基于STM 32F10x的光伏匯流箱設(shè)計

陳仁朕

（中國中原對外工程有限公司 北京 100191）

基于STM 32F10x的光伏匯流箱設(shè)計

陳仁朕

（中國中原對外工程有限公司 北京 100191）

傳統(tǒng)匯流箱通常控制核心比較簡單，功能單一，控制核心試試處理能力弱，通訊效率較低且抗干擾能力較低。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，簡單的控制器已經(jīng)不符合光伏監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、實時響應(yīng)的要求。針對這些問題，本文設(shè)計了一種基于ARM Cortex-M3為核心的STM32F10x控制器的光伏匯流箱，該匯流箱能夠監(jiān)測匯流箱電壓、電流、溫度等多種參數(shù)，具有標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議接口，向監(jiān)控系統(tǒng)實時上傳，同時能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制匯流箱通斷，方便接入光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。在控制電路中加入SD卡存儲設(shè)計，在通訊故障的情況下保證了數(shù)據(jù)的就地歷史備份，可插拔的SD卡，也使得取數(shù)和維護更加方便。另外，對匯流箱作了防雷設(shè)計及電路抗干擾設(shè)計，提高了匯流箱的整體抗干擾能力。

光伏匯流箱；STM32F10x；光伏監(jiān)控；MODBUS RTU

為減少光伏陣列或者其他直流電源與逆變器之間的連線，通常把光伏組串或者直流電源進行匯流以后再接入逆變器，既增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，也方便現(xiàn)場維護。目前常見匯流箱分為帶檢測單元和不帶檢測單元兩種。不帶檢測單元的匯流箱通常含有一個簡單的電能計量表，沒有通訊接口，也沒有控制電路，不利于光伏電站的全面監(jiān)控[1]。帶有檢測單元的匯流箱通常控制核心比較簡單，只對各支路電流進行采樣，并通過通訊接口上傳，功能單一，控制核心試試處理能力弱，通訊效率較低且抗干擾能力較低。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，簡單的控制器已經(jīng)不符合光伏監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、實時響應(yīng)的要求[2]。

本文設(shè)計了一種基于ARMCortex-M3為核心的STM32F10x控制器的光伏匯流箱，該匯流箱能夠監(jiān)測匯流箱電壓、電流、溫度等多種參數(shù)，具有標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議接口，向監(jiān)控系統(tǒng)實時上傳，同時能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制匯流箱通斷，方便接入光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。在控制電路中加入SD卡存儲設(shè)計，在通訊故障的情況下保證了數(shù)據(jù)的就地歷史備份，可插拔的SD卡，也使得取數(shù)和維護更加方便。另外，對匯流箱作了防雷設(shè)計及電路抗干擾設(shè)計，提高了匯流箱的整體抗干擾能力[3]。

1 電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計

匯流箱包括一組正極輸入公共端和與之相對應(yīng)的負(fù)極輸入公共端；正極輸入端包括至少一路電流正極，負(fù)極輸入端至少包括一路與正極對應(yīng)的負(fù)極；每一路正極輸入或者負(fù)極輸入通過一個熔斷器連接到公共端；正極或者負(fù)極公共端分別穿過一個套孔式霍爾電流傳感器連接到一個兩路接觸器KM；接觸器控制回路接入控制單元IO模塊；接觸器出線接斷路器QF；正負(fù)兩極公共輸入端分別連接到防雷器的正負(fù)極輸入端；斷路器QF正負(fù)極出線以并聯(lián)方式接入電壓互感器；采用霍爾式有源電流互感器，能顯著提高采樣精度，并且很好的隔絕一次回路與二次回路，提高采樣可靠性。；箱體側(cè)面裝有溫度傳感器，傳感器二次接入信號調(diào)理電路。如圖1、圖2所示。圖中的附圖標(biāo)記為：1—匯流箱接線側(cè)底板；2—熔斷器；3—485接線端子；4—固定端子；5—直流母線出線端子；6—直流母線進線公共端接線銅排；7—公共接地端；8—電壓互感器；9—霍爾式直流互感器；10—直流接觸器；11—溫度傳感器；12—現(xiàn)有的通用控制單元；13—正極母線電流互感器采樣信號接線端子；14—電壓采樣信號接線端子；15—電流互感器供電端子；16—接觸器控制回路接線端子；17—負(fù)極母線電流互感器采樣信號接線端子；18—防雷器；19—斷路器；20—防水接線孔；21—直流母線；22—公共接地線；23—485板上接線端子；24—匯流箱；25—溫度信號采樣端子；26—供電端子。

圖1 匯流箱原理圖Fig.1 The principle diagram of the junction box

圖2 匯流箱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Junction box structure

通過上述方案，熔斷器作為后備保護，能夠在控制單元失效情況下進行過流保護。防雷器可以消除雷電高壓對光伏陣列、匯流箱內(nèi)部器件的破壞。電流互感器將電流信號傳給控制單元；電壓互感器將電壓信號傳給控制單元；溫度傳感器將溫度信號傳給控制單元；控制單元掃描繼電器狀態(tài)，獲得匯流箱工作狀態(tài)。如此，匯流箱能夠提供電壓、電流、溫度、工作狀態(tài)、發(fā)電量等較為全面的監(jiān)測信息。

