基于C2000 的集成電力線載波通信功能(PLC)光伏逆變系統(tǒng)

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　一般來說，帶有通信模塊的光伏逆變系統(tǒng)都會(huì)采用逆變系統(tǒng)外加通信模塊的方式來實(shí)現(xiàn)，即在一個(gè)逆變系統(tǒng)中，加入相關(guān)的通信協(xié)議，并通過SCI/SPI 等通信手段與外加的通信模塊進(jìn)行短距離通信，再由通信模塊將其發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò)。本章節(jié)介紹兩種光伏逆變器+PLC 的系統(tǒng)拓?fù)洌ζ涮攸c(diǎn)進(jìn)行分析。

　　3.1 PLC 外部獨(dú)立模塊系統(tǒng)

　　圖6 所示為PLC 外部獨(dú)立模塊的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)拓?fù)淠K化較好，靈活度較高。由于PLC 會(huì)占用MCU 大量的片上ADC 資源，因此PLC 和逆變系統(tǒng)如果分別獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)則可以降低光伏逆變系統(tǒng)主控MCU 的負(fù)載率。該方案可選擇相對性能較低(ADC 相對速度較慢、片上RAM/FLASH 容量相對較小等)的MCU 以降低系統(tǒng)成本，但其缺點(diǎn)在于多芯片方案導(dǎo)致外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且系統(tǒng)成本增加，同時(shí)性能較低的MCU 亦限制了光伏逆變設(shè)備總體性能的提高。一般在通信功能為可選的系統(tǒng)(如光伏微逆變器)中會(huì)傾向于此類拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

　　圖 6 光伏逆變系統(tǒng)PLC 外部獨(dú)立模塊系統(tǒng)框圖

　　圖6 為一種基于TMS320F28035 的帶有PLC 通信功能的光伏逆變系統(tǒng)。其中光伏逆變部分采用兩級(jí)隔離方式，前級(jí)DC/DC 完成MPPT 功能，后級(jí)IGBT 模塊完成單相逆變，主控系統(tǒng)為兩顆F28035(認(rèn)證要求);PLC 模塊部分則由另一顆F28035 單獨(dú)控制，光伏逆變中的一顆主控F28035 只需將數(shù)據(jù)通過SCI/SPI 發(fā)送至PLC 模塊，PLC 模塊則通過AFE031 及電力線將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。因此該系統(tǒng)總共需要使用3 顆MCU 來實(shí)現(xiàn)。

　　3.2 PLC 內(nèi)部集成系統(tǒng)

　　從圖4 可以看到，TI 的PLC 方案硬件系統(tǒng)可分為兩部分：MCU 和模擬前端。MCU 負(fù)責(zé)所有的信號(hào)接收、解析、處理及發(fā)送;模擬前端只負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)：發(fā)送——通過MCU 的片上SPI 模塊(無需D/A 轉(zhuǎn)換)傳送的離散信號(hào)經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)后放大并耦合至電力線;接收——將電力線上的調(diào)制信號(hào)采樣匹配后輸送至MCU 的片上ADC 單元進(jìn)行離散采樣。通過該分析可以發(fā)現(xiàn)，只要光伏逆變的主控MCU 性能足夠，即可將TI PLC 方案的軟件部分完全移植至該主控MCU 中。

