硬件部分，所述应用部分通过基于EtherCAT通信协议的界面与控制部分连接，所述控制部分经过数据实时转换系统驱动硬件部分并连接至基于EtherCAT通信协议的网卡。所述应用部分包括Code tool、SSH Server、GDB Server、WEB Server和CanOpen接口，所述控制部分包括EtherCAT接口、USB接口、MMC/SD接口、UART接口、SPI接口和CAN接口，所述硬件部分设置基于EtherCAT通信协议的网卡NIC。

一种基于EtherCAT通信的大功率风电变流系统的工作原理为：

功率单元模组化，控制核心模块化，配合EtherCAT内部总线，由于每个功率单元的功率是相同的，根据用户对风电变流器不同容量的需求，实现单控制核心+单功率模块到单控制核心+多功率模块的使用方式，通过对功率单元的一次开发完成整个产品链的开发。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。