储能逆变器测试软件平台设计-软件工程硕士论文

电 子 科 技 大 学 UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA 专业学位硕士学位论文 MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE （电子科技大学图标） 论文题目 储能逆变器测试软件平台设计 专业学位类别 软件工程硕士 学 号 201192070152 作 者 姓 名 严国庆 指 导 教 师 邹见效 教授 分类号 密级 UDC 注1 学 位 论 文 储能逆变器测试软件平台设计储能逆变器测试软件平台设计与实现与实现 （题名和副题名） 严国庆严国庆 （作者姓名） 指导教师 邹见效邹见效 教授教授 博导博导 电子科技大学电子科技大学 成都成都 陈建国陈建国 高级工程师高级工程师 东方电气自动控制工程有限公司东方电气自动控制工程有限公司 德阳德阳 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 工程硕士工程硕士 专业学位类别 软件工程软件工程硕士硕士 工程领域名称 软件工程软件工程 提交论文日期 2013.092013.09 论文答辩日期 2014.012014.01 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 2014 年年 6 月月 25 日日 答辩委员会主席 评阅人 注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 DESIGN AND REALIZATION OF TESTING SOFTWARE PLATFORM FOR BI-DIRECTIONAL INVERTER A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Software Engineering Author: Guoqing Yan Advisor: Prof. Jianxiao Zou School : School of Automation Engineering 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 论文使用授权论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘要 I 摘 要 能源危机是当代社会发展面临的主要问题之一，日趋严重的能源危机和环境 危机， 迫切需要我们加快对新能源产业发展， 同时新能源也属于环境友好型资源， 符合可持续发展的时代特征。因此对储能逆变器等该类分布式发电设备进行大量 的投资研发意义重大。 为加快储能逆变器的研发进程， 保证设备输出电能的质量， 系统的测试和调试平台就显得更加的重要。虽然传统的软件调试平台能够基本满 足测试要求，但随着新能源电力电子设备的多样化，控制程序算法的复杂化，需 要测试平台能获取更多的数据，对数据的传输速率要求也越来越快，同时要求测 试系统具有谐波分析、效率分析、程序中间变量监测和历史数据保存等更多实用 的功能。因此本文针对现在测试软件平台的不足，为储能逆变器设备研究开发了 新的测试软件。 首先，本文对储能逆变器的整体结构和控制结构及拓扑作了详细的介绍。分 析了储能逆变器的控制流程后，给出了储能逆变器的测试需求，引出了设计储能 逆变器测试软件平台的必要性和重要意义。根据储能逆变器测试系统的结构特点 和测试需求，设计储能逆变器测试软件平台实现方案，并和储能逆变器本身的控 制系统进行无缝结合，构建一个功能完整的测试软件平台。 然后，对基于频域的快速离散傅立叶变换中的基 2 FFT 算法进行讨论研究， 通过加窗减少了频谱泄漏和栅栏效应的影响，提高了计算精度。针对 FFT 算法运 算量大的问题，分析了两种减少运算量的措施，进一步提高了测试软件平台的对 谐波检测的实时性。研究使用了三相交流瞬时功率的计算方法，给出了测试软件 平台中对储能逆变器的效率计算方法。 为保证通信速率研究并使用基于 UDP/IP 的 协议，设计储能逆变器测试软件平台的通信协议。 最后，在理论研究的基础上，针对储能逆变器测试软件平台的实现过程进行 了探讨分析。先从总体上给出了储能逆变器测试软件平台的架构，然后对功能模 块进行划分， 接着对各个功能模块作简要分析后， 给出了各功能模块的实现方法， 对各个功能模块给出了相应的结构框图或软件流程图。储能逆变器测试软件平台 设计完成后，对平台的各模块进行了单模块功能测试分析。最后，给出了储能逆 变器测试软件平台与储能逆变器进行了现场联机调试的情况，验证了该测试软件 平台的设计方案可行。 