作者: Kyle Clark, Dynapower 公司, LLC
Dynapower功率变换器
"这个设计方案成功的关键在于我们的电源工程师可以直接对他们的产品进行编程，而无需再通过软件工程师的帮助来完成。这个全新的平台以及开发方法将我们的开发时间从最初的72周缩短为24周。这些工具真正地将设计带到了一个新的层次。我们在设计初期的时候就有了百分之90的信心指数，同时，也最小化了产品原型化阶段的硬件修改周期。"
- Kyle Clark, Dynapower公司, LLC
挑战:
我们需要设计一个独特的功率变换机制以及逆变器系统的拓扑结构，以完全发挥用于电网能量存储的碳性电池的优势。
解决方案:
使用全新的NI Single-Board RIO通用变频器控制器(GPIC)，为电网提供有功功率和无功功率，以稳定运行使用了具有功率突变特性的多种发电电源(例如风能和太阳能发电)的实际应用，或者对不稳定的负载进行补偿。
最近，Dynapower在NI LabVIEW可重配置I/O架构以及NI Single-Board RIO GPIC平台的基础上开发了一条专门为电网并网能量存储而设计的功率变换器的生产线。LabVIEW电力电子设计平台和基于FPGA的NI GPIC帮助我们缩短了功率变换器的开发时间，设计时间从最初的72周缩短为24周。在NI GPIC和LabVIEW工具链的帮助下，我们仅用了之前所需要时间的三分之一就将一个高级、高质量的产品推向了市场。
设计概览
在过去的50年中，Dynapower 公司, LLC 一直在为工业、采矿业和高能物理应用提供高电压、高电流的功率变换器。在有效解决功率变换器行业的复杂挑战上，我们一直处于行业领先地位，我们服务的客户包括Los Alamos 和 Oak Ridge国家实验室。
最近，Axion Power International公司就一种全新的高级碳性电池产品与我们进行了合作探讨，需要将这种产品运用在我们的功率转换器的生产线中。将高级的碳性电池用于并网的能量存储应用有着许多优势，包括快速的充电和放电速率，较长的产品生命周期，并且可以进行深循环放电。但是，他们需要一个独特的功率变换器和逆变器系统拓扑来完全实现这些优势。
在对多种业界最先进的数字控制技术进行深入评估后，我们选择了全新的NI GPIC来为Axion Power International 公司的碳性电池电网并购能量存储系统开发高级的多通道直流至直流变换器。NI GPIC是基于NI LabVIEW RIO架构，提供了特定的I/O集合来满足商业批量生产数字能量系统对成本和性能的需求。
该系统可以为电网提供有功功率和无功功率，以帮助使用了具有功率突变特性的多种发电电源(例如风能和太阳能发电)的实际应用的稳定运行，或者对不稳定的负载进行补偿。多个并行通道的碳性电池通过一个与每一个通道都相连的DC/DC变换器互相连接在一起。而共用的DC连接端则与逆变器相连，并直接与电网进行并网。在NI GPIC FPGA强大的处理能力的帮助下，一个独立的控制器就可以对多个并行的变换器进行管理。
图1. Dynapower 多通道DC/DC变换器拓扑
系统组件
该系统由以下组件组成：
一个50KW的直流/直流功率变换器模块
我们面临的设计挑战目标非常难实现。Axion Power公司来寻求我们的帮助，要求实现可控的电流分配和并行的变换器之间的精确平衡，不管是在应用交互操作环境下或者是在微电网模式下，这种平衡都要可以保持。因此，我们需要一个高速的响应算法来在两种工作模式之间进行无缝切换。
图2. Dynapower 50KW模块化直流/直流变换器拓扑和基于FPGA的高级电力电子控制器
NI LabVIEW RIO架构
NI基于FPGA的RIO架构，集成了处理器，一个FPGA芯片和逆变器I/O，所有的元素都通过LabVIEW系统设计软件进行编程，由于这个架构可以平行并且高速地与变换器进行通讯，所以可以轻松地解决我们面临的问题。在管理电池在特定模式下的充电和放电之外，该控制器还用于管理内部电流环和外部系统环路。
图3. LabVIEW RIO架构
一个基于FPGA的电力电子控制器
使用现代基于FPGA的控制系统，我们能够以较低的成本来解决这个挑战。我们选择了全新的NI GPIC，因为基于FPGA的平台可以为我们提供比以前使用的传统数字信号处理器平台高出40倍的单位美元性能。与一个完全自定义的控制器设计方案对比来说，使用NI的LabVIEW工具链和开发平台可以大大减少我们的开发成本并降低开发的风险。这样，底层的基于文本的编程语言和完全自定制的设计架构就变成了一种负担，而且，更重要的是，这样的划分也为我们的电源工程师和程序员带来了不可逾越的障碍。
图4. NI Single-Board RIO GPIC
图形化的系统设计方法对开发成本和开发时间带来的影响
这个设计方案成功的关键在于我们的电源工程师可以直接对他们的产品进行编程，而不需要再通过软件工程师的帮助来完成。这个全新的平台以及开发方法将我们的开发时间从最初的72周缩短为24周。使用NI Single-Board RIO GPIC，我们可以先使用与NI Multisim联合运行的桌面联合仿真功能来开发我们的高级LabVIEW FPGA电力电子控制算法，然后使用NI Ultiboard来设计自定制的接口电路板，并且使用NI GPIC来部署我们的商业电网并网功率变换器系统。这些工具是真正的将设计带到了一个新的层次，使用这些工具，每一个产品设计我们就可以比传统的开发模式节省114人月的开发成本，帮助我们以一个比原来小2.4倍的团队仅使用了不到原来一半的时间就完成了设计开发。我们在初期设计的时候就可以有百分之90的信心指数，同时，也最小化了产品原型化阶段的硬件修改周期。
图5. NI GPIC的开发方法
图6. 最初Dynapower的开发方式是典型的传统嵌入式系统设计过程，包括一个传统的DSP电路板以及以高级仿真模型为基础的基于文本的控制程序
图7. Dynapower全新的开发方式使用了NI GPIC硬件和图形人的系统设计流程，这个开发流程帮助Dynapower获得了3倍的开发时间缩减
未来的开发应用
我们的电网并网功率变换器的下一步目标包括了嵌入式的电能质量分析;系统的独立运行;远程的通讯和控制;数据汇集;以及使用一个多端口，多层次的交流/直流变换器来通过共用的直流端口来将太阳能电池充电器集成到系统中。NI开发平台提供了很高的灵活性，可以帮助我们拓展更多全新的业务。我们将很乐意将以后的设计开发基于一种高级的设计语言，只要这种语言易于阅读并且可以方便地让我们的功率变换专家使用。