　　對于需要PLC 功能的光伏逆變設(shè)備，該集成拓?fù)湎鄬τ趫D6 來說主要減少了一顆高性能的實(shí)時(shí)控制MCU，因此系統(tǒng)成本明顯降低，但需要注意的是在該MCU 選型時(shí)必須考慮采較強(qiáng)處理能力的內(nèi)核和外設(shè)。理論上來看PLC 部分和光伏逆變的軟件算法可以全部由一顆MCU 完成，但其中仍存在技術(shù)難題，例如ADC 的采樣時(shí)序沖突——光伏逆變的PWM 載波頻率一般在10K~30KHz，所以ADC 對于電流電壓的采樣也會(huì)與其一致，而PLC-Lite 的 ADC 采樣頻率最低為250KHz，且兩者在采樣時(shí)均需要ADC 產(chǎn)生中斷處理來數(shù)據(jù)，該問題是此類系統(tǒng)必須要解決的;又如MCU 在性能與成本之間的折衷——基于OFDM 的PLC 需要高速ADC 采樣，因此需要大容量RAM 和強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的MCU;逆變系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)都需要很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理性能?？紤]到以上需求，如選用專用DSP 芯片不但增加系統(tǒng)成本，還會(huì)增加開發(fā)難度，因此如何選用一顆專用MCU 來并行實(shí)現(xiàn)光伏逆變和PLC 的相關(guān)運(yùn)算是至關(guān)重要的。C2000 由于具有出色的實(shí)時(shí)控制性能，可以很好地解決上述問題。

　　4 TMS320F28069簡介

　　TMS320F28069 是C2000 Piccolo 系列MCU，基于C2000 的實(shí)時(shí)處理C28 內(nèi)核、硬件浮點(diǎn)運(yùn)算器和90MHz 的主頻使其擁有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力， 具有256K 字節(jié)的片上Flash 和100K 字節(jié)的片上RAM;6 通道的DMA 可將ADC 等外設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傳輸。針對光伏逆變系統(tǒng)，F(xiàn)28069 擁有轉(zhuǎn)換時(shí)間為325ns 的12 位16 通道SAR 型ADC 以及19 路高性能PWM 和8 路超高分辨率PWM，可以輸出最高達(dá)150ps 分辨率的PWM 信號(hào)。同時(shí)，針對基于OFDM 的PLC 通信，TI 增加了TMS320C2000 MCU 指令集，新增加的指令集由緊耦合的硬件單元VCU(Viterbi, Complex Math, CRC Unit)單元來實(shí)現(xiàn)，此運(yùn)算單元可專門用于運(yùn)算基于OFDM 的PLC 的大容量快速傅里葉變換(FFT)以及生成前向糾錯(cuò)碼(FEC)和CRC 校驗(yàn)碼，其內(nèi)部還有一個(gè)浮點(diǎn)協(xié)處理器——控制率加速器(CLA)，可與主內(nèi)核并行運(yùn)算以及擁有和主內(nèi)核相同的外設(shè)使用能力，并且可使用C 語言在CCS 環(huán)境下進(jìn)行編程。CLA 最多有8 個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都可以由外設(shè)(ADC/PWM/定時(shí)器)或軟件觸發(fā)。圖7 為F28069 的性能和外設(shè)資源列表[3]。

　　圖 7 F28069 性能和外設(shè)資源

　　5 基于F28035 和F28069 的集成PLC 通信功能光伏逆變系統(tǒng)

　　PLC 在通信時(shí)會(huì)占用較多的MCU 資源，所以在DC/AC+PLC 的單MCU 解決方案中，F(xiàn)28069 的主內(nèi)核進(jìn)行PLC 運(yùn)算，其中ADC 的中斷用于PLC 的高速采樣及處理;F28069 內(nèi)部的CLA 則用于逆變控制系統(tǒng)， 每次PWM 匹配事件發(fā)生后，觸發(fā)CLA 讀取ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果然后更新逆變?nèi)珮虻腎GBT 驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)占空比。

　　5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　圖 2 C2000 光伏逆變系統(tǒng)PLC 內(nèi)部集成系統(tǒng)框圖

　　如圖8 所示，光伏電池最大功率點(diǎn)追蹤部分采用交錯(cuò)式BOOST 拓?fù)洌蒄28035 控制;母線電壓通過LLC 隔離后輸送至后級(jí)DC/AC 部分。F28069 則運(yùn)行DC/AC 和PLC 兩部分代碼。DC/AC 部分為單相逆變?nèi)珮?，PLC 部分則通過AFE031 模擬前端將數(shù)據(jù)耦合至電網(wǎng)。兩顆MCU 通過UART 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　5.2 DC/AC 系統(tǒng)軟件框圖

