當前隨著世界經濟的發展，電力的需求量越來越大，能源和環保問題日益增加，本著可持續發展的理念，對風能、太陽能等可再生能源發電的投入不斷加大，可以預見風力和太陽能發電將成為未來電力系統的重要組成。變流器是儲能系統的核心設備，承擔電能雙向轉換的關鍵角色。在充電時，將電網或新能源發電的交流電(AC)轉為直流電(DC)存儲于電池；放電時，再將直流電逆變為交流電供負載使用。作為連接儲能電池與電網/負荷的“橋梁”，變流器的性能直接影響儲能系統的效率、穩定性和經濟性。隨著全球風力/光伏發電占比提升和電力系統靈活性需求激增，儲能變流器市場迎來爆發。據GGIl數據，2023年全球儲能變流器出貨量超150GW，中國占比超60%，預計2025年市場規模將突破千億元。

技術迭代上，光儲一體化、高壓級聯、構網型等創新方案正成為行業焦點，推動變流器從單一逆變功能向“智能電網調節器”升級。目前，世界上已有的柔性直流輸電工程廣泛采用的電壓型變流器多是兩電平換流器技術。由于兩電平換流器電路結構簡單且成本低但其缺點也很突出：

1）單個閥需要串聯大量開關器件，必然引起的靜態、動態均壓問題；

2）由于電平數低，輸出諧波較大，需要配置交流濾波器抑制高頻諧波；

3）電壓等級較低，功率器件投切頻率很高，增大了開關損耗，逆變效率低，不適用于高壓系統；

4）高階躍電壓導致電磁干擾問題嚴重。正是因為現有的多電平變換器存在上述不可避免的缺點，模塊化多電平變流器(MMC)應用而生。其優點包括：

1）子模塊的串聯結構可提高換流器的額定電壓和容量，且交流側輸出電壓波形為多電平階梯波，諧波含量低；

2）橋功率器件數量與子模塊成正比，冗余特性好,電壓應力低，等效的開關頻率下，器件的開關頻率低、開關損耗小；3）無需濾波器和變壓器。

▲模塊化多電平變流器拓撲結構

由MMC結構可知，相對于傳統變流器，MMC橋臂子模塊內含有大量的儲能元件，需要監控的實時數據、控制目標數量眾多。當級聯子模塊數目達成幾十個甚至上百個時，單個控制器由于運算速度與引腳數目有限，難以處理MMC的控制問題,需要用多控制器協調控制的方法實現控制策略，同時需要可靠、高速、大容量的通信方式將控制器連接起來進行數據通信，造成多個控制器之間的協調控制難度增大。傳統的CAN通訊或RS485通訊傳輸速率較慢，可靠性較低，導致各子模塊之間信號同步性較差，難以滿足多個控制器之間協調運行及高速可靠地通訊要求，且子模塊個數的增加會同時帶來光纖使用量的倍數增長，使得整個系統子模塊板總體成本大大增加，同時也增加了PCB制板成本及MMC裝置的空間成本。EtherCAT是由德國倍福自動化公司于2003年提出的實時工業以太網技術。EtherCAT通信技術具有突出的實時性、靈活性以及同步性等優點，與模塊化多電平變換器的子模塊多、子模塊同步難、系統控制復雜、通信實時性要求高等難點完美的契合。實現基于EtherCAT工業以太網的的MMC控制系統，為解決上述問題提供全新方案。該系統PLC主控制器與各從站控制器間通過EtherCAT數據幀進行通信，相比于傳統CAN通信等模式，極大地提高了主從站間的傳輸速率及可靠性，可以精確地保證從站單元控制器間的載波信號同步，增強模塊化級聯的可擴展性。

