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，其主要用于對分布式逆變器狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。電力線載波通信(以下簡稱“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)，相對于其他類型通信方法而言，可以更好地降低成本、簡化系統(tǒng)復(fù)雜性。本文著重介紹一種基于TI 的 TMS320F28035(以下簡稱“F28035”)和TMS320F28069(以下簡稱“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

　　太陽能作為一種可再生能源，近兩年已經(jīng)在國內(nèi)外成功用于并網(wǎng)發(fā)電。光伏逆變設(shè)備從功率上來看大致可劃分為三個(gè)等級：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，效率相對較低，并且一般采用集中式拓?fù)?，所以其對通信功能的需求量較少。與之相比，中小功率逆變器近年來在光伏發(fā)電市場上受到了更多的關(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)中的分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。作為微電網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其會在某個(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)，很多家庭會在屋頂安裝這樣的中小功率逆變器;在火車站或者工廠的屋頂會使用大量的中小型逆變器來搭建小型電站等等。這樣就需要對一定區(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，以便通過上位機(jī)監(jiān)測所有逆變器狀態(tài)，并及時(shí)進(jìn)行控制和調(diào)度。

　　無論是白天或者夜晚，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。

　　從目前來看，最常見的方法就是通過無線(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，其相對于 RF 可靠性更高，但相對于 RS485 在魯棒性上則需要更多的設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過加入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 通信的光伏逆變設(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)的光伏逆變設(shè)備安裝 PLC 收發(fā)設(shè)備后，以電力線為總線來通信的拓?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)總體來說可以分為寬帶(Broad-band)PLC 和窄帶(Narrow-band)PLC 兩大類，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)連接的場合;窄帶PLC(以下簡稱“NBPLC”)適用于長距離、低傳輸速度、只需窄帶控制或者寬數(shù)據(jù)采集的場合 [1] 。而中小型光伏逆變設(shè)備往往對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 會更適合于該應(yīng)用。

　　目前 PLC 調(diào)制技術(shù)主要有三大類：單載波類(例如 FSK)、擴(kuò)展頻譜類(例如 S-FSK)、多載波類(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)域傳輸過程中同時(shí)會有多個(gè)頻率的載波信號進(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(以下簡稱“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)無需與主電網(wǎng)過零點(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 兩大國際標(biāo)準(zhǔn)也即將制定完成。TI 在OFDM 的軟件開發(fā)上有很好的積累，提供了一系列針對各種不同標(biāo)準(zhǔn)的固件庫，開發(fā)人員使用這些固件庫的函數(shù)來進(jìn)行開發(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 開發(fā)軟件庫(plcSUITE)。

　　圖 3 PLC Suite 結(jié)構(gòu)框圖

　　TI 提供的plcSUITETM 軟件庫解決方案中，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，下一節(jié)會具體介紹其特性。除了提供軟件開發(fā)固件庫外，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 中提供的庫來進(jìn)行軟件開發(fā)，并且將調(diào)制好的物理層信號通過SPI 發(fā)送至作為模擬前端的AFE031/AFE030，然后通過AF031/AFE030 將數(shù)據(jù)信號耦合至電力線發(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)用對象是類似遠(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。而對于光伏逆變設(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)方式相對較簡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)低成本且相對簡單的標(biāo)準(zhǔn)PLCLite 以應(yīng)用于光伏逆變、路燈控制等相對簡單靈活的網(wǎng)絡(luò)。而PLC Lite 本身是由PRIME 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化而來，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)