关键词：关键词：储能逆变器，测试软件平台，谐波检测，效率分析 ABSTRACT II ABSTRACT Energy crisis is one of the major problems faced with the development of contemporary society.With the increasingly serious energy and environmental crisis, we have an urgent need to accelerate the development of new energy industry, for new energy belongs to environment-friendly energy resources and is in line with the sustainable development of the times. Therefore, to invest and do a lot of research about bi-directional inverter and other distributed power generation equipments is of great significance. To speed up the development process of bi-directional inverter and ensure the output power quality of the equipment, system testing and debugging platform becomes even more important. While traditional software debugging platform can basically meet the test requirements, but with the diversification of new energy power electronic devices and the complexity of the control program algorithm, testing software is needed to get more data on a faster data transfer rate, and some more useful features such as harmonic analysis ，efficiency analysis, intermediate variables of program monitoring and historical data save are also required. Therefore, this thesis focuses on the shortage of current testing software and develops a new testing software for research and development of bi-directional inverters. Firstly, the control structures and topological of bi-directional inverter are described in detail. Analysis of the bi-directional inverter control process, then proposed bi-directional inverter testing requirements, leads to the design of bi-directional inverter testing software platform necessity and significance. According to bi-directional inverter structural characteristics of the testing system and testing requirements, design bi-directional inverter testing software platform implementations, and to combine with bi-directional inverter control system then establish a fully functional testing software platform. Then, base 2 FFT algorithm of fast discrete Fourier transform based on the frequency domain is discussed. For the problem of spectral leakage and barrier effect, this thesis uses the windowing function and improves the calculation accuracy. Two kinds of measures which can reduce the amount of calculation is analyzed and used to improve the testing platform for harmonic analysis in real time. Research