|
Dynapower功率變換器
"這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)方(fang)案(an)成(cheng)功(gong)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)我(wo)們(men)的(de)電(dian)源(yuan)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)對(dui)他(ta)們(men)的(de)產(chan)品(pin)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)，而(er)無(wu)需(xu)再(zai)通(tong)過(guo)軟(ruan)件(jian)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)幫(bang)助(zhu)來(lai)完(wan)成(cheng)。這(zhe)個(ge)全(quan)新(xin)的(de)平(ping)台(tai)以(yi)及(ji)開(kai)發(fa)方(fang)法(fa)將(jiang)我(wo)們(men)的(de)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)從(cong)最(zui)初(chu)的(de)72周縮短為24周。這些工具真正地將設計帶到了一個新的層次。我們在設計初期的時候就有了百分之90的信心指數，同時，也最小化了產品原型化階段的硬件修改周期。"
挑戰:
我們需要設計一個獨特的功率變換機製以及逆變器係統的拓撲結構，以完全發揮用於電網能量存儲的碳性電池的優勢。
解決方案:
使用全新的NI Single-Board RIO通用變頻器控製器（GPIC），為電網提供有功功率和無功功率，以穩定運行使用了具有功率突變特性的多種發電電源（例如風能和太陽能發電）的實際應用，或者對不穩定的負載進行補償。
最近，Dynapower在NI LabVIEW可重配置I/O架構以及NI Single-Board RIO GPIC平台的基礎上開發了一條專門為電網並網能量存儲而設計的功率變換器的生產線。LabVIEW電力電子設計平台和基於FPGA的NI GPIC幫助我們縮短了功率變換器的開發時間，設計時間從最初的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間的三分之一就將一個高級、高質量的產品推向了市場。
設計概覽
在過去的50年中，Dynapower 公司, LLC 一直在為工業、采礦業和高能物理應用提供高電壓、高電流的功率變換器。在有效解決功率變換器行業的複雜挑戰上，我們一直處於行業領先地位，我們服務的客戶包括Los Alamos 和 Oak Ridge國家實驗室。
最近，Axion Power International公(gong)司(si)就(jiu)一(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)的(de)高(gao)級(ji)碳(tan)性(xing)電(dian)池(chi)產(chan)品(pin)與(yu)我(wo)們(men)進(jin)行(xing)了(le)合(he)作(zuo)探(tan)討(tao)，需(xu)要(yao)將(jiang)這(zhe)種(zhong)產(chan)品(pin)運(yun)用(yong)在(zai)我(wo)們(men)的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)生(sheng)產(chan)線(xian)中(zhong)。將(jiang)高(gao)級(ji)的(de)碳(tan)性(xing)電(dian)池(chi)用(yong)於(yu)並(bing)網(wang)的(de)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)應(ying)用(yong)有(you)著(zhe)許(xu)多(duo)優(you)勢(shi)，包(bao)括(kuo)快(kuai)速(su)的(de)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)速(su)率(lv)，較(jiao)長(chang)的(de)產(chan)品(pin)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)深(shen)循(xun)環(huan)放(fang)電(dian)。但(dan)是(shi)，他(ta)們(men)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)獨(du)特(te)的(de)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)器(qi)和(he)逆(ni)變(bian)器(qi)係(xi)統(tong)拓(tuo)撲(pu)來(lai)完(wan)全(quan)實(shi)現(xian)這(zhe)些(xie)優(you)勢(shi)。
在對多種業界最先進的數字控製技術進行深入評估後，我們選擇了全新的NI GPIC來為Axion Power International 公司的碳性電池電網並購能量存儲係統開發高級的多通道直流至直流變換器。NI GPIC是基於NI LabVIEW RIO架構，提供了特定的I/O集合來滿足商業批量生產數字能量係統對成本和性能的需求。
該係統可以為電網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電電源（例如風能和太陽能發電）的實際應用的穩定運行，或者對不穩定的負載進行補償。多個並行通道的碳性電池通過一個與每一個通道都相連的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，並直接與電網進行並網。在NI GPIC FPGA強大的處理能力的幫助下，一個獨立的控製器就可以對多個並行的變換器進行管理。
圖1. Dynapower 多通道DC/DC變換器拓撲
係統組件
該係統由以下組件組成：
一個50KW的直流/直流功率變換器模塊
我們麵臨的設計挑戰目標非常難實現。Axion Powergongsilaixunqiuwomendebangzhu，yaoqiushixiankekongdedianliufenpeihebingxingdebianhuanqizhijiandejingquepingheng，buguanshizaiyingyongjiaohucaozuohuanjingxiahuozheshizaiweidianwangmoshixia，zhezhongpinghengdouyaokeyibaochi。yinci，womenxuyaoyigegaosudexiangyingsuanfalaizailiangzhonggongzuomoshizhijianjinxingwufengqiehuan。
圖2. Dynapower 50KW模塊化直流/直流變換器拓撲和基於FPGA的高級電力電子控製器
NI LabVIEW RIO架構