　　為便于系統(tǒng)調(diào)試，DC/AC 部分系統(tǒng)分成3 個(gè)Level：Level1：開環(huán)系統(tǒng);Level2：無PLL 閉環(huán)系統(tǒng);Level3：帶PLL 可并網(wǎng)系統(tǒng)。軟件由5 個(gè)功能模塊組成：主函數(shù)、CLA Task、PLC Run 函數(shù)、ECap1 中斷和SCIB 中斷。

　　主函數(shù)由兩個(gè)部分組成：(1)內(nèi)核、外設(shè)、變量的初始化;(2)任務(wù)狀態(tài)機(jī)。函數(shù)開始部分，進(jìn)行主內(nèi)核運(yùn)行變量、CLA 以及PLC 代碼的初始化。然后進(jìn)入PLC Run 函數(shù)、Task A、B、C 四個(gè)任務(wù)的輪詢運(yùn)行階段。PLC Run 函數(shù)的功能為PLC 數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、解析以及相關(guān)變量更新;Task A 為每毫秒運(yùn)行一次的Task A0 函數(shù)，其中存在 A1 和A3 兩個(gè)有效子函數(shù)。A1 的功能為每20ms 檢測系統(tǒng)標(biāo)志位并且更新當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài);A3 輪詢當(dāng)前功能按鈕狀態(tài)以及發(fā)出LED 指示燈控制信號(hào)。Task B 是5ms 輪詢的Task B0 函數(shù)，其中有 B1，B2，B3，B4 四個(gè)有效任務(wù)。B1 的功能是故障檢測和系統(tǒng)欠過流、欠過壓的保護(hù);B2 主要進(jìn)行參數(shù)運(yùn)算，主要為線電壓有效值、線電流有效值、當(dāng)前輸出功率的值等;B3用于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測;B4 的功能是處理兩顆MCU 間的通信以及F28069 和GUI 之間的通信。Task C為0.5ms 運(yùn)行一次的Task C0 函數(shù)，它用于檢測SCIA 通信狀態(tài)。

　　第二部分是CLA Task，分為Task 8 和Task 3。Task 8 在CLA 初始化時(shí)就通過軟件觸發(fā)，其功能主要是數(shù)字電源算法庫DPLIB_C_CLA 以及CLA 運(yùn)算參數(shù)初始化。Task3 是PWM3 事件匹配觸發(fā)，同時(shí)會(huì)觸發(fā)ADC SOC。Task 總體分為兩部分：上升沿觸發(fā)階段和下降沿觸發(fā)階段。 下降沿觸發(fā)階段：如果觸發(fā)任務(wù)時(shí)PWM 處于下降沿計(jì)數(shù)則運(yùn)行此部分程序。其主要功能是運(yùn)算線電壓、電流的周期有效值，母線電壓周期平均值、輸出視在功的值并將其存于制定變量等待主內(nèi)核讀取。

　　上升沿觸發(fā)階段：此階段同樣在觸發(fā)并且PWM 時(shí)基情況下運(yùn)行。首先是讀取外部采樣電壓、電流值，然后調(diào)用數(shù)字電源算法庫函數(shù)中的2P2Z 模塊進(jìn)行母線電壓調(diào)節(jié)(與DC/DC 板連接時(shí)有效，獨(dú)自運(yùn)行時(shí)使用常數(shù)作為輸出結(jié)果)并將運(yùn)算結(jié)果作為其中之一的參數(shù)輸入電流環(huán)基準(zhǔn)乘法模塊。接下來會(huì)判斷并網(wǎng)標(biāo)志位狀態(tài)，如果已經(jīng)置位即表示當(dāng)前為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，則進(jìn)行數(shù)字PLL 運(yùn)算。如果此時(shí)為離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，就跳過此部分進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)運(yùn)算。最后將電流環(huán)運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為PWM 占空比值用存入相應(yīng)寄存器。

