7/29/2019 26Power Electronics: dalla progettazione allo sviluppo di sistemi di controllo per applicazioni Inverter
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ni.com | NI CONFIDENTIAL
NI Vision for Power Electronics
Inverter Technology Applications
Join the developer community at ni.com/powerdev
Brian MacCleery – Principal Product Manager for
Clean Energy Technology, National Instruments,
Member IEEE
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2ni.com | NI CONFIDENTIAL
Power ElectronicsThe Cylinder and Piston of the Digital Energy Revolution
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3ni.com | NI CONFIDENTIAL
Power ElectronicsThe Cylinder and Piston of the Digital Energy Revolution
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The Digital Energy Revolution
•Digitized and digitally controlled
•Networked•Field reconfigurable
•Modeled and simulated
• Improving at exponential rates
Join the developer community at ni.com/powerdev
“Today, approximately 30 percent of all
power generation utilizes power
electronics between the point ofgeneration and consumption. By 2030, it
is expected that up to 80 percent of all
generated electricity will utilize power
electronics.” –US Dept. of Energy
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7ni.com
2020 compared to 2000…
• Processing performance is 113 thousand times cheaperper dollar
• A power converter controls 27 times more power for itssize
• Lithion-Ion batteries deliver 29 times more energystorage (kWh) per dollar
• Typical inverters are 99.5% efficient (3.4 times less wasteheat)
• Solar module cost is 110 times cheaper per watt, solarinstalled cost is 24 times cheaper per watt
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11ni.com
Top NI Applications in Digital Energy
A. Solar/PV
B. Wind turbines
C. Motor drives, pumps, compressors
D. Rail auxiliary power buses, traction controlE. Uninterruptable Power Supplies (UPS)
F. Electric & hybrid vehicles (including commercial/ agricultural vehicles)
G. Other: Grid Storage, Flexible AC Transmission Systems (FACTS), etc.
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Cost per Watt = 14.26*(ANNUAL_PRODUCTION_GW*1000)^(-1.205)*ANNUAL_PRODUCTION_GW*1000
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The Power Electronics Renaissance
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The Power Electronics Renaissance
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The Power Electronics Renaissance
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The Power Electronics Renaissance
< 10 kW,1,300,000,
50% of units
10 to 100kW,
728,000,28%of units
100 to 500kW,
416,000,
16%of units
500 kW+,156,000, 6%
of units 90% Growth
160% Growth
190% Growth
260% Growth
2010 INVERTER UNITS AND GROWTH RATE BY INVERTER SIZE (kW) INVERTER SHIPMENTS (MWp)
“Since the industrial revolution I do not know of a single
financial push towards a solitary focus as large asrenewable energy outside of war.”- Glenn A. Knierim,Ph.D. of Infinity Physics
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17ni.com | NI CONFIDENTIALData Source: http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/book97/ch3/processor.list
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18ni.com | NI CONFIDENTIAL
Modern Hybrid DSP-FPGA
Modern Field Programmable Gate Array (FPGA)
HARD CORE DSP SLICE
RECONFIGURABLE
LOGICI/O BLOCK
Source: Xilinx
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19ni.com | NI CONFIDENTIAL
Modern hybrid FPGAs offer higher performance than traditional DSPs
MACS = Multiply-accumulate operations per second(measure of DSP performance)
Dual-Core
DSP
Spartan-6
LX45 FPGA
Performance Ratio
(FPGA/DSP)
Million MACS per Chip 600 14,500 24Million MACS per Watt 571 5,897 10Million MACS per Dollar 7 279 40
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20ni.com | NI CONFIDENTIAL
LabVIEW FPGA vs VHDL
Counter Analog I/O Streaming
66 Pages ~4000 lines
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21ni.com
Levels of Hardware Abstraction
A b s t r a c t i o
n
System Complexity
IGBT
IGBT Modules
Intelligent Power Modules
Power Stack (Level 2)
Power Stack w/ Controller
Inverter
NI Vision:•“To do for digital energy what the PC did for the desktop”−Standard HW architectures, modular blocks, software defined, field programmable
•“The software is the inverter”
NI sbRIO GPIC
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NI Single-Board RIO General Purpose Inverter Controller (GPIC)
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23ni.com | NI CONFIDENTIAL
NI Single-Board RIO General Purpose Inverter Controller(NI GPIC)
• Industry-proven NI LabVIEW RIO architecture and cutting-edge co-simulation tools
•Deployment-ready for high volume commercial applications
•Multicore FPGA delivers 40x higher performance per dollar thantraditional DSPs
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24ni.com | NI CONFIDENTIAL
Design Flow with the NI GPIC1. Co-Simulation, 2. Interface Board Design, 3. Commercial Deployment
1.
2. 3.