and used a three-phase AC instantaneous power calculation method, then proposed efficiency ABSTRACT III calculate method of platform for bi-directional inverter. To ensure the communication rate, study and use UDP / IP protocol designed the communication protocol for bi-directional inverter testing software platform. Finally, based on theoretical analysis， the implementation process of this test software platform is discussed. Paper first presents the overall software architecture, and divides the functional modules, then with a brief analysis of each module, implementation method of the functional modules is proposed, the corresponding block diagrams or the software flow charts are also given in this thesis. After bi-directional inverter testing software platform design is complete, the various modules of the platform are tested. At last, The bi-directional inverter testing software platform with bi-directional inverter on-site online debugging, verify the testing software platform design is feasible. Keywords: bi-directional inverter, testing software platform, harmonic detection, efficiency analysis 目录 IV 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 课题的研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文主要工作 3 1.4 本论文的结构安排 4 第二章 储能逆变器测试软件平台需求分析 . 5 2.1 储能逆变器的介绍 5 2.2 软件平台的设计目标 8 2.3 软件平台的组成与结构 9 2.4 软件平台的需求分析 . 10 2.5 本章小结 . 11 第三章 测试软件平台的关键问题及其设计 12 3.1 谐波检测算法的设计 . 12 3.2 效率计算方法的设计 . 27 3.3 高速通信协议的设计 . 31 3.4 本章小结 . 34 第四章 测试软件平台的实现 35 4.1 系统的总体结构 . 35 4.2 数据采集模块的实现 . 36 4.3 以太网通信模块的实现 . 37 4.4 谐波检测模块的实现 . 38 4.5 有效值计算模块的实现 . 39 4.6 人机交互接口的实现 . 40 4.7 本章小结 . 41 第五章 系统测试与分析 42 5.1 测试软件平台各功能模块的测试 . 42 5.2 测试软件平台与储能逆变器的联合测试 . 48 目录 V 5.3 本章小结 . 53 第六章 结论与展望 54 6.1 本文的主要贡献和结论 . 54 6.2 下一步工作的展望 . 54 致 谢 56 参考文献 . 57 攻硕期间取得的研究成果 . 61 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 课题的研究背景及意义 随着当今世界经济飞速的发展，人类对能源的需求已经逐渐超出了地球的供 给能力。传统能源的枯竭，温室效应的加剧，人类所面临的资源和环境问题越来 越严重。依照能源开发利用的可持续发展原则，在开发和利用石油、煤炭、天然 气等常规能源的同时，应更加注重开发新型的可再生能源，如水能、风能、太阳 能、潮汐能等。能源危机催促着新能源产业的蓬勃发展，新能源也必将是未来的 发展趋势，从上世纪 80 年代开始，分布式发电（Distributed Generation，DG）技 术已越来越受到人们的重视。光伏发电和风力发电技术在电力系统中所占的比重 也越来越大 1、2。国家政策对分布式发电技术的大力支持3，以及其自身具有的环 保性和灵活性，使得储能逆变器、光伏逆变器、风电变频器等设备得到大量的投 资研发，为加快设备的研发进程，保证设备输出电能的质量，系统的测试和调试 平台就显得更加的重要。 