Dynapower功率變換器

　　"這個(gè)設(shè)計(jì)方案成功的關(guān)鍵在于我們的電源工程師可以直接對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行編程，而無需再通過軟件工程師的幫助來完成。這個(gè)全新的平臺(tái)以及開發(fā)方法將我們的開發(fā)時(shí)間從最初的72周縮短為24周。這些工具真正地將設(shè)計(jì)帶到了一個(gè)新的層次。我們?cè)谠O(shè)計(jì)初期的時(shí)候就有了百分之90的信心指數(shù)，同時(shí)，也最小化了產(chǎn)品原型化階段的硬件修改周期。"
　　- Kyle Clark, Dynapower公司, LLC
　　挑戰(zhàn):
　　我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)特的功率變換機(jī)制以及逆變器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以完全發(fā)揮用于電網(wǎng)能量存儲(chǔ)的碳性電池的優(yōu)勢(shì)。
　　解決方案:
　　使用全新的NI Single-Board RIO通用變頻器控制器（GPIC），為電網(wǎng)提供有功功率和無功功率，以穩(wěn)定運(yùn)行使用了具有功率突變特性的多種發(fā)電電源（例如風(fēng)能和太陽能發(fā)電）的實(shí)際應(yīng)用，或者對(duì)不穩(wěn)定的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。
　　最近，Dynapower在NI LabVIEW可重配置I/O架構(gòu)以及NI Single-Board RIO GPIC平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一條專門為電網(wǎng)并網(wǎng)能量存儲(chǔ)而設(shè)計(jì)的功率變換器的生產(chǎn)線。LabVIEW電力電子設(shè)計(jì)平臺(tái)和基于FPGA的NI GPIC幫助我們縮短了功率變換器的開發(fā)時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)間從最初的72周縮短為24周。在NI GPIC和LabVIEW工具鏈的幫助下，我們僅用了之前所需要時(shí)間的三分之一就將一個(gè)高級(jí)、高質(zhì)量的產(chǎn)品推向了市場。
　　設(shè)計(jì)概覽
　　在過去的50年中，Dynapower 公司, LLC 一直在為工業(yè)、采礦業(yè)和高能物理應(yīng)用提供高電壓、高電流的功率變換器。在有效解決功率變換器行業(yè)的復(fù)雜挑戰(zhàn)上，我們一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位，我們服務(wù)的客戶包括Los Alamos 和 Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室。
　　最近，Axion Power International公司就一種全新的高級(jí)碳性電池產(chǎn)品與我們進(jìn)行了合作探討，需要將這種產(chǎn)品運(yùn)用在我們的功率轉(zhuǎn)換器的生產(chǎn)線中。將高級(jí)的碳性電池用于并網(wǎng)的能量存儲(chǔ)應(yīng)用有著許多優(yōu)勢(shì)，包括快速的充電和放電速率，較長的產(chǎn)品生命周期，并且可以進(jìn)行深循環(huán)放電。但是，他們需要一個(gè)獨(dú)特的功率變換器和逆變器系統(tǒng)拓?fù)鋪硗耆珜?shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)。
　　在對(duì)多種業(yè)界最先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行深入評(píng)估后，我們選擇了全新的NI GPIC來為Axion Power International 公司的碳性電池電網(wǎng)并購能量存儲(chǔ)系統(tǒng)開發(fā)高級(jí)的多通道直流至直流變換器。NI GPIC是基于NI LabVIEW RIO架構(gòu)，提供了特定的I/O集合來滿足商業(yè)批量生產(chǎn)數(shù)字能量系統(tǒng)對(duì)成本和性能的需求。
　　該系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供有功功率和無功功率，以幫助使用了具有功率突變特性的多種發(fā)電電源（例如風(fēng)能和太陽能發(fā)電）的實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定運(yùn)行，或者對(duì)不穩(wěn)定的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。多個(gè)并行通道的碳性電池通過一個(gè)與每一個(gè)通道都相連的DC/DC變換器互相連接在一起。而共用的DC連接端則與逆變器相連，并直接與電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。在NI GPIC FPGA強(qiáng)大的處理能力的幫助下，一個(gè)獨(dú)立的控制器就可以對(duì)多個(gè)并行的變換器進(jìn)行管理。

圖1. Dynapower 多通道DC/DC變換器拓?fù)?/p>

　　系統(tǒng)組件
　　該系統(tǒng)由以下組件組成：
　　一個(gè)50KW的直流/直流功率變換器模塊
　　我們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)目標(biāo)非常難實(shí)現(xiàn)。Axion Power公司來尋求我們的幫助，要求實(shí)現(xiàn)可控的電流分配和并行的變換器之間的精確平衡，不管是在應(yīng)用交互操作環(huán)境下或者是在微電網(wǎng)模式下，這種平衡都要可以保持。因此，我們需要一個(gè)高速的響應(yīng)算法來在兩種工作模式之間進(jìn)行無縫切換。

