Dynapower功率變換器
"這個設計方案成功的關鍵在于我們的電源工程師可以直接對他們的產品進行編程，而無需再通過軟件工程師的幫助來完成。這個全新的平臺以及開發方法將我們的開發時間從最初的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。"
- Kyle Clark, Dynapower公司, LLC
挑戰:
我們需要設計一個獨特的功率變換機制以及逆變器系統的拓撲結構，以完全發揮用于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通用變頻器控制器（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平臺的基礎上開發了一條專門為電網并網能量存儲而設計的功率變換器的生產線。LabVIEW電力電子設計平臺和基于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復雜挑戰上，我們一直處于行業領先地位，我們服務的客戶包括Los Alamos 和 Oak Ridge國家實驗室。
最近，Axion Power International公司就一種全新的高級碳性電池產品與我們進行了合作探討，需要將這種產品運用在我們的功率轉換器的生產線中。將高級的碳性電池用于并網的能量存儲應用有著許多優勢，包括快速的充電和放電速率，較長的產品生命周期，并且可以進行深循環放電。但是，他們需要一個獨特的功率變換器和逆變器系統拓撲來完全實現這些優勢。
在對多種業界最先進的數字控制技術進行深入評估后，我們選擇了全新的NI GPIC來為Axion Power International 公司的碳性電池電網并購能量存儲系統開發高級的多通道直流至直流變換器。NI GPIC是基于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系統對成本和性能的需求。
該系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。多個并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，并直接與電網進行并網。在NI GPIC FPGA強大的處理能力的幫助下，一個獨立的控制器就可以對多個并行的變換器進行管理。
圖1. Dynapower 多通道DC/DC變換器拓撲
系統組件
該系統由以下組件組成：
一個50KW的直流/直流功率變換器模塊
我們面臨的設計挑戰目標非常難實現。Axion Power公司來尋求我們的幫助，要求實現可控的電流分配和并行的變換器之間的精確平衡，不管是在應用交互操作環境下或者是在微電網模式下，這種平衡都要可以保持。因此，我們需要一個高速的響應算法來在兩種工作模式之間進行無縫切換。
圖2. Dynapower 50KW模塊化直流/直流變換器拓撲和基于FPGA的高級電力電子控制器
NI LabVIEW RIO架構
NI基于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系統設計軟件進行編程，由于這個架構可以平行并且高速地與變換器進行通訊，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部電流環和外部系統環路。
圖3. LabVIEW RIO架構
一個基于FPGA的電力電子控制器
使用現代基于FPGA的控制系統，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，因為基于FPGA的平臺可以為我們提供比以前使用的傳統數字信號處理器平臺高出40倍的單位美元性能。與一個完全自定義的控制器設計方案對比來說，使用NI的LabVIEW工具鏈和開發平臺可以大大減少我們的開發成本并降低開發的風險。這樣，底層的基于文本的編程語言和完全自定制的設計架構就變成了一種負擔，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
圖形化的系統設計方法對開發成本和開發時間帶來的影響
這個設計方案成功的關鍵在于我們的電源工程師可以直接對他們的產品進行編程，而不需要再通過軟件工程師的幫助來完成。這個全新的平臺以及開發方法將我們的開發時間從最初的72周縮短為24周。使用NI Single-Board RIO GPIC，我們可以先使用與NI Multisim聯合運行的桌面聯合仿真功能來開發我們的高級LabVIEW FPGA電力電子控制算法，然后使用NI Ultiboard來設計自定制的接口電路板，并且使用NI GPIC來部署我們的商業電網并網功率變換器系統。這些工具是真正的將設計帶到了一個新的層次，使用這些工具，每一個產品設計我們就可以比傳統的開發模式節省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系統設計過程，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于文本的控制程序
圖7. Dynapower全新的開發方式使用了NI GPIC硬件和圖形人的系統設計流程，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
我們的電網并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；系統的獨立運行；遠程的通訊和控制；數據匯集；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系統中。NI開發平臺提供了很高的靈活性，可以幫助我們拓展更多全新的業務。我們將很樂意將以后的設計開發基于一種高級的設計語言，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。