软件控制算法的调试和测试工作在分布式发电产品设备的研发过程中占据有 很重要的地位。在软件设计说明书中，对软件的架构、使用的算法以及使用的数 据结构都有详细说明。依照软件设计说明书编写代码，将其代码化所用的时间往 往只占整个软件部分总时间的 20%，很多时候尽管编写的代码并没有错误，但在 实际的嵌入式控制系统中，调试结果往往不会按照预想的进行。通常，在控制系 统中软件算法的调试和测试所花的时间大概为软件编写时间的 3-4 倍。 由于嵌入式 控制系统的特殊性，它需要编程者有缜密的思维和系统的全局观，开发嵌入式控 制系统是一项任务艰巨的工程。同时，嵌入式控制系统软件的开发是基于宿主机 和目标机模式的 4，其不同于应用程序的开发，嵌入式控制系统的调试往往是通过 串口、 并口、 CAN、 USB 等接口将宿主机和目标机进行连接调试， 由于通信时限， 和调试软件的功能限制又加大了嵌入式系统的调试难度。尤其对于分布式发电该 类电力电子设备，开发调试过程中，大量的波形数据需要实时的显示、存储以及 需要对波形的频谱分析，现行成品的开发调试软件都已不能较好的满足开发测试 的需求，为方便储能逆变的开发测试，节省调试时间，一款针对性的测试软件亟 需开发。 电子科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 在储能逆变器等电力设备的谐波检测方面，现行电力系统的谐波的检测分为 有频域检测法和时域检测法，在国内外谐波检测算法的研究过程中，主要形成有 模拟滤波、傅里叶变换、小波变换、瞬时无功功率理论、神经网络等谐波检测算 法。 模拟滤波模拟滤波 5。模拟滤波器法因其电路实现简单、较低的输出阻抗、低成本、品 质因素易于控制而在早期有较为广泛的应用。但随着对谐波检测算法的深入研究， 相比于其他检测算法，其缺点也显现，例如：检测精度对元器件的参数较为敏感， 而且受电网频率波动的影响较大，检测电路随检测谐波次数的增加而越发复杂。 随着谐波检测算法的研究，新的谐波检测算法也日趋成熟，该方法现已基本不考 虑使用。 傅里叶变换傅里叶变换(Fourier Transformation， FT) 6、7、8、9、10。 离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，DFT)被科学家提出来后，但是由于其计算量非常大，而在 较长的一段时间内都并未在工程实际应用中得到推广。直到 1965 年，由美国科学 家 Cooly 和 Tukey 两人共同提出快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation， FFT) 之后，傅里叶变换才逐渐广泛应用起来，由于其优点突出和科学家对其算法的不 断改进，傅立叶变换已经成为现在众多谐波检测算法中，应用最为广泛的一种谐 波检测方法。 小波变换小波变换(Wavelet Transformation， WT) 11、 12、 13。 小波变换相比于傅立叶变换， 其最大的优点是在分析非稳态信号方面，具有很强的优势。但其不能替代傅立叶 变换是因为其在稳态谐波检测时并不具备优势，另一方面则是因为对小波变换在 谐波检测方面的研究尚属初级阶段，还存在有许多不完善的地方。例如对最佳小 波基的选取缺乏系统的规范等。 瞬时无功功率理论瞬时无功功率理论 14、15、16、17、18。 非正弦条件下的瞬时无功功率理论在 1984 年 被日本科学家 H. Akagi 提出后，便很快的运用到电力系统的谐波检测中。当前， 基于瞬时无功功率理论在电力系统的谐波检测方面的研究已经相当深入，由于该 方法是在基于三相三线制电路中提出来的，其在三相总谐波实时检测方面有较大 的优势，然而其在运用于单相谐波检测时，需要先对三相信号分解，然后重构基 于该理论的单相电路的谐波检测方法，在单相谐波检测方面较为复杂。 神经网络神经网络(Neural Network， NN) 19、20、21、22。 1943 年， 心理学家 W.S.Mc Calloch 和数学家 W.Pitts 共同提出了神经网络算法。伴随着科学家们对神经网络算法在谐 波检测方面的研究深入，基于神经网络算法的优点凸显：计算量小、检测精度高、 实时性高、抗干扰性强。目前，基于神经网络的谐波检测算法还基本处于理论研 第一章 绪论 3 究阶段，由于缺乏规范的神经网络构造方法，而且对依赖性很强的样本也缺乏规 范，因此在工程应用中较少使用。 储能逆变器测试软件平台主要完成对储能逆变器的测试和调试。目前，工程 上大多数逆变器测试系统都采用 CAN 总线网络搭建。其拓扑方案结构为总线型， 测试设备的底层采用 CAN 总线将各单元设备的控制器连接起来，由于测试和调试 使用的主机（一般为 PC 机）都没有 CAN 总线接口，将使用 USB/CAN module 将 CAN 总线转接为 USB 总线，实现与调试主机的连接 23、24，这也增加了 CAN 总线 的使用成本。 CAN 总线由德国 BOSCH 公司提出，早期应用于汽车内部控制的一种现场总 线，在汽车控制中，需要实时传输的数据很少，所以在汽车内部 CAN 现场总线能 够得到很好的应用，随后被推广到其他工业控制领域。