基于C2000 的集成電力線載波通信功能(PLC)光伏逆變系統(tǒng)

　　摘要

　　通信功能作為光伏逆變系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，其主要用于對(duì)分布式逆變器狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。電力線載波通信(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PLC”)是指將已有的電力線網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介實(shí)現(xiàn)通信的一種方法，將 PLC 功能加入光伏逆變系統(tǒng)，相對(duì)于其他類(lèi)型通信方法而言，可以更好地降低成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性。本文著重介紹一種基于TI 的 TMS320F28035(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“F28035”)和TMS320F28069(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“F28069”)的單芯片光伏逆變器+PLC 解決方案，并給出系統(tǒng)框圖及軟件流程圖。

　　1 具有PLC 通信功能的光伏逆變器應(yīng)用介紹

　　太陽(yáng)能作為一種可再生能源，近兩年已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外成功用于并網(wǎng)發(fā)電。光伏逆變?cè)O(shè)備從功率上來(lái)看大致可劃分為三個(gè)等級(jí)：輸出功率大于6KW 的三相大功率逆變器、輸出功率在1KW 至6KW 之間的單相中型逆變器以及輸出功率在 200W 至 500W 的微逆變器。大功率逆變器的成本高，效率相對(duì)較低，并且一般采用集中式拓?fù)洌云鋵?duì)通信功能的需求量較少。與之相比，中小功率逆變器近年來(lái)在光伏發(fā)電市場(chǎng)上受到了更多的關(guān)注。

　　由于中小型逆變器本身功率不大，所以其更多用于微電網(wǎng)中的分布式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。作為微電網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其會(huì)在某個(gè)區(qū)域內(nèi)有較大數(shù)量和較廣范圍的分布，例如在歐美地區(qū)，很多家庭會(huì)在屋頂安裝這樣的中小功率逆變器;在火車(chē)站或者工廠的屋頂會(huì)使用大量的中小型逆變器來(lái)搭建小型電站等等。這樣就需要對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的逆變器進(jìn)行管理，以便其更有效、安全、穩(wěn)定的工作并且提供及時(shí)的需求和響應(yīng)，而管理方法就是配以通信模塊，以便通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)所有逆變器狀態(tài)，并及時(shí)進(jìn)行控制和調(diào)度。

　　無(wú)論是白天或者夜晚，我們都需要實(shí)時(shí)了解控制器的情況，例如逆變器當(dāng)前工作狀態(tài)、太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)追蹤情況、當(dāng)天/當(dāng)月/當(dāng)年等的發(fā)電千瓦時(shí)、當(dāng)前輸出功率/電壓/電流等數(shù)據(jù)都需要被監(jiān)控。如果使用中小功率逆變器搭建大功率的發(fā)電設(shè)備，則還會(huì)涉及單個(gè)發(fā)電設(shè)備功率因數(shù)的調(diào)節(jié)、防孤島保護(hù)以及多個(gè)逆變器之間的相位同步等參數(shù)的控制。

　　從目前來(lái)看，最常見(jiàn)的方法就是通過(guò)無(wú)線(RF)或者RS485 技術(shù)通信。PLC 利用已有的電力線進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，不需要像 485 總線那樣重新鋪設(shè)新的線路，并且還可以在低成本的情況下實(shí)現(xiàn)有效的通信，其相對(duì)于 RF 可靠性更高，但相對(duì)于 RS485 在魯棒性上則需要更多的設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)加入PLC 模塊，光伏逆變系統(tǒng)就成為為微電網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以接受任何在智能電網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，有利于今后進(jìn)一步的功能擴(kuò)展。

　　圖 1 使用PLC 通信的光伏逆變?cè)O(shè)備區(qū)域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖 1 就是一種帶有 PLC 功能的光伏發(fā)電設(shè)備的區(qū)域系統(tǒng)框圖，在一定區(qū)域內(nèi)給并網(wǎng)的光伏逆變?cè)O(shè)備安裝 PLC 收發(fā)設(shè)備后，以電力線為總線來(lái)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在距離和數(shù)量一定的設(shè)備之間，需要一個(gè)收發(fā)調(diào)制解調(diào)器來(lái)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，并且還可以為其擴(kuò)展上位機(jī)從而將數(shù)據(jù)通過(guò)上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

　　2 PLC 方案介紹

　　2.1 PLC 概況及TI PLC 方案介紹

　　PLC 技術(shù)總體來(lái)說(shuō)可以分為寬帶(Broad-band)PLC 和窄帶(Narrow-band)PLC 兩大類(lèi)，寬帶PLC 速度一般大于1MBPS，應(yīng)用于Internet 互聯(lián)網(wǎng)等local area network 廣域網(wǎng)連接的場(chǎng)合;窄帶PLC(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NBPLC”)適用于長(zhǎng)距離、低傳輸速度、只需窄帶控制或者寬數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合 [1] 。而中小型光伏逆變?cè)O(shè)備往往對(duì)于其通信模塊需要數(shù)據(jù)高可靠性以及低成本的要求，所以 NB PLC 會(huì)更適合于該應(yīng)用。