2 控制單元設(shè)計

STM32F1系列屬于32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。該芯片最高72 MHz工作頻率，在存儲器的 0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz，512 K字節(jié)的閃存程序存儲器，最大64 K字節(jié)的SRAM；2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間（多達16個輸入通道），轉(zhuǎn)換范圍為0至3.6 V，雙采樣和保持功能。芯片具有多達9個通信接口：2個I2C接口（支持SMBus/PMBus）；3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制）；2個SPI接口 （18M位/秒）；CAN接口 （2.0B主動）；USB 2.0全速接口。

本匯流箱設(shè)計根據(jù)實際需要，主要設(shè)計內(nèi)容包括：核心控制器STM32F103及外圍電路、電源電路、485通訊接口、SD卡電路。詳細(xì)電路圖見圖3至圖4。

STM32F103及外圍電路設(shè)計包括常規(guī)濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路等。

圖3 SD存儲卡電路Fig.3 SD memory card circuit

SD卡只能使用 3.3 V的 IO電平，所以，MCU一定要能夠支持 3.3 V的 IO端口輸出。在 SPI模式下，CS/MOSI/ MISO/CLK都需要加10～100 K左右的上拉電阻。

本設(shè)計選用 SP3485作為收發(fā)器，該芯片支持 3.3 V供電，最大傳輸速度可達10 Mbps，支持多達 32個節(jié)點，并且有輸出短路保護。

考慮到光伏電站現(xiàn)場使用可能產(chǎn)生的一些傳導(dǎo)騷擾和空間干擾，如圖5中設(shè)計了3個穩(wěn)壓芯片：U16/U17/U19，DC_IN用于外部直流電源輸入，經(jīng)過U17 DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為 5 V電源輸出，其中 D4是防反接二極管，避免外部直流電源極性搞錯的時候，燒壞控制板。K1為控制板的總電源開關(guān)，F(xiàn)1為 500 ma自恢復(fù)保險絲，用于保護電源。U16為 3.3 V穩(wěn)壓芯片，給控制板提供3.3 V電源，而U19則是1.8 V穩(wěn)壓芯片，供VS1053的CVDD使用。

圖4 485電路Fig.4 485 circuit

圖5 供電電路Fig.5 The power supply circuit

3 軟件及通訊流程設(shè)計

通訊協(xié)議采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU協(xié)議。MODBUS是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，該協(xié)議是一個主從協(xié)議，允許一臺主機與多臺從機通信。若主機發(fā)送一個信息，則可從一臺從機設(shè)備返回一個響應(yīng)，類似，當(dāng)一臺從機接受信息時，它就組織一個相應(yīng)的響應(yīng)信息，并返回至原發(fā)送信息的主機[4]。物理層，利用RS485作為傳輸接口。匯流箱被設(shè)計為MODBUS從站，監(jiān)控系統(tǒng)作為主站，MODBUS作為工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，這種方式能夠順利接入絕大多數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，而不需要額外規(guī)定協(xié)議[5]。

軟件邏輯流程如圖6所示。

圖6 軟件邏輯流程Fig.6 The software logical process

4 結(jié)論

匯流箱作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要用于連接太陽能電池組件與并網(wǎng)逆變器或控制器，減少光伏組件與并網(wǎng)逆變器或控制器之間連線，起到提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性的作用[6]。本文針對傳統(tǒng)匯流箱的缺點，設(shè)計了一種新型匯流箱。該匯流箱易于現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控；配備SD卡存儲器，使其能夠存儲歷史數(shù)據(jù)，且便于檢測檢修；考慮了防雷和抗干擾設(shè)計，提高了匯流箱的可靠性。

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Photovoltaic junction box design based on the architecture of the STM 32F10x

CHEN Ren-zhen
（CNNC China Zhongyuan Engineering Co.，Ltd，Beijing 100191，China）

Traditional junction box usually control core is simpler，single function，the control core to try processing capacity is weak，low communication efficiency and anti-interference ability is low.With the development of embedded technology，a simple controller has does not conform to the photovoltaic（pv）monitor system is stable and reliable，the requirement of real-time response.To solve these problems，this paper designs an arm-based STM32F10x architecture（M3 as the core controller of pv junction box，the junction box can monitor junction box voltage，current，temperature and other parameters，the standard MODBUS protocol interfaces，real-time uploaded to the monitoring system，can realize remote control on-off junction box at the same time，convenient access to the photovoltaic power station monitoring system.Add an SD card to store in control circuit design，in the case of communication failures to ensure restoring the history data.In addition，the junction box to make to the lightning protection design and anti-interference circuit design，improve the overall anti-interference ability of junction box.

Pv junction box；STM32F10x；Photovoltaic（pv）monitoring；MODBUS RTU

TN919

A

1674－6236（2015）07-0111-03

2014-06-29 稿件編號：201406183

陳仁朕（1983—），男，重慶萬州人，碩士研究生，助理工程師。研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。