随着工业控制中各种复杂 算法的不断提出与应用，在现场测试中需要监控更多的实时数据，这样就需要更 快的数据传输速率，这对工业应用总线又提出了更高的要求。 在 CAN 总线的工业应用中，CAN 的传输速率与传输距离的矛盾显现。当使 用 CAN 的最高传输速率 1M bps 进行数据传输时，其可靠有效的传输距离仅为 40 米。使用 CAN 总线搭建的测试平台，由于 CAN 总线的传输距离和传输速率的限 制，这严重阻碍了测试平台的性能发挥，无法满足高速控制下的储能逆变器的测 试需求。引入另一种更快速更可靠的测试网络的要求日益迫切。 综合上述国内外对测试系统中使用的谐波检测算法和通信协议的研究现状。 在谐波检测算法中，小波变换和神经网络算法，虽然优点明显，但是现行研究程 度对于工程应用缺乏可行性。而瞬时无功理论主要应用于三相系统总谐波的检测， 应用于单相系统较为复杂。因此本文重点研究工程上应用最为广泛的基于傅立叶 变换的谐波检测方法。 虽然基于 CAN 总线的调试技术勉强还能满足现行要求，但从发展的观点看， 使用更稳定快速和不受距离限制的以太网组建网络对工业控制设备进行测试将是 未来的发展趋势。 1.3 本文主要工作 1、研究储能逆变器的拓扑及控制结构和储能逆变器中使用的控制算法。设计 储能逆变器测试软件平台，为储能逆变器软件算法的测试提供便利的接口。在熟 悉储能逆变器的软件架构基础上，于下位机设计并实现储能逆变器调试通信的软 件模块。于上位机设计控制计算机上的调试控制台程序，设计通信协议，设计和 编写应用层上的调试控制程序，实现对储能逆变器的调试和测试功能。 电子科技大学硕士学位论文 4 2、 深入研究电能质量测试方法， 对储能逆变器逆变的电能进行电能质量分析。 研究电力系统的谐波检测算法，选取一种合适算法进行深入研究并应用于平 台进行谐波检测。最终将于软件测试平台中使用算法将采集的波形数据进行频谱 分析，分析波形数据中的谐波分量及其比例。实时监测逆变器的电压电流谐波含 量、功率因素、频率偏差、电压偏差、波形畸变等电能质量参数。 3、研究以太网传输协议，使用 UDP/IP 实现 DSP 与储能逆变测试软件的数据 传输。 在目前比较成熟的网络技术中，结合储能逆变器要求的高速率远距离的测试 需求，选择以太网是比较理想的解决方案。以太网是能够很好的满足快速传输、 远程监控和高可靠性要求，在应用上也具有良好的前景，将以太网应用于储能逆 变器测试软件平台中能够很好的解决实际存在的问题。 1.4 本论文的结构安排 本文研究与开发了储能逆变器测试软件平台。根据实施方案，使用开发的软 件平台和现场设备组成了测试和调试系统。并在电子科技大学自动化研究所中开 发了实验平台。 本测试软件平台已在四川德阳某公司现场测试应用，目前平台运行情况良好。 本文第二章简要介绍了储能逆变系统并对储能逆变测试软件平台的设计进行 了需求分析，第三章研究了储能逆变器测试软件平台中的关键技术问题并对其进 行设计， 其中主要包括谐波检测算法、 效率计算的设计以及高速通信协议的设计， 第四章则是测试软件平台的实现，包括现对各个功能模块的分析和软件实现，第 五章是系统的测试与分析，其中对平台的功能使用也做了必要的介绍和说明，第 六章则是总结与展望。 第二章 储能逆变器测试软件平台设计概述 5 第二章 储能逆变器测试软件平台需求分析 2.1 储能逆变器的介绍 储能逆变器是一类适合智能电网建设，应用在储能环节，以双向变流为基本 特点，具有一系列特殊性能、功能的并网逆变器。储能逆变器的主要功能和作用 是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向传递，也是一种双向变流器， 可以适配多种直流储能单元，如超级电容器组、蓄电池组、飞轮等，其不仅可以 快速有效地实现平抑分布式发电系统随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模 可再生能源发电（风能、光伏）的接纳能力，且可与电网调度系统相配合，根据 系统负荷的峰谷特性，在负荷低谷期储存多余的发电量，在负荷高峰期释放出蓄 电池中储存的能量，实现削峰填谷，提高电网供电质量 25、26、27和经济效益。其在 电网中所处位置如图 2-1 所示。智能电网中的储能环节能有效调控电力资源，能 很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，调剂余缺，保障电网安全。在电网故障 或停电时，其还具备独立组网供电功能，以提高负载的供电安全性，在微网中起 到应急独立逆变作用。 图 2-1 储能逆变器在电网中结构图 储能逆变器是为满足对分布式发电系统储能电站的要求，适用于储能电站的 大容量储能电池的充放电系统，其具有能量双向流动、模块化、通用性、智能性 和高效性等优点，并具有良好的稳定性和安全性。 如图 2-2 所示为储能逆变器的整体结构图。 该储能逆变器由两个独立的功率模 电子科技大学硕士学位论文 6 块并联组成，并采用共直流母线的拓扑结构。储能逆变器的单功率模块额定功率 为 50 kW，模块并联后可实现 100 kW 能量的双向流动。