　　目前 PLC 調(diào)制技術(shù)主要有三大類(lèi)：?jiǎn)屋d波類(lèi)(例如 FSK)、擴(kuò)展頻譜類(lèi)(例如 S-FSK)、多載波類(lèi)(例如 OFDM)。前兩種從調(diào)制方式上看大體可以概括為單載波調(diào)制方法，是目前使用比較多的一種技術(shù)，其特點(diǎn)就是原理簡(jiǎn)單，但是速度較慢、魯棒性也較低。而多載波即 OFDM(正交頻分復(fù)用調(diào)制)是一種更加穩(wěn)定且數(shù)據(jù)速率更高的調(diào)制技術(shù)，其原理就是在單一信道、同一時(shí)域傳輸過(guò)程中同時(shí)會(huì)有多個(gè)頻率的載波信號(hào)進(jìn)行傳輸，并且每個(gè)載波可以根據(jù)需求采用不同的調(diào)制方式。相對(duì)于單載波調(diào)制技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)如下：1)低于 500 KHz 的 PLC 信號(hào)能夠穿越變壓器，因此具有很好的傳播特性;2)NB PLC 在使用 MCU 或 DSP 實(shí)現(xiàn)時(shí)具有較好的成本效益;3)在窄帶干擾(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NBI”)和短脈沖干擾(Impulse)下有很強(qiáng)的魯棒性(Robustness);4)頻率選擇性信道的響應(yīng)(阻抗特性)較好;5)能夠與已有的單載波技術(shù)(FSK, S-FSK)共存 [1] 。6)無(wú)需與主電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)同步，因此可以用于直流應(yīng)用 (如微逆)。

　　圖 2 NB PLC 的調(diào)制方式

　　當(dāng)前，基于OFDM 技術(shù)的NB PLC 的PRIME/G3 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際部署階段。而IEEE P1901.2和ITU-T G.hnem 兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也即將制定完成。TI 在OFDM 的軟件開(kāi)發(fā)上有很好的積累，提供了一系列針對(duì)各種不同標(biāo)準(zhǔn)的固件庫(kù)，開(kāi)發(fā)人員使用這些固件庫(kù)的函數(shù)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，不需要關(guān)心其底層設(shè)計(jì)的復(fù)雜時(shí)序，并且可以高效靈活的根據(jù)自己的需求進(jìn)行產(chǎn)品定制。圖3 是TI 的PLC 開(kāi)發(fā)軟件庫(kù)(plcSUITE)。

　　圖 3 PLC Suite 結(jié)構(gòu)框圖

　　TI 提供的plcSUITETM 軟件庫(kù)解決方案中，包括了已經(jīng)實(shí)際部署PRIME/G3 協(xié)議棧，以及TI 定義的PLC Lite 標(biāo)準(zhǔn)。PLC Lite 是TI 在PRIME 標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行優(yōu)化得到的一個(gè)基于OFDM 的軟件庫(kù)，下一節(jié)會(huì)具體介紹其特性。除了提供軟件開(kāi)發(fā)固件庫(kù)外，TI 還提供整套的解決方案包括硬件模擬前端模塊，如圖4所示，C2000 可以作為數(shù)字調(diào)制解調(diào)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的處理器，可以使用plcSUITETM 中提供的庫(kù)來(lái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，并且將調(diào)制好的物理層信號(hào)通過(guò)SPI 發(fā)送至作為模擬前端的AFE031/AFE030，然后通過(guò)AF031/AFE030 將數(shù)據(jù)信號(hào)耦合至電力線發(fā)送。

　　圖 4 TI NB PLC 解決方案

　　2.2 TI PLC Lite 標(biāo)準(zhǔn)介紹 [2]

　　PRIME 和G3 標(biāo)準(zhǔn)在制定之初，主要應(yīng)用對(duì)象是類(lèi)似遠(yuǎn)程抄表等終端節(jié)點(diǎn)多且距離遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用，所以在PRIME 和G3 標(biāo)準(zhǔn)中會(huì)包括物理層、媒體層、邏輯鏈路層、以及更上層(例如在適配層支持IPV6 及IEC61334-32 等)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。而對(duì)于光伏逆變?cè)O(shè)備，其數(shù)據(jù)量不大并且在當(dāng)前大多數(shù)應(yīng)用中，其組網(wǎng)方式相對(duì)較簡(jiǎn)單所以并不需要一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。TI 定義了一個(gè)低成本且相對(duì)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)PLCLite 以應(yīng)用于光伏逆變、路燈控制等相對(duì)簡(jiǎn)單靈活的網(wǎng)絡(luò)。而PLC Lite 本身是由PRIME 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化而來(lái)，所以其穩(wěn)定性也可以得到保證。其特性如下：(1) 可使用TMS320F28035 contorlCARD 或TMS320F28069 contorlCARD 作為主控模塊;(2)支持PLC Add-on AFE031 模擬前端驅(qū)動(dòng)模塊;(3)支持47K~90K 半頻段(歐洲CENELEC A 頻段標(biāo)準(zhǔn))、40K~150K 半頻段(24K 歐洲CENELEC A /B/C/D 頻段標(biāo)準(zhǔn));(4)最高傳輸速率為21Kpbs(不使用前向糾錯(cuò))、11Kpbs(使用前向糾錯(cuò));(5)采用OFDM 調(diào)制方式、使用前向糾錯(cuò)功能、每個(gè)頻率載波采用DBPSK 調(diào)制技術(shù);(6)40K~90K 頻段子載波數(shù)量為97 路(1 路導(dǎo)頻，96 路數(shù)據(jù));(7)帶有重復(fù)碼糾錯(cuò)功能、CRC8 錯(cuò)誤校驗(yàn)、重復(fù)碼和RS 前向糾錯(cuò)算法;(8)可通過(guò)UART 發(fā)送指令進(jìn)行調(diào)試;(9)可編程控制AFE031 增益;(10)具有PRIME 標(biāo)準(zhǔn)物理層特性、增強(qiáng)的NBI 性能以及支持MAC 層擴(kuò)展。

　　圖5 PLC Lite 物理層特性參數(shù)