　　第三部分ECap1 中斷服務(wù)程序用于檢測電網(wǎng)相位和頻率，作為PLL 的鎖相基準(zhǔn)。

　　第四部分SCIB 中斷用于F28069 與前級(jí)F28035 通信。F28069 通過SCIB 采集前級(jí)DC/DC 的運(yùn)行狀態(tài)，并將其上傳至上位機(jī)顯示。

　　第五部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分PLC Run 函數(shù)，在第一部分已提到，該函數(shù)會(huì)在系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)每次輪詢的時(shí)候調(diào)用，其內(nèi)部的定時(shí)器中斷、ADC 中斷服務(wù)函數(shù)以及底層解碼函數(shù)都封裝在PLC Lite 中。只需先設(shè)定中斷函數(shù)入口地址、系統(tǒng)頻率等參數(shù)后，調(diào)用初始化函數(shù)HAL_afeInit(), 即可完成底層外設(shè)的初始化。

　　整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于ADC 的復(fù)用和同步，上文已經(jīng)提及，ADC 在PLC 中的采樣頻率為250KHZ，為了保證ADC 采樣的同步，逆變系統(tǒng)的載波周期就必須與其成倍數(shù)關(guān)系，同時(shí)，由于輸出正弦信號(hào)需為50HZ，所以同時(shí)也需要是50HZ 的倍數(shù)，由于IGBT 的開關(guān)頻范圍有限，故選擇25KHZ 為輸出SPWM信號(hào)的載波頻率。這樣PLC 每進(jìn)行10 次采樣，逆變部分的信號(hào)進(jìn)行1 次采樣，并且通過EPWM 模塊的同步功能可保證兩者的采樣不沖突。 PLC 部分占用的ADC 會(huì)觸發(fā)主內(nèi)核中斷。而逆變部分則如前文所述觸發(fā)CLA 運(yùn)算，這樣系統(tǒng)就在同一時(shí)間并行運(yùn)行兩種功能，減小了整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度并且增加了MCU 的利用率。圖9 為系統(tǒng)軟件流程圖。

　　圖 9 F28069 PLC 內(nèi)部集成系統(tǒng)軟件流程圖

　　6 總結(jié)

　　本文主要介紹了帶有電力線載波通信功能的光伏逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及 TI 的 PLC 方案和集成 PLC功能的光伏逆變系統(tǒng)。PLC 由于其天然優(yōu)勢，十分適合作為一種低成本高性能的通信技術(shù)應(yīng)用于需要與電網(wǎng)相連的產(chǎn)品中，而將其加入當(dāng)前關(guān)備受關(guān)注的光伏逆變系統(tǒng)，是必然的發(fā)展趨勢。

　　在中小型光伏逆變系統(tǒng)分布式發(fā)展的趨勢下，通信功能在將來一定會(huì)是每個(gè)并網(wǎng)逆變器的必備功能，而TI PLC 方案的靈活性使其既可以外加于光伏逆變系統(tǒng)，也可以集成于系統(tǒng)內(nèi)部，從而滿足各種不同客戶的系統(tǒng)需求。并且 TI 仍然在持續(xù)的開發(fā)針對于帶有 PLC 功能的光伏逆變系統(tǒng)，例如將更復(fù)雜的PLC 標(biāo)準(zhǔn)加入光伏逆變系統(tǒng)。通過 PLC 進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，對于光伏逆變系統(tǒng)，無疑有著多方面巨大的優(yōu)勢，并且也將進(jìn)一步推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)概念的實(shí)施普及，TI 將推出更多關(guān)于PLC 應(yīng)用的方案，使開發(fā)人員可以更快的完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　參考文檔

　　[1] TI 窄帶電力線通信(NB PLC)解決方案介紹(ZHCA433)

　　[2] TI PLC Development Kit User Guide

　　[3] TMS320F28069, www.ti.com/product/tms320f28069

　　[4] AFE031, www.ti.com/product/afe031

　　附錄

　　圖10 AFE031 典型應(yīng)用原理圖