共直流母线并联拓扑的使 用，使得各功率模块相互独立，易于对功率模块进行扩展和拆装，并降低了功率 模块的成本。储能逆变器各功率模块的三相交流测并联后，经隔离变压器接入电 网。 R La3 La2 La1 0 a e b e c e Ca GRID 电池电池 Sa Lb3 Lb2 Lb1 Cb Sb 变压器变压器 模块模块A 模块模块B PS 图 2-2 储能逆变器的整体结构图 图 2-3 为储能逆变器功率模块的拓扑及控制结构。 储能逆变器使用三相全桥的 电压源型整流器 VSR（Voltage Source Rectifier）拓扑结构 28。其交流侧使用三相 对称和没有中心线连接的方式，通过对 6 个功率开关管（IGBT）的控制，来实现 交流电与直流电之间的相互变换。储能逆变器交流端经滤波器后与电网相连，储 能逆变器为有效的抑制功率管开关纹波电流，并减小滤波器的成本，采用 LCL 型 滤波器 29、30、31、32， 本文为方便分析， 考虑为 L 型滤波器33、34， 直流端则接蓄电池。 图 2-3 中 a e、 b e、 c e分别为电网三相电动势，L1、L2、L3 为储能逆变器交流 滤波电感器，其中 R1、R2、R3 为电抗器寄生电阻。S 为 6 个功率开关管（IGBT） 组成的三相半桥。C 为并联直流稳压电容，用以实现直流端的稳压滤波。R 为蓄电 池的内阻。 第二章 储能逆变器测试软件平台设计概述 7 R2 R R3L3 L2 L1 R1 0 a e b e c e C abc/dq PI PI SVPWM abc/dq PLL - - idiq 电网 电池 ia ib g V*dV*q 功率 控制器 p* q* i*d i*q Vdc VdVq 电流控制 icva vbvc S 图 2-3 储能逆变器的拓扑及控制结构 a v、 b v、 c v为储能逆变器控制系统采集的三相网侧电压； a i、 b i、 c i为采集的 三相网侧电流； dc V为传感器采集的蓄电池直流母线电压。 由图 2-3 可见，储能逆变器为功率外环加电流内环的控制结构，使用直接电流 控制策略 35、36，该双环结构不仅能实现功率的调度，还能加快电流的响应37。当 用户或者电网调度中心对储能逆变器下达功率指令*p（有功功率） 、*q（无功功 率）后，储能逆变器控制算法将控制功率开关管动作，发出（逆变）或吸收（储 能）相应功率。 为使储能逆变系统的响应更加快速而准确，系统使用闭环控制结构。系统由 PLL（锁相环）算法 38、39、40可得到网侧电压的相位 g，得到g后，采集到的交流 测三相电压矢量经 Clack 变换后可得到V、V，同理，可得到交流电流采集值的 两相静止坐标系分量I、I。 由瞬时功率的计算理论 41， pvivi （2-1） qvivi （2-2） 得到系统的实际响应的逆变或整流功率后，与指令功率*p、*q作差，即为 外环功率控制器的输入。储能逆变器采用 PI 控制器，而 PI 控制器只能实现对直流 量的无静差跟踪。所以对V、V、I、I还需要进行 Park 变换，得到两相同步旋 电子科技大学硕士学位论文 8 转坐标系下的直流量的 d V、 q V、di、qi。 外环控制器的输出即是交流电流给定值* d i * q i。与实际采集的 d i、 q i作差，作为电流内环的输入，经 PI 调节、前馈解耦以及 SVPWM 调制等环节控制 SVPWM 模块输出相应的脉宽调制波形， 用以控制 IGBT 通断，实现闭环控制目标。 由以上分析可见，网侧三相交流电压 a v、 b v、 c v，网侧三相交流电流 a i、 b i、 c i，直流电压 dc V，直流电流 dc I为实际物理的电信号，而 d V、 q V、 d i、 q i等其他都 是变量的形式存在于程序中，参与控制算法的运算。 在储能逆变器的测试和开发调试过程中，实际电信号的量可用示波器检测并 显示。从上述分析中可知，储能逆变器控制算法中使用实际电信号量只是很少的 一部分，大量的且非常重要的程序中间变量通过示波器等硬件检测设备检测不到。 尽管，储能逆变器的实际电信号可通过示波器等设备获取，然而经传感器对信号 转换，再由 AD 采集后，并不一定能保证采集量的正确，所以为确保系统的正确 运行，这也是需要对程序变量进行观测的。 众所周知的，观测程序的中间变量的方法一般都是通过断点观测，在弱电电 路程序调试和应用程序调试中，这确实为一种方便可行且非常有效果的调试方法。 然而，在像储能逆变器等这类大功率设备调试中，这种方法是不能使用的，因为 在断点处是不能预知大功率设备功率开关管的状态，此时很有可能会引起短路故 障，烧坏设备，甚至对人身安全都有一定的威胁。通过调试软件，使用变量的实 时刷新功能虽然能观测到程序中间变量的瞬时值，但是这对时变的交流量的观测 意义不大，并且这种观测方法仅适用于在线运行调试，也存在很多弊端。 并且在储能逆变器等大功率设备在测试过程中，难免会遇到设备的故障情况， 在发生故障时，若能保存有算法的中间变量信息，这将极大的方便对故障产生的 原因和故障过程进行理论分析。 在相关的国家标准 42、43中对逆变器此类设备满足并网要求的谐波含量有明确 规定。