圖2. Dynapower 50KW模塊化直流/直流變換器拓?fù)浜突贔PGA的高級(jí)電力電子控制器

　　NI LabVIEW RIO架構(gòu)
　　NI基于FPGA的RIO架構(gòu)，集成了處理器，一個(gè)FPGA芯片和逆變器I/O，所有的元素都通過LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行編程，由于這個(gè)架構(gòu)可以平行并且高速地與變換器進(jìn)行通訊，所以可以輕松地解決我們面臨的問題。在管理電池在特定模式下的充電和放電之外，該控制器還用于管理內(nèi)部電流環(huán)和外部系統(tǒng)環(huán)路。

圖3.  LabVIEW RIO架構(gòu)

　　一個(gè)基于FPGA的電力電子控制器
　　使用現(xiàn)代基于FPGA的控制系統(tǒng)，我們能夠以較低的成本來解決這個(gè)挑戰(zhàn)。我們選擇了全新的NI GPIC，因?yàn)榛贔PGA的平臺(tái)可以為我們提供比以前使用的傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器平臺(tái)高出40倍的單位美元性能。與一個(gè)完全自定義的控制器設(shè)計(jì)方案對(duì)比來說，使用NI的LabVIEW工具鏈和開發(fā)平臺(tái)可以大大減少我們的開發(fā)成本并降低開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。這樣，底層的基于文本的編程語言和完全自定制的設(shè)計(jì)架構(gòu)就變成了一種負(fù)擔(dān)，而且，更重要的是，這樣的劃分也為我們的電源工程師和程序員帶來了不可逾越的障礙。

圖4. NI Single-Board RIO GPIC

　　圖形化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間帶來的影響
　　這個(gè)設(shè)計(jì)方案成功的關(guān)鍵在于我們的電源工程師可以直接對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行編程，而不需要再通過軟件工程師的幫助來完成。這個(gè)全新的平臺(tái)以及開發(fā)方法將我們的開發(fā)時(shí)間從最初的72周縮短為24周。使用NI Single-Board RIO GPIC，我們可以先使用與NI Multisim聯(lián)合運(yùn)行的桌面聯(lián)合仿真功能來開發(fā)我們的高級(jí)LabVIEW FPGA電力電子控制算法，然后使用NI Ultiboard來設(shè)計(jì)自定制的接口電路板，并且使用NI GPIC來部署我們的商業(yè)電網(wǎng)并網(wǎng)功率變換器系統(tǒng)。這些工具是真正的將設(shè)計(jì)帶到了一個(gè)新的層次，使用這些工具，每一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)我們就可以比傳統(tǒng)的開發(fā)模式節(jié)省114人月的開發(fā)成本，幫助我們以一個(gè)比原來小2.4倍的團(tuán)隊(duì)僅使用了不到原來一半的時(shí)間就完成了設(shè)計(jì)開發(fā)。我們?cè)诔跗谠O(shè)計(jì)的時(shí)候就可以有百分之90的信心指數(shù)，同時(shí)，也最小化了產(chǎn)品原型化階段的硬件修改周期。

圖5. NI GPIC的開發(fā)方法

圖6. 最初Dynapower的開發(fā)方式是典型的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，包括一個(gè)傳統(tǒng)的DSP電路板以及以高級(jí)仿真模型為基礎(chǔ)的基于文本的控制程序

圖7. Dynapower全新的開發(fā)方式使用了NI GPIC硬件和圖形人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，這個(gè)開發(fā)流程幫助Dynapower獲得了3倍的開發(fā)時(shí)間縮減

　　未來的開發(fā)應(yīng)用
　　我們的電網(wǎng)并網(wǎng)功率變換器的下一步目標(biāo)包括了嵌入式的電能質(zhì)量分析；系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行；遠(yuǎn)程的通訊和控制；數(shù)據(jù)匯集；以及使用一個(gè)多端口，多層次的交流/直流變換器來通過共用的直流端口來將太陽能電池充電器集成到系統(tǒng)中。NI開發(fā)平臺(tái)提供了很高的靈活性，可以幫助我們拓展更多全新的業(yè)務(wù)。我們將很樂意將以后的設(shè)計(jì)開發(fā)基于一種高級(jí)的設(shè)計(jì)語言，只要這種語言易于閱讀并且可以方便地讓我們的功率變換專家使用。