工业能源

有效、可靠地向不断增长的全球社区提供电能是人类未来十年所要面临的主要挑战之一。这一挑战为智能电网的发展提供了许多机遇,其发展是对更先进的输电机制这一需求的结果。

最初的电网由发电厂使用传统的化石燃料(如煤)或核能发电。集中式发电厂产生的电能通过一系列的输配电 (T&D) 网络穿越遥远的距离,最终到达用电设备。由于发电不集中,这种单向能量流在 21 世纪是行不通的,需要使用可再生能源(如太阳能和风能)实现更具全球性的分布式发电。

此外,通信技术(有线和无线)的发展也使其植入到了现代电网中。这种通信功能引出了“智能电网”这一概念。但是,智能电网的实施却面临重重阻碍。这些阻碍包括不断发展的标准、坚如磐石的可靠性要求、安全性、低实施成本以及实现实时传输的双向通信。

设计智能电网自动化设备和可再生能源(如用于智能能源生态系统的太阳能逆变器系统)更是难上加难。正因如此,英特尔® FPGA 才起到了至关重要的作用。借助单台英特尔® FPGA 或 SoC,您的设计能够更好地满足不断变化的标准,同时提高任务关键型系统功能(如控制回路、电网通信、网络冗余和安全性)的性能和可扩展性要求。

适用于您的智能能源应用的英特尔® FPGA

单一 FPGA 上的可扩展平台

智能能源系统使用单一英特尔® FPGA 就可提供可扩展平台满足多样化需求。 您可以使用我们的英特尔® MAX® 10 FPGA、Cyclone® V FPGA 和 Cyclone® V SoC 系列进行设计,满足设计所需的性能、灵活性和成本节省等需求。基于 FPGA 的系统可为您提供以下优势:

  • 灵活性:改变系统功能和重新配置平台。
  • 性能:使用优化的 DSP 技术支持硬件加快复杂控制算法的速度。
  • 设计集成:混合系统结构,支持 FPGA 设计流程和嵌入式处理(C 代码)要求。
  • 降低成本:组件数量更少,可降低密封系统的成本和功耗,提高系统可靠性。
  • 使用寿命长:产品平均使用寿命超过 15 年。

英特尔® FPGA 支持您充分利用多处理器架构,比如 Nios® II 嵌入式软核处理器或更强大的双核 ARM* Cortex*-A9 MPCore* 硬核处理器。此外,我们还有面向智能电网应用的 IP 和集成的开发工具流,支持 FPGA 软硬件开发。

智能电网

要对新型或升级的智能电网实现最佳控制,需要端到端通信和高效的电网,尤其是在输配电 (T&D) 变电站中。为了支持自动化,设备需要实时监视、控制和保护电网,以便更有效地管理峰荷需量。英特尔® FPGA 技术在复杂的智能电网生态系统中发挥了关键作用。

典型的变电站自动化架构

在整个变电站和公用设施自动化应用中,基于以太网的 IEC 61850 与 IEC 62439-3 第 4 条并行冗余协议 (PRP) 和第 5 条高可用性无缝冗余 (HSR) 标准正在迅速成为智能电网系统中高可用性网络的支柱。在处理变电站设备时,设计师们将面临一些严峻的挑战,这些设备必须实时和在较长的生命周期中支持关键业务系统,对可靠性、可升级性和互换性的要求较高。

冗余网络中的实时切换要求适合在 FPGA 中实施。我们低成本的 Cyclone® V FPGACyclone® V SoC符合 Gbps 以太网流量与 PRP/HSR 冗余和不断发展的 PRP/HSR 标准的性能要求。

FPGA 上的无干扰 PRP/HSR 以太网交换机

Flexibilis 是一家领先的网络设备和知识产权 (IP) 供应商,我们与其携手帮助您轻松实施智能电网设计。Flexibilis 冗余交换机 (FRS) 是一款 GbE 交换机,支持 PRP 和 HSR 协议标准。我们的 FPGA 与 FRS IP 的组合提供了一种简单、具有成本效益的方式,供您开发符合以下条件的 PRP/HSR 交换机:

  • 无许可协商。
  • 无前期许可费用。
  • 无单位版税报告。

适用于 Cyclone® V FPGA 和 Cyclone® V SoC 的 Flexibilis 冗余交换机

FRS IP 的主要特点:

  • 我们的Cyclone® IVCyclone® VCyclone® V SoC设备可从三个端口扩展为八个端口。
  • 所有端口都达到了全双工 1000 Mbps(Gigabit 介质无关接口)和 10/100 Mbps(介质无关接口)。
  • 线速数据包转发。
  • 非阻塞操作。
  • 可靠的存储和转发操作,支持数据完整性检查。
  • HSR 冗余盒 (RedBox)、HSR 端节点和 HSR 四端口设备 (QuadBox);PRP RedBox 和 PRP (DANP) 的双连接节点。
  • 兼容 IEEE 1588 精密时间协议 (PTP) 透明时钟。

通过三个步骤开始您的设计

  1. 请求 IP 并查看技术文档。
  2. 下载参考设计。
  3. 当您准备投产时,请通过您当地的英特尔® FPGA销售代表购买 FPGA 和低成本安全 CPLD。

太阳能逆变器

生产可靠、效率更高、成本更低的太阳能或光伏 (PV) 系统是使太阳能更具竞争力的一个重要步骤。这给设计符合以下要求的逆变器架构带来了挑战:

  • 性能可靠、使用寿命长,可使用集中发电为不断增长的电力需求提供分布式可再生能源。
  • 使用高级控制算法和能源拓扑(比如 3 电平绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和宽带隙 SiC-FET)提高效率和降低单位成本。
  • 符合当地电网规范,包括能源质量监测和控制。

过去,传统的光伏逆变器架构包括 DSP(用于 MPPT 和 DC-DC 控制)、FPGA(用于 DC-AC 控制),可能还有一个独立的 MCU(用于处理系统通信)。通过将 DSP 控制回路、DC-DC 和 DC-AC 转换以及通信集成在单个器件上,这三个独立的系统组件可以合成为一个英特尔® MAX® 10 FPGACyclone® V FPGA 或 Cyclone® V SoC。下图所示的经过优化的全新架构可优化系统成本、减少组件数量,从而提高可靠性和缩小晶体管的体积。

带有英特尔® MAX® 10 FPGA、Cyclone® V FPGA 或 SoC 的 PV 逆变器架构

下一代 SoC 逆变器:使用带有嵌入式 ARM* 处理器的 Cyclone® V SoC 集成 DSP 控制回路和 MCU 软件,可减少组件数量和故障点,让您能够开发更小、更轻、成本更低的逆变器

MPPT 参考设计

最大功率点跟踪 (MPPT) 参考设计可用作面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 模型文件,还可为提供实施太阳能逆变器 MPPT 算法的示例:

  • 基于扰动观察 (P&O) 法通过 MPPT 实现 FPGA 性能的示例。
  • 用于扩展到多通道 MPPT 设计的可重用设计
  • 在运行频率为 100 MHz 的 Cyclone® V FPGA 上,端到端延迟为 36 个时钟周期(即 0.36 微秒)。
  • 在太阳能逆变器内部设计 MPPT 算法的 DSP Builder 工具流。

如要获取此参考设计,请联系您当地的销售代表。

MATLAB Simulink/FPGA 工具流中的 MPPT 扰动观察参考设计

三电平 IGBT PV 逆变器参考设计

该绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 参考设计可从英特尔和 EBV Elektronik 以 VHDL 源代码的形式获取,适用于三相、三电平 IGBT 逆变器,并可以:

  • 在 Cyclone® FPGA 和 SoC 设备上实施复杂控制算法。
  • 减少电流纹波。
  • 减少电磁干扰 (EMI)。
  • 改进有源滤波,可减少无源元件,从而减少逆变器的尺寸、重量和成本。

如要获取此参考设计,请联系您当地的销售代表。

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