并且在储能逆变器的测试和调试过程中，谐波含量的大小也是很关注的一 个指标，能实时显示储能逆变器电压电流的谐波含量，这对储能逆变器的测试和 调试工作也带来了很大的方便。 所以，研究设计一个能解决上述问题的储能逆变器测试软件平台是非常有意 义的。 2.2 软件平台的设计目标 针对储能逆变器等该类大功率电力电子设备的测试和研发，研究开发储能逆 变器测试软件平台，达到的设计目标包括： 第二章 储能逆变器测试软件平台设计概述 9 1、测试软件平台具有对储能逆变器单相交流电压和交流电流的谐波分析功能， 能直观和动态的显示当前检测的谐波含量； 2、能对储能逆变器的运行效率进行测试； 3、测试平台能实现对储能逆变器交直流电压、电流、功率等以及程序中间变 量的监测，并能对监控量进行实时的波形显示； 4、能根据用户的设置，对设置的监测通道按照设置的存储时间进行历史数据 存储； 5、测试平台具有高速的通信接口，能满足从储能逆变器控制板卡获取实时的 控制数据的需求； 6、具有显示数据波形的调整功能，能对显示的波形进行波形放大、添加直流 偏置等； 7、具有友好的人机交互性，能很好的协助研发人员完成对储能逆变器的测试 和调试。 2.3 软件平台的组成与结构 储能逆变器测试软件平台由运行于计算机的人机交互测试软件平台和集成于 储能逆变器功率模块控制板卡的数据采集和发送的模块两部分组成。测试平台示 意图如图 2-3 所示。 以太网 功率模块 计算机 储能逆变器储能逆变器测试软件平台 图 2-3 测试平台示意图 储能逆变器测试软件平台与储能逆变器功率模块控制板卡组成上下位机结构 模式。测试软件平台的总体架构如图 2-3 所示。 电子科技大学硕士学位论文 10 控制器DSP AD采集模块传感器模块 数据分析处理 人机交互测试平台 测 试 软 件 平 台 储 能 逆 变 器 以太网 计 算 机 计算机网卡 以太网适配器 图 2-3 平台总体架构图 集成于储能逆变器控制板卡的传感器模块主要完成储能逆变器的功率电流电 压信号到小信号的变换。AD 采集模块读取小信号数据，由控制器 DSP 作处理后并 控制以太网通信模块将数据发送至上位机 PC 机。测试软件平台读取 PC 机网卡中 的以太网数据，对数据进行解压分析处理，由人机交互测试平台显示数据分析结 果。 2.4 软件平台的需求分析 根据储能逆变器测试软件平台的设计目标，综合分析，可将平台分为上下位 机高速通信、后台数据处理和前台数据显示与人机交互三大功能模块。 三大功能模块的需求分析如下： 1、上下位机高速通信 从通信速率上考虑， 传统的 232 总线的最高通讯速率为 460800 bps， 而为了保 证通讯的可靠性一般采用 9600 bps 和 115200 bps， CAN 总线最高通讯速率则为 1M bps，这与工业以太网总线的 10M bps（甚至可以是 100M bps 和 1000M bps）相差 甚远。 从通信传输的稳定性考虑，232 总线的可靠性是最低的，CAN 总线和工业以 太网总线都满足设计需求。 从使用经济的角度考虑， 由于上下位机数据的通信， 上位机一般使用计算机， 而其是不提供 CAN 总线接口的，在使用 CAN 总线进行上下位机通信时，需要使 第二章 储能逆变器测试软件平台设计概述 11 用CAN接口卡来对数据进行处理， 这使得CAN总线的使用成本将远高于以太网。 2、后台数据处理 储能逆变器测试软件平台接收下位机数据后，数据的处理都将由平台的后台 处理完成。 上下位机的通信采用以太网， 故平台后台为获取发送的数据应具有操作 socket 的功能。采用 socket 接收数据后完成对数据的解析，平台的后台软件应具有协议 的解析功能。平台的谐波分析功能要求后台能对解析后的交流电压和交流电流数 据进行快速傅立叶分析。效率以及功率因素的测试，使得平台应具有对三相交流 信号的瞬时有功功率和瞬时无功功率的计算。交流信号有效值的显示，要求后台 算法能对交流信号进行有效值的计算。 3、前台数据显示与人机交互 储能逆变器测试软件平台的后台程序完成数据的接收、解析和相应的运算后， 数据的显示和对数据的操作将由前台显示和人机交互完成。 为了完成对历史数据的实时存储， 人机交互界面应具备链接与操作数据文档的 功能。数据波形的实时显示，则要求人机交互界面应具备对解析数据进行实时打 印显示的功能。数据波形的调整显示（例如常见的放大、缩小和加入直流偏置功 能） ，要求前台数据波形的显示能根据设置的调整参数进行动态调整显示。 2.5 本章小结 本章首先对储能逆变器的整体结构和控制结构及拓扑作了详细的介绍。分析 了储能逆变器的控制流程，然后对设计储能逆变器测试软件平台的重要性做了分 析。针对储能逆变器的设计，文章提出了将储能逆变器测试软件平台分为以运行 于计算机的人机交互测试软件平台和集成于储能逆变器功率模块控制板卡的数据 采集和发送的模块的总体设计方案。该方案结合了储能逆变器测试系统的结构特 点和测试需求，并和储能逆变器本身的控制系统进行无缝结合，从而构成了一个 功能完整的测试软件平台。 电子科技大学硕士学位论文 12 第三章 测试软件平台的关键问题及其设计 根据储能逆变器测试软件平台的设计目标，对测试软件平台的实现工作进行 了分析。