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)設計方案

　　一般來說，帶有通信模塊的光伏逆變系統(tǒng)都會采用逆變系統(tǒng)外加通信模塊的方式來實現，即在一個逆變系統(tǒng)中，加入相關的通信協(xié)議，并通過SCI/SPI 等通信手段與外加的通信模塊進行短距離通信，再由通信模塊將其發(fā)送至外部網絡。本章節(jié)介紹兩種光伏逆變器+PLC 的系統(tǒng)拓撲，并對其特點進行分析。

　　3.1 PLC 外部獨立模塊系統(tǒng)

　　圖6 所示為PLC 外部獨立模塊的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)拓撲模塊化較好，靈活度較高。由于PLC 會占用MCU 大量的片上ADC 資源，因此PLC 和逆變系統(tǒng)如果分別獨立開發(fā)設計則可以降低光伏逆變系統(tǒng)主控MCU 的負載率。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，但其缺點在于多芯片方案導致外圍電路設計復雜且系統(tǒng)成本增加，同時性能較低的MCU 亦限制了光伏逆變設備總體性能的提高。一般在通信功能為可選的系統(tǒng)(如光伏微逆變器)中會傾向于此類拓撲設計。

　　圖 6 光伏逆變系統(tǒng)PLC 外部獨立模塊系統(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隔離方