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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(wú)需再通過(guò)軟件工程師的幫助來(lái)完成。這個(gè)全新的平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)方法將我們的開(kāi)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。"
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(wú)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(yáng)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(kāi)發(fā)了一條專門(mén)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(kāi)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(chǎng)。
設(shè)計(jì)概覽
在過(guò)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(guó)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(zhǎng)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?lái)完全實(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(lái)為Axion Power International 公司的碳性電池電網(wǎng)并購(gòu)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)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(lái)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(wú)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(yáng)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(guò)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)?/span>
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(lái)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(lái)在兩種工作模式之間進(jìn)行無(wú)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(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)說(shuō)，使用NI的LabVIEW工具鏈和開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以大大減少我們的開(kāi)發(fā)成本并降低開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。這樣，底層的基于文本的編程語(yǔ)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(lái)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(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間帶來(lái)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(guò)軟件工程師的幫助來(lái)完成。這個(gè)全新的平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)方法將我們的開(kāi)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(lái)開(kāi)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(lái)設(shè)計(jì)自定制的接口電路板，并且使用NI GPIC來(lái)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(kāi)發(fā)模式節(jié)省114人月的開(kāi)發(fā)成本，幫助我們以一個(gè)比原來(lái)小2.4倍的團(tuán)隊(duì)僅使用了不到原來(lái)一半的時(shí)間就完成了設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)發(fā)方法
圖6. 最初Dynapower的開(kāi)發(fā)方式是典型的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)流程幫助Dynapower獲得了3倍的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮減
未來(lái)的開(kāi)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(lái)通過(guò)共用的直流端口來(lái)將太陽(yáng)能電池充電器集成到系統(tǒng)中。NI開(kāi)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(lè)意將以后的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于一種高級(jí)的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，只要這種語(yǔ)言易于閱讀并且可以方便地讓我們的功率變換專家使用。
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