其中，对储能逆变器谐波的检测、效率的计算以及高速可靠的获取下位 机大流量采样数据是设计的难点与关键。针对实现的难点和关键问题将进行详细 的探讨和理论分析，为测试软件平台的实现提供了依据。 3.1 谐波检测算法的设计 3.1.1 谐波的概念 一个周期的电气量，在经过傅里叶级数分解之后，得到的正弦波分量，这就 是对谐波的定义。基波叠加 5 次和 7 次谐波图，如图 3-1 所示。一般来说，谐波的 频率为基波频率的整倍数，也存在有非整数倍的谐波，此称为间谐波 44。 对谐波次数的定义则为：谐波的频率与基波频率的比。在我国电力系统中， 基波频率为 50Hz，按照以上对谐波次数的定义可知，3 次谐波频率为 150Hz，5 次谐波频率为 250Hz，依此类推。 图 3-1 基波叠加 5 次和 7 次谐波 根据谐波次数的奇偶性，谐波中有偶次谐波也有奇次谐波。除了基波整数倍 的谐波和非整数倍的间谐波，实际电网中也存在频率小于基波频率的谐波，此称 为次谐波。 第三章 测试软件平台中的关键问题 13 在平衡的三相系统中，由于系统的对称性，除非系统产生有谐振，其偶次谐 波已基本被消除，所以在电力系统中我们主要考虑的是奇次谐波。 信号频域分析中，将有畸变的周期性电压和电流信号可按傅立叶级数可分解 为： 1 1 ( )2sin(2) N hh h u tUhf t （3-1） 1 1 ( )2sin(2) N hh h i tIhf t （3-2） 其中 f1-为基波频率，单位：Hz； h -为谐波次数； Uh-为第 h 次谐波电压的有效值，单位：V； Ih-为第 h 次谐波电流的有效值，单位：A； h -为第 h 次谐波电压的初始相位，单位：rad； h -为第 h 次谐波电流的初相位，单位：rad； N-为最高谐波的次数。 发生畸变后的周期性的电压信号和电流信号的有效值为： 222 1 0 2 1 ( ) M T h h Uu t dtUU T （3-3） 222 1 0 2 1 ( ) M T h h Ii t dtII T （3-4） 电流和电压的 h 次谐波的含有率 HR 分别如式（3-5）和式（3-6）所示。其用 均方根值的百分比来表示。 1 100% h h I HRI I （3-5） 1 100% h h U HRU U （3-6） 总谐波畸变率THD表示的是因谐波而产生的波形畸变导致波形偏离正弦度的 程度。电流和电压总谐波的的畸变率由式（3-7）和式（3-8）分别表示。 电子科技大学硕士学位论文 14 2 2 1 100% M h h I I THD I （3-7） 2 2 1 100% M h h U U THD U （3-8） 其大小为各次谐波含量平方和的平方根与基波含量的比，一般用百分比表示。 而在非正弦的条件下，有功功率的定义为式（3-9） ， 0 1 1 cos M T hhh h PuidtU I T （3-9） 根据式（3-9） ，同理可得到在非正弦条件下，无功功率的定义为： 1 sin M hhh h QU I （3-10） 式（3-9）和式（3-10）中 h 为第 h 次的谐波电压超前谐波电流的相位。 视在功率的定义为电压有效值与电流有效值的乘积。 根据式 （3-9） 和式 （3-10） 可得非正弦条件下，视在功率为： 22 11 ()() MM hh hh SUIUI （3-11） 若假定电压波形为正弦波，则功率因数可定义为： 11 cos cos h h UIIP PF SUII （3-12） 从式（3-12）中可以得出：基波电压相位与基波电流相位的差和电流的畸变程 度都将影响功率因数。 电力系统中谐波的产生主要有发电厂设备产生的谐波，输配电系统产生的谐 波和非线性用电设备引起的谐波。其中非线性设备是谐波产生的根源，尤其是整 流器设备，是谐波产生的最主要来源。 电力系统中的谐波会加速电力设备中电容等器件的老化，影响电机的正常工 作及降低电机效率，并导致电机使用寿命缩短，在电力输送过程中增加变压器和 输电线路的损耗，在谐波重时还有可能会引起继电保护设备的误动作，高次谐波 还将影响通信系统的正常工作 45。 第三章 测试软件平台中的关键问题 15 3.1.2 谐波检测算法 经过多年的发展，科学家提出来的谐波检测算法众多，实际应用的主要谐波 检测方法可以分为时域和频域两类，如图 3-2 所示。 谐波检测方法 时域 频域 基波同步旋转变换法 谐波同步旋转变换法 基于瞬时无功理论检测法 基于广义积分控制器 其他 离散傅立叶变换（DFT） 快速离散傅立叶变换（FFT） 迭代离散傅立叶变换（RDFT） 图 3-2 主要谐波检测算法 本文选择使用基于频域的检测法快速离散傅立叶变换 （Fast Fourier Transform， FFT）中的基 2 FFT 算法进行讨论研究。 基 2 FFT 算法分为有时域抽取法 FFT(Decimation-In-Time FFT， 简称 DIT-FFT) 和频域抽取法 FFT(Decimation-In-Frequency FFT，简称 DIT-FFT) 46。 先假设某一序列的点数为 2KN， 其中 K 为整数。 在不满足这个条件的情况下， 可以人为地添加零值点，使其满足这一要求，称这种 N 为 2 的整数幂的 FFT 为