NI基於FPGA的RIO架構，集成了處理器，一個FPGA芯片和逆變器I/O，所有的元素都通過LabVIEW係(xi)統(tong)設(she)計(ji)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)，由(you)於(yu)這(zhe)個(ge)架(jia)構(gou)可(ke)以(yi)平(ping)行(xing)並(bing)且(qie)高(gao)速(su)地(di)與(yu)變(bian)換(huan)器(qi)進(jin)行(xing)通(tong)訊(xun)，所(suo)以(yi)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)地(di)解(jie)決(jue)我(wo)們(men)麵(mian)臨(lin)的(de)問(wen)題(ti)。在(zai)管(guan)理(li)電(dian)池(chi)在(zai)特(te)定(ding)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)之(zhi)外(wai)，該(gai)控(kong)製(zhi)器(qi)還(hai)用(yong)於(yu)管(guan)理(li)內(nei)部(bu)電(dian)流(liu)環(huan)和(he)外(wai)部(bu)係(xi)統(tong)環(huan)路(lu)。
圖3. LabVIEW RIO架構
一個基於FPGA的電力電子控製器
使用現代基於FPGA的控製係統，我們能夠以較低的成本來解決這個挑戰。我們選擇了全新的NI GPIC，因為基於FPGA的平台可以為我們提供比以前使用的傳統數字信號處理器平台高出40倍的單位美元性能。與一個完全自定義的控製器設計方案對比來說，使用NI的LabVIEW工gong具ju鏈lian和he開kai發fa平ping台tai可ke以yi大da大da減jian少shao我wo們men的de開kai發fa成cheng本ben並bing降jiang低di開kai發fa的de風feng險xian。這zhe樣yang，底di層ceng的de基ji於yu文wen本ben的de編bian程cheng語yu言yan和he完wan全quan自zi定ding製zhi的de設she計ji架jia構gou就jiu變bian成cheng了le一yi種zhong負fu擔dan，而er且qie，更geng重zhong要yao的de是shi，這zhe樣yang的de劃hua分fen也ye為wei我wo們men的de電dian源yuan工gong程cheng師shi和he程cheng序xu員yuan帶dai來lai了le不bu可ke逾yu越yue的de障zhang礙ai。
圖4. NI Single-Board RIO GPIC
圖形化的係統設計方法對開發成本和開發時間帶來的影響
這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)方(fang)案(an)成(cheng)功(gong)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)我(wo)們(men)的(de)電(dian)源(yuan)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)對(dui)他(ta)們(men)的(de)產(chan)品(pin)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)，而(er)不(bu)需(xu)要(yao)再(zai)通(tong)過(guo)軟(ruan)件(jian)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)幫(bang)助(zhu)來(lai)完(wan)成(cheng)。這(zhe)個(ge)全(quan)新(xin)的(de)平(ping)台(tai)以(yi)及(ji)開(kai)發(fa)方(fang)法(fa)將(jiang)我(wo)們(men)的(de)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)從(cong)最(zui)初(chu)的(de)72周縮短為24周。使用NI Single-Board RIO GPIC，我們可以先使用與NI Multisim聯合運行的桌麵聯合仿真功能來開發我們的高級LabVIEW FPGA電力電子控製算法，然後使用NI Ultiboard來設計自定製的接口電路板，並且使用NI GPIC來(lai)部(bu)署(shu)我(wo)們(men)的(de)商(shang)業(ye)電(dian)網(wang)並(bing)網(wang)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)器(qi)係(xi)統(tong)。這(zhe)些(xie)工(gong)具(ju)是(shi)真(zhen)正(zheng)的(de)將(jiang)設(she)計(ji)帶(dai)到(dao)了(le)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)層(ceng)次(ci)，使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)工(gong)具(ju)，每(mei)一(yi)個(ge)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)比(bi)傳(chuan)統(tong)的(de)開(kai)發(fa)模(mo)式(shi)節(jie)省(sheng)114人月的開發成本，幫助我們以一個比原來小2.4倍的團隊僅使用了不到原來一半的時間就完成了設計開發。我們在初期設計的時候就可以有百分之90的信心指數，同時，也最小化了產品原型化階段的硬件修改周期。
圖5.NI GPIC的開發方法
圖6. 最初Dynapower的開發方式是典型的傳統嵌入式係統設計過程，包括一個傳統的DSP電路板以及以高級仿真模型為基礎的基於文本的控製程序
圖7. Dynapower全新的開發方式使用了NI GPIC硬件和圖形人的係統設計流程，這個開發流程幫助Dynapower獲得了3倍的開發時間縮減
未來的開發應用
我們的電網並網功率變換器的下一步目標包括了嵌入式的電能質量分析；係統的獨立運行；遠程的通訊和控製；數據彙集；以及使用一個多端口，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係統中。NI開(kai)發(fa)平(ping)台(tai)提(ti)供(gong)了(le)很(hen)高(gao)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)我(wo)們(men)拓(tuo)展(zhan)更(geng)多(duo)全(quan)新(xin)的(de)業(ye)務(wu)。我(wo)們(men)將(jiang)很(hen)樂(le)意(yi)將(jiang)以(yi)後(hou)的(de)設(she)計(ji)開(kai)發(fa)基(ji)於(yu)一(yi)種(zhong)高(gao)級(ji)的(de)設(she)計(ji)語(yu)言(yan)，隻(zhi)要(yao)這(zhe)種(zhong)語(yu)言(yan)易(yi)於(yu)閱(yue)讀(du)並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)讓(rang)我(wo)們(men)的(de)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)專(zhuan)家(jia)使(shi)用(yong)。
|