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25ni.com | NI CONFIDENTIAL
Customer Defined Interface Board1. NI Single-Board RIO sbRIO-9606
2. NI GPIC 9683 RIO Mezzanine Card (bottom orientation connectors)
3. Custom interface or gate drive PCB (not provided by NI)
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26ni.com | NI CONFIDENTIAL
GPIC Mating PCB Design
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27ni.com | NI CONFIDENTIAL
GPIC Mating PCB Design
• Semikron SKiiP 3 connector • Break-out connector for GPIC inputs
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28ni.com | NI CONFIDENTIAL
SmartPower Stack™ Inverter
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29ni.com | NI CONFIDENTIAL
The System (What is a Stack)
• Inside the Stack (diagram)
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30ni.com | NI CONFIDENTIAL
Power Electronics Design Goals & Tradeoffs
• Optimize for multiple design goals simultaneously,including:
• Energy efficiency
• Cost
• Component lifetime
• Systematic reliability
• Regulatory compliance
• Smart grid ready
• Differentiated features
• …• …
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NI Vision for Power Electronics
TestCells
Design
Deploy
PrototypeHIL
Testing
Graphical Co‐Simulation
(Multisim, LabVIEW
FPGA)
Rapid Control Prototyping
(Multicore CompactRIO, SIT)
Commercial Deployment
(General Purpose Inverter Controller)
Real‐Time HIL Simulation
(State‐Space and FEA‐Based)
Power Electronics
Testing
(Bloomy Energy, PXI)
Click to navigate
Utility Networking
(IEC‐61850, DNP3, …)
Digital Dynamometers
& Grid Simulators
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39ni.com | NI CONFIDENTIAL
The Evolution of System Level Design
Traditional Methodology Proposed Methodology
Software
Model
(Analog)
Plant
Model
(Analog)
FPGA SW Cost
I/O
(70%)
Algo-
rithm
Float to Fixed-
Point Math
Closed Loop
Simulation
System Level to
Register Level Code
Continuous to
Discrete Time
Circuit Design &
PCB Layout
Mechanical
Design
Magnetic & Thermal
Analysis
Full-Custom
Circuit Design
Graphical
Implementation
Code
(Discrete-Time,
Fixed Point)
Plant
Model
(Analog)
FPGA SW Cost
I/O
Algorithm
(90%)
Closed Loop
Simulation
Automatic
Synthesis
Circuit Design &
PCB Layout
Mechanical
Design
Magnetic & Thermal
Analysis
Chip-On-Board
with I/O Support
SmuaoCe
DomeCe
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40ni.com | NI CONFIDENTIAL
NI Multisim Analog Simulation
• Integrated schematic capture &simulation environment
• 22,000+ components from
leading device manufacturers
• Power device simulation fortransformers, SMPS, IGBTs etc…
• Customizable simulation analyses& instruments
• NI LabVIEW FPGA and Control
Design & Simulation Moduleintegration
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41ni.com | NI CONFIDENTIAL
GRAPHICAL CO-SIMULATION WITH NI LABVIEW FPGA & MULTISIM
(AUTO-VARIABLE TIMESTEP CO-SIMULATION)
NATIONAL INSTRUMENTS
NI LabVIEW FPGA NI Multisim
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42ni.com | NI CONFIDENTIAL
Auto-Variable Timestep FPGA Co-Simulation
• Traditional system design requires separate analog and digital simulation• Accurate, cycle-accurate, closed loop simulation requires co-ordination -> Auto-Variable
Timestep Co-Simulation• Effectively creates a continuous time simulation involving both LabVIEW and Multisim
• SMPS, FET and transistor performance best characterized in SPICE
• Algorithm development with graphical system design (LabVIEW)
• Co-simulation possible due to LabVIEW and Multisim nodes
Motor
Load
Power
MOSFETs
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43ni.com | NI CONFIDENTIAL
Demo: Buck Converter Co‐Simulation with MathScript
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44ni.com | NI CONFIDENTIAL
Open Source Back-to-Back Inverter Research Board
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45ni.com | NI CONFIDENTIAL
Screaming Circuits Back-to-Back 3-Phase Inverter Kit(Does not include NI sbRIO GPIC)
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46ni.com | NI CONFIDENTIAL
Demo: 3 Phase “Grid-Tied” Inverter Control
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47ni.com | NI CONFIDENTIAL
Co-Simulation of FPGA-based Control System
with Comparison to Experimental Results
New data on LabVIEW graphical
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New data on LabVIEW graphical
system design approach
Wilson Research Study
NI Embedded
Customers (2012)1EETimes Overall
Embedded Market
(2012)2
Ratio
Average Development Team Size
(HW, SW, Firmware Engineers)4.8 11.5 2.4
Average Months to Complete Project 6.2 12.5 2.0Average Person-Months to Complete
Project
30 144 4.8 (average of 114 person-
month savings per design)
Average DevelopmentCost
(assuming $100k/person/year with
overhead)
$248,000 $1,198,000 4.8 (average $950,000 cost
savings per design)
Percent of Projects Completed On or
Ahead of Schedule
58% of NI customers 42% of embedded
market
0.7
Percent of Projects Completed
Behind Schedule/Late
38% of NI customers 55% of embedded
market
1.4
NOTE1: The overall embedded market study was a global Email/web study including over 1,700responses from embedded engineers from Americas, Europe and AsiaNOTE2: The study of NI embedded customers was a global Email/web study including over 1,100responses NI embedded customers from Americas, Europe and Asia
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49ni.com | NI CONFIDENTIAL
Dynapower Case Study
"The key to this design was the ability for our power engineers todirectly program their product without a software engineer inthe middle. This new platform and method of developmentchanged our development time from 72 weeks to 24
weeks….These tools take design to the next level. We can havea 90 percent confidence factor in a first design and minimizehardware iterations during the prototype stage.“
NI Vi i f P El t i
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NI Vision for Power Electronics
TestCells
Design
Deploy
PrototypeHIL
Testing
Graphical Co‐Simulation
(Multisim, LabVIEW
FPGA)
Rapid Control Prototyping
(Multicore CompactRIO, SIT)
Commercial Deployment
(General Purpose Inverter Controller)
Real‐Time HIL Simulation
(State‐Space and FEA‐Based)
Power Electronics
Testing
(Bloomy Energy, PXI)
Click to navigate
Utility Networking
(IEC‐61850, DNP3, …)
Digital Dynamometers
& Grid Simulators
H d I th L (HIL) Si l ti f P
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51ni.com | NI CONFIDENTIAL
Hardware-In-the-Loop (HIL) Simulation of PowerElectronics
Keys to success for power electronics simulations:• High fidelity models
• Non-linear
• Time varying
• Sub 1us timing
• High speed I/O (1-10x the loop rate)
ControllerK p
Plant
ErrorControlOutput FeedbackSetpoint
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52ni.com | NI CONFIDENTIAL
Hardware-In-the-Loop (HIL) Simulation of Power Electronics
Keys to success for power electronics simulations:• High fidelity models
• Non-linear
• Time varying
• Sub 1us timing
• High speed I/O (1-10x the loop rate)
ActualDigital Inverter
Controller
K p
Plant
ErrorControlOutput FeedbackSetpoint
SimulatedSwitched-ModePower System
What is a power electronics HIL test
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53ni.com | NI CONFIDENTIAL
What is a power electronics HIL test
system?
GRID
DC
DC
AC
Motor/Generator
AC
Inverter/Converter/DrivePower System
Control
System
Transformer Converter/Rectifier Inverter/Drive
Battery Stack,
Solar Array
DCDC Management
System
Real-Time Power Simulation(Cracked ECU or Full Power Simulator)
Physical Control Board
HIL = Hardware-In-the-Loop
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When simulating switch‐mode power systems,
speed
matters!
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For negligible error, the simulation timestep should be 100times faster than the PWM switching frequency
Image courtesy Prof. Reza Iravani, University of Toronto
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Graphical System Design
LabVIEW
FPGA Hybrid
DSP‐
FPGA
Graphical Programmin
g
Desktop Co‐
Simulation
Auto
Compilation
Auto
Synthesis
Auto
Place &
Route
Deploymen
t
HARD CORE DSP SLICE
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Open Source FPGA-based Real-Time HIL Simulator
System ParametersIGBTs: SEMIKRON SKM 50 GB 123D, 600 V, 80 ADC – link voltage: Vdc = 400 VFundamental Freq = 60 HzPWM (carrier) Freq = 3 KHzOutput Filter: Lf = 800 μH Cf = 500 μF
Load: Lload = 2 mH Rload = 5Ω
Simulation loop rate of 3.57 MHz (0.28 μs)
> 3000X Acceleration vs. Processor Reference: MCBRYDE, JAMES. Inverter Efficiency Simulation and
Measurement for Various Modern Switching Devices.
JMAG Finite Element Analysis (FEA) Based
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JMAG Finite‐Element‐Analysis (FEA) Based
FPGA Real‐Time Simulator
PMSM Sinusoidal Flux Model*(DQ Reference Frame)
J MAG FEA Model
Low FidelityModel Assumptions:
•Uniform air-gap•No slot harmonics•No stator saturation•Sinusoidally distributedwindings•No zero phase sequence
(system is balanced)
High FidelityModel Assumptions:
•Complex geometry
•Magnetic materials•Permanent magnets•Nonlinear inductance•Saturation effects•Coil winding•Copper and iron losses*
•Efficiency*
*Post processing
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Modified Nodal Analysis Based
FPGA
Real‐
Time
Simulator
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Modified Nodal Analysis Based
FPGA
Real‐
Time
Simulator
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I n t e r f a c e
Inverter
Power
Stage
Sensor
Interface
I n t e r f a c e
Phase
Emulation
Sensor
Emulation
Motor Model
SET Electric Motor Emulator (EME)
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62ni.com | NI CONFIDENTIAL
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63ni.com | NI CONFIDENTIAL
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64ni.com | NI CONFIDENTIAL
NI Power Electronics RCP & HIL System
ni com/powerdev
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65ni.com | NI CONFIDENTIAL
ni.com/powerdev
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JOIN THE DEVELOPER COMMUNITY AT
NI.COM/POWERDEV
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