一種基于雙ARM架構的光伏逆變與監測方法

安徽師范大學物理與電子信息學院 王立強 丁 磊 王 賽

0 引言

目前光伏逆變與監控方法在控制和調節光伏發電設備上存在困難，影響到光伏發電安全穩定。本文提出一種新的太陽能光伏逆變與監測方法，該方法可以實時獲取設備信息以保證系統穩定運行，具有人機交互功能，便于操作人員調整與維護，且具有Wi-Fi聯網功能可管理和統計區域分布式光伏逆變系統信息。

針對光伏逆變與監控，文獻[1-2]基于單DSP（Digital Signal Processing）的系統實現其控制功能，DSP由于自身功能原因，適用于高速的數據運算功能但在處理較為復雜的顯示控制時，可能出現實時性無法達到要求，并且成本昂貴不利于大規模應用。文獻[3-4]通過設計單FPGA（Field－Programmable Gate Array）逆變器實現光伏逆變與監控，但FPGA的設計、調試比MCU復雜，成本較高。

針對上述典型方法存在的不足，本文提出一種基于雙ARM（Advanced RISC Machine）架構的方法實現光伏逆變與監控功能。新方法采用MCU_LCD搭載μC/OSII操作系統測量數據；使用μC/GUI界面實時顯示系統狀況；通過觸摸屏進行人機交互實現系統參數設置；采用MCU_SPWM輸出SPWM波信號實現逆變；MCU_LCD和MCU_SPWM之間通過串行口進行通信，從而可實時獲取逆變器的運行信息（包括電壓、頻率等參數）；增加WiFi模塊對設備信息實現遠程管理和統計[5]。

全文安排如下：第1章介紹系統架構，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章給出仿真與實驗，最后是結論。

1 系統架構

圖1所示為本文設計的整體框圖，主要分為硬件和軟件兩個部分。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、驅動電路、三相逆變橋電路、電壓電流采樣電路、AD637真有效值轉換電路、頻率檢測電路、通信模塊。采用ARM體系中Cortex-M3內核的STM32F103VET6芯片搭載μC/OSII操作系統和μC/GUI界面設計的光伏發電與檢測系統，逆變電路采用6只MOSFET構成半橋，由驅動模塊傳來的6路控制信號及3路基準電平信號控制MOSFET通斷，從而將DC直流逆變為三相正弦電源。增加由TLP521構成的光耦隔離電路保護信號輸入端電壓安全，采用3個IR2111構成驅動電路實現半橋的工作。

人機交互功能主要由MCU_LCD實現，可直接通過觸摸屏進行相關設置，完成數據采樣和轉換以及故障的處理。當檢測到的數據與預設的數據有出入時，則進入故障處理模式，嚴重時可直接自動停機，在顯示屏上顯示的同時通過局域網通知管理者。MCU_SPWM單片機用于產生SPWM驅動信號輸出、控制功率開關管的導通和關斷、實時調整系統工作情況，具有死區控制以防止逆變器的損壞。

圖1 系統框圖

2 硬件電路模塊

2.1 信號檢測與調理電路

2.1.1 電壓電流采樣電路

在對系統進行反饋調整時，需要得到當前狀態的電壓和電流數字量，為了保證系統的穩定性，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行采樣，然后再通過AD637真值轉換電路獲得有效數字量，最后將其送給芯片進行處理。

本文采用了型號為ZMPT101B的電壓互感器，該互感器可準確測量250V以內交流電壓。板載高精度運放電路可對信號做精確采樣和適當補償，電位器可調節放大比例，輸出信號為正弦波，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以內交流電流。

2.1.2 AD637真有效值轉換電路

為便于計算所測電壓電流及計算功率，采用AD637真有效值轉換芯片將交流電轉換成直流有效值，其基本原理是平方、取平均值、開方運算，將真有效值代入運算可以不考慮波形參數以及失真度的大小。AD637的輸出電壓從一個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個部分組成，依次分別為軌至軌寬帶運放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準的方波，在經過SN74LVC1G14反相器得到與輸出正弦波同相的方波。

2.2 通信模塊

當出現故障時若不能及時的發現與排除，這樣就可能造成系統的損壞和經濟損失，為了應對此問題，本系統提供了遠程監控以實現更高的可靠性。MCU_LCD將采集到的數據通過串口透傳至M302-A1模塊，該模塊掃描并接入所在區域AP（Wi-Fi路由器）然后傳至手機終端，具體工作過程如圖2所示。本文為了便于開發，ESP8266采用的是開發快公司生產的M302-A1及其自建的服務器，通過iLink（多平臺SDK適配）完成設備端到手機端的數據傳輸。M302-A1模塊功能強大，其核心ESP8266是樂鑫公司生產的低功耗WIFI芯片，內置32位CPU，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行，包括ADC、SPI、I2C、I2S、串口等接口和PWM輸出功能，可用于實現遠程控制[8]。

圖2 處理流程示意圖

3 軟件模塊

通過STM32的高級定時器1輸出三相SPWM波經過光耦隔離電路、驅動電路和逆變橋實現直流電逆變成交流電，為了讓輸出功率達到要求，系統的相位檢測必須有足夠高的精度。本系統通過電壓電流調理電路將高壓電轉化成低壓交流電，再經過AD637真有效值轉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的多任務系統將檢測到的電壓、電流、頻率，等參數顯示在屏幕上并通過串口發送給ESP8266模塊傳輸到遠程控制端。

3.1 SPWM波的生成

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

圖3 SPWM產生程序框圖

圖4 MCU_LCD程序流程圖

圖5 MCU_SPWM程序流程圖

3.2 單片機程序設計

（1）MCU_LCD單片機程序設計

MCU_LCD單片機實時采樣系統溫度，若系統運行正常，進入下一次的采樣與判斷；MCU_LCD單片機先通過顯示屏上設置的用戶參數，并將相關參數送給MCU_SPWM，然后進入等待狀態，MCU_LCD進行采樣，系統判斷是否出現故障，如果運行正常，則執行后續的相關功能程序，MCU_SPWM產生驅動信號。具體流程圖如圖4所示。

（2）MCU_SPWM單片機程序設計

顯示屏在系統上電后進行初始化，用戶可以對MCU_SPWM設置電壓電流、頻率以及溫度等參數，同時進行顯示，該動作通過串口通信接口實現，具體程序流程如圖5所示。

3.3 串口通信

利用STM32F103VET6自帶的USART接口同時結合其直接存儲器 (DMA)提供MCU_SPWM和MCU_LCD之間的高速數據傳輸。本方案采用的是DMA1的通道2對應USART3_TX的請求映射，通道3對應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存儲器控制器(FSMC)，相較于GPIO其優點是數據傳輸速度更快，在對參數進行處理時實時性更強。

4 仿真與實驗

對系統原理進行matlab仿真，仿真原理如圖6所示。

圖6 MATLAB仿真原理圖

5 結論

本文設計了基于雙ARM架構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計，將整體功能分別通過兩個單片機協調分工實現：系統的主要控制由MCU_SPWM完成，故障處理、人機交互等功能則由MCU_LCD實現。通過施加反饋回路達到實時調整的效果，保證了系統穩定性。

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