一種基于雙ARM架構(gòu)的光伏逆變與監(jiān)測方法

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 王立強(qiáng) 丁 磊 王 賽

0 引言

目前光伏逆變與監(jiān)控方法在控制和調(diào)節(jié)光伏發(fā)電設(shè)備上存在困難，影響到光伏發(fā)電安全穩(wěn)定。本文提出一種新的太陽能光伏逆變與監(jiān)測方法，該方法可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備信息以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，具有人機(jī)交互功能，便于操作人員調(diào)整與維護(hù)，且具有Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)功能可管理和統(tǒng)計(jì)區(qū)域分布式光伏逆變系統(tǒng)信息。

針對(duì)光伏逆變與監(jiān)控，文獻(xiàn)[1-2]基于單DSP（Digital Signal Processing）的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其控制功能，DSP由于自身功能原因，適用于高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能但在處理較為復(fù)雜的顯示控制時(shí)，可能出現(xiàn)實(shí)時(shí)性無法達(dá)到要求，并且成本昂貴不利于大規(guī)模應(yīng)用。文獻(xiàn)[3-4]通過設(shè)計(jì)單FPGA（Field－Programmable Gate Array）逆變器實(shí)現(xiàn)光伏逆變與監(jiān)控，但FPGA的設(shè)計(jì)、調(diào)試比MCU復(fù)雜，成本較高。

針對(duì)上述典型方法存在的不足，本文提出一種基于雙ARM（Advanced RISC Machine）架構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)光伏逆變與監(jiān)控功能。新方法采用MCU_LCD搭載μC/OSII操作系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)；使用μC/GUI界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀況；通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置；采用MCU_SPWM輸出SPWM波信號(hào)實(shí)現(xiàn)逆變；MCU_LCD和MCU_SPWM之間通過串行口進(jìn)行通信，從而可實(shí)時(shí)獲取逆變器的運(yùn)行信息（包括電壓、頻率等參數(shù)）；增加WiFi模塊對(duì)設(shè)備信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和統(tǒng)計(jì)[5]。

全文安排如下：第1章介紹系統(tǒng)架構(gòu)，第2章給出硬件電路模塊的描述，第3章介紹軟件模塊，第4章給出仿真與實(shí)驗(yàn)，最后是結(jié)論。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為本文設(shè)計(jì)的整體框圖，主要分為硬件和軟件兩個(gè)部分。其中硬件部分主要包括基于STM32F103的觸摸屏接口、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變橋電路、電壓電流采樣電路、AD637真有效值轉(zhuǎn)換電路、頻率檢測電路、通信模塊。采用ARM體系中Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6芯片搭載μC/OSII操作系統(tǒng)和μC/GUI界面設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電與檢測系統(tǒng)，逆變電路采用6只MOSFET構(gòu)成半橋，由驅(qū)動(dòng)模塊傳來的6路控制信號(hào)及3路基準(zhǔn)電平信號(hào)控制MOSFET通斷，從而將DC直流逆變?yōu)槿嗾译娫?。增加由TLP521構(gòu)成的光耦隔離電路保護(hù)信號(hào)輸入端電壓安全，采用3個(gè)IR2111構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)半橋的工作。

人機(jī)交互功能主要由MCU_LCD實(shí)現(xiàn)，可直接通過觸摸屏進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，完成數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換以及故障的處理。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)有出入時(shí)，則進(jìn)入故障處理模式，嚴(yán)重時(shí)可直接自動(dòng)停機(jī)，在顯示屏上顯示的同時(shí)通過局域網(wǎng)通知管理者。MCU_SPWM單片機(jī)用于產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷、實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)工作情況，具有死區(qū)控制以防止逆變器的損壞。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路模塊

2.1 信號(hào)檢測與調(diào)理電路

2.1.1 電壓電流采樣電路

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)整時(shí)，需要得到當(dāng)前狀態(tài)的電壓和電流數(shù)字量，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能直接在電路中添加檢測電路，因此采取了電壓互感器和電流互感器進(jìn)行采樣，然后再通過AD637真值轉(zhuǎn)換電路獲得有效數(shù)字量，最后將其送給芯片進(jìn)行處理。

本文采用了型號(hào)為ZMPT101B的電壓互感器，該互感器可準(zhǔn)確測量250V以內(nèi)交流電壓。板載高精度運(yùn)放電路可對(duì)信號(hào)做精確采樣和適當(dāng)補(bǔ)償，電位器可調(diào)節(jié)放大比例，輸出信號(hào)為正弦波，波形的中間值為1/2VCC。采用ZMCT103B/C型電流互感器，模塊可以測量5A以內(nèi)交流電流。

2.1.2 AD637真有效值轉(zhuǎn)換電路

為便于計(jì)算所測電壓電流及計(jì)算功率，采用AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片將交流電轉(zhuǎn)換成直流有效值，其基本原理是平方、取平均值、開方運(yùn)算，將真有效值代入運(yùn)算可以不考慮波形參數(shù)以及失真度的大小。AD637的輸出電壓從一個(gè)提供輸出緩沖的反相低通濾波器獲得。

2.1.3 頻率檢測電路

電路由3個(gè)部分組成，依次分別為軌至軌寬帶運(yùn)放OPA2365，單通道的比較器TLC372一端接參考電壓，另一端為輸入電壓比較后輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波，在經(jīng)過SN74LVC1G14反相器得到與輸出正弦波同相的方波。

2.2 通信模塊

當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)若不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)與排除，這樣就可能造成系統(tǒng)的損壞和經(jīng)濟(jì)損失，為了應(yīng)對(duì)此問題，本系統(tǒng)提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。MCU_LCD將采集到的數(shù)據(jù)通過串口透傳至M302-A1模塊，該模塊掃描并接入所在區(qū)域AP（Wi-Fi路由器）然后傳至手機(jī)終端，具體工作過程如圖2所示。本文為了便于開發(fā)，ESP8266采用的是開發(fā)快公司生產(chǎn)的M302-A1及其自建的服務(wù)器，通過iLink（多平臺(tái)SDK適配）完成設(shè)備端到手機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸。M302-A1模塊功能強(qiáng)大，其核心ESP8266是樂鑫公司生產(chǎn)的低功耗WIFI芯片，內(nèi)置32位CPU，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行，包括ADC、SPI、I2C、I2S、串口等接口和PWM輸出功能，可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[8]。

圖2 處理流程示意圖

3 軟件模塊

通過STM32的高級(jí)定時(shí)器1輸出三相SPWM波經(jīng)過光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路和逆變橋?qū)崿F(xiàn)直流電逆變成交流電，為了讓輸出功率達(dá)到要求，系統(tǒng)的相位檢測必須有足夠高的精度。本系統(tǒng)通過電壓電流調(diào)理電路將高壓電轉(zhuǎn)化成低壓交流電，再經(jīng)過AD637真有效值轉(zhuǎn)換電路得到直流電壓，高速AD采樣后得到電壓電流值。利用μC/OSII的多任務(wù)系統(tǒng)將檢測到的電壓、電流、頻率，等參數(shù)顯示在屏幕上并通過串口發(fā)送給ESP8266模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端。

3.1 SPWM波的生成

SPWM的工程實(shí)現(xiàn)是用一種調(diào)制波去和三角波比較，三角波的頻率是調(diào)制波的n倍，最終便可輸出一組幅值相等，脈寬隨調(diào)制波變化的矩形波。本文利用規(guī)則采樣法[6-7]，事先生成正弦表存儲(chǔ)在內(nèi)存中利用STM32F103VET6的高級(jí)定時(shí)器，程序框圖如圖3所示。

圖3 SPWM產(chǎn)生程序框圖

圖4 MCU_LCD程序流程圖

圖5 MCU_SPWM程序流程圖

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

（1）MCU_LCD單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

MCU_LCD單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)溫度，若系統(tǒng)運(yùn)行正常，進(jìn)入下一次的采樣與判斷；MCU_LCD單片機(jī)先通過顯示屏上設(shè)置的用戶參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)送給MCU_SPWM，然后進(jìn)入等待狀態(tài)，MCU_LCD進(jìn)行采樣，系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)故障，如果運(yùn)行正常，則執(zhí)行后續(xù)的相關(guān)功能程序，MCU_SPWM產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。具體流程圖如圖4所示。

（2）MCU_SPWM單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

顯示屏在系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，用戶可以對(duì)MCU_SPWM設(shè)置電壓電流、頻率以及溫度等參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行顯示，該動(dòng)作通過串口通信接口實(shí)現(xiàn)，具體程序流程如圖5所示。

3.3 串口通信

利用STM32F103VET6自帶的USART接口同時(shí)結(jié)合其直接存儲(chǔ)器 (DMA)提供MCU_SPWM和MCU_LCD之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。本方案采用的是DMA1的通道2對(duì)應(yīng)USART3_TX的請求映射，通道3對(duì)應(yīng)USART3_RX的請求映射。

3.4 顯示模塊

觸摸屏LCD顯示利用了該芯片的靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器(FSMC)，相較于GPIO其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度更快，在對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理時(shí)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行matlab仿真，仿真原理如圖6所示。

圖6 MATLAB仿真原理圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于雙ARM架構(gòu)的太陽能光伏逆變器控制器，介紹了主要核心硬件電路的設(shè)計(jì)，將整體功能分別通過兩個(gè)單片機(jī)協(xié)調(diào)分工實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)的主要控制由MCU_SPWM完成，故障處理、人機(jī)交互等功能則由MCU_LCD實(shí)現(xiàn)。通過施加反饋回路達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整的效果，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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