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
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。
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
2.1.1 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。
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
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。
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
(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。
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。
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)。
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
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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