01

EtherCAT的模塊化多電平變流器控制系統

基于EtherCAT的模塊化多電平變流器的系統控制包括監控站、主站PLC、從站控制器。

▲基于EtherCAT的MMC控制系統結構圖

監控站與主控制器進行通信，具體功能如下：實現控制參數下發和指令下達、監測整個系統的運行狀態。監控站采用PC，使用人機交互界面，基于TwinCAT軟件實現PLC的控制，該軟件的優勢在于可利用其自帶的TwinCAT scope2功能模擬示波器，對程序中出現的任意變量實現波形的實時記錄與分析。主站控制器為PLC，具有以下功能：通過EtherCAT工業以太網與6個從站控制器通信，接收從站控制器上傳的6個橋臂電流、直流側電壓、三相輸出電壓和電流以及各個子模塊電容電壓，并下發相應橋臂調制波信號給從站控制器。主控制器是整個MMC 系統的運算及控制核心，主要實現MMC的外功率環、內電流環和環流抑制控制，并生成調制波下發給各個從站控制器。從站控制器基于EtherCAT從站控制器（ESC）和DSP芯片組成的EtherCAT從站設備，主要功能如下：通過AD模塊采集三相MMC上下橋臂電流、直流側電壓、三相輸出電壓和電流并上傳給主站PLC；接收主站發過來的相應橋臂調制波信號，同時接收子模塊上傳的電容電壓、電容電流及故障信號，并產生PWM信號下發給相應子模塊。從站控制器負責 MMC系統的調制控制和電容電壓均衡控制。需要指出的是EtherCAT從站設備一共有6塊，為了節約資源，每塊負責4個子模塊即一個橋臂的信號處理。未來如果要擴展電平數，可以選擇每塊EtherCAT從站設備控制的子模塊個數小于或等于4，最終滿足每個橋臂子模塊級聯的數量除以每個杯臂從站控制器個數剛好等于整數即可，這樣既節約了成本，又增加了系統結構的靈活性。

02

基于EtherCAT的模塊化多電平變流器從站系統

DSP控制板和從站控制器芯片共同構成了EtherCAT 從站，該從站包括電壓電流采樣電路、故障檢測電路、保護動作電路、PWM發生電路，這些硬件電路組合共同完成了變流器從站所需實現的功能。

▲基于EtherCAT的MMC從站功能示意圖

從站控制微處理器DSP的主要功能是完成EtherCAT 從站系統的控制功能。EtherCAT從站控制器 ESC 的主要功能是處理 EtherCAT 數據幀，幫助主站和DSP完成相應的信息交換，EtherCAT 主站和從站在建立完狀態機以后進入正常的本地數據交換時，交換的數據被存儲在 ESC內部一個固定的存儲空間里。同時DSP會專門劃分出一段存儲區與其相映射，以便于DSP提取相關數據執行相應操作。

03

碼靈半導體MMC控制系統EtherCAT通信解決方案

EtherCAT從站的核心部分是EtherCAT從站控制器，用來實現EtherCAT的物理層和數據鏈路層的協議。碼靈半導體推出的CF110x系列芯片是為實現 EtherCAT 從站設計的提供了一款經濟高效且緊湊的從站芯片。碼靈半導體CF110x系列有著廣泛的應用場景，可以作為一個使用分布式時鐘的沒有外部邏輯的最多32位數字IO 節點使用，也可以作為一個具有最多3個EtherCAT通信端口的微控制器的一部分使用。CF110x系列芯片的封裝(QFN)尺寸小，最大尺寸為 12mmx12mm，最小尺寸僅為9mmx9mm，且僅需少量的外部電路就能組成最小工作系統，所以在設計時，整個從站控制系統體積可以設計得非常緊湊。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

雖然碼靈半導體CF110x系列從站專用芯片體積較小，但內部資源十分豐富。包含8個FMMU(現場總線內存管理單元)，8個SyncManager(同步管理器)，8KB的DPRAM(雙端口RAM)用于存放數據。支持三種 PDI(過程數據接口)接口：32位 Digital I/O、SPI 從站接口、8/16位異步微控制器接口（μC8/16），其中SPI號μC8/16方式用于連接外部微處理器，組成復雜EtherCAT從站。支持64位分布時鐘，分布時鐘引腳與微處理器（MCU/DSP）的中斷引腳連接，實現多個從站控制任務與輸入采樣的同步。通過I2C接口連接EEPROM存儲器，存儲從站設備描述信息。此外CF110x系列最多支持3個通信端口，內部集成了兩個以太網PHY 芯片，每個以太網PHY芯片均包含一個全雙工100BASE-TX收發器支持，支持100Mbps工作速率，兼容快速以太網標準，通過外部光纖收發器實現 100BASE-FX。對于工業應用而言，碼靈半導體CF110x系列內部集成了兩個以太網PHY芯片，有利于系統高度集成，在電路設計過程中，更簡潔布線更容易。此外，與其它EtherCAT從站控制芯片相比，碼靈半導體CF110x系列價格更低，在后期產品成本控制上，具有更大優勢，可以提高產品市場競爭力。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片

結構框圖基于EtherCAT的模塊化多電平變流器控制系統能有效地降低系統控制復雜度，提高了主從站間的傳輸速率及可靠性，同時利用其分布時鐘功能使從站控制器間載波信號得到精確同步，增強了MMC 模塊化級聯的可擴展性。碼靈半導體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片為模塊化多電平變流器控制系統EtherCAT通信帶來高效、緊湊、高性價比的全新解決方案。