基于FPGA的多端DRI电源逆变器的控制算法的实现

赛灵思Spartan-3A FPGA 可强化面向多端DRI 电源逆变器的控制算法实现方案

面向工业应用的产品开发需要在时限和产品规范不断变化的环境中进行广泛的研究和准备。虽然这个领域的产品上市时间不像消费类电子产品那样快，但是产品必须迅速生产交付，并具备尽可能多的用于发展新一代产品的关键性功能、特性和潜能。企业力争成为各自所在竞争领域的行业领导者，特别是在绿色能源等全新市场，因其尚处于起步阶段，没有预定的行业领导者，从而需要先驱者设计、开发和推出全新的产品。成功不仅取决于倍受鼓舞、专心投入的工程师团队，高级计算技术和全新材料，同时还取决于有没有风险投资者或者政府机构为这些能够改善能源发电、分配、监控、计量和消费等领域充满前景的方法提供资助。

2011 年秋天，来自新泽西的高级电源转换产品和替代能源系统制造商——普林斯顿电力系统（PPS）的工程师展示了他们最新的绿色电源产品。这种需求响应逆变器（DRI）是PPS、美国能源部和桑迪亚国家实验室太阳能电网整合系统（SEGIS）为期三年的合作成果。

开发出的多端DRI（图1）具有独特的灵活性，相比目前可用的逆变器拥有更高的可靠性、更高的效率和更低的成本等众多优势。该DRI 配备多个AC和DC 端子，能够将电源路由到电网、微型电网、DC 能源存储系统或动态负载上。可编程电源曲线和充电曲线可提高对发电机、负载和电池的控制，从而确保更高的效率。此外，使用大容量、较长使用寿命的高级开关可最大限度地提高可靠性。

普林斯顿电力系统展示了DRI 的众多特性：提高电网的互联性和效率，增强可再生能源系统的性能，以及帮助电动车和分布式发电系统实现更高的集成度。DRI 是该公司“日光岛”微电网演示（图2）的组成部分。这个演示详细地介绍了清洁技术和制造方面的重大进步，其中包括200 千瓦太阳能电池阵列和锂离子电池系统等。

微型电网可以独立于主要的公用电网运行，提供可靠、低碳排放的能源。普林斯顿电力系统的DRI 与柴油或者汽油AC发电机相兼容，也可使用光伏（PV）或者风电输入。使用DRI 的小型社区可以减少对电网的依赖，减少碳足迹并降低公用设施成本。此外，DRI 还能为电网服务和光伏提供面向电动车的存储和充电服务。

赛灵思SPARTAN 技术
为了充分满足工业产品设计的需求，像普林斯顿电力系统这样的企业充分利用赛灵思目标设计平台（TDP）等灵活开发工具的优势，并得到其丰富的生态系统设计服务支持。在这种情况下，工程设计团队面临的第一个挑战是决定如何扩展DRI 系统中数字信号处理器的输入和输出，以及如何实现并行工作的控制和通信接口。PDS Consulting 可为各种市场的可编程数字系统提供设计服务，其中包括航空航天与军用、广播、工业、科研和医疗等。该公司以赛灵思联盟计划成员的身份为这个项目提供工作支持。

PDS 咨询团队可提供现场实际操作系统调试和PCB 启动，以及非现场RTL和IP 设计等服务。此外，我们还向普林斯顿电力系统的开发人员提出建议如何实现面向他们绿色电源控制算法的系统控制接口。最终，工程师选择将赛灵思Spartan® XC3SD3400A FPGA 与DSP相结合，当作主系统控制组件（图3）。

Spartan-3A FPGA 具有丰富的SelectIOTM 功能，能够为实现方案带来高度的灵活性，对于触发信号和ADC 输入通道而言尤为如此。赛灵思Spartan-3A 系列因其FPGA 允许进行现场设计升级，可避免高昂的初始成本和冗长的开发周期，对比传统ASIC 固有的低灵活性，因而可完美替代ASIC。Spartan-3A 支持的集成技术可让普林斯顿电力系统面向绿色能源转换的专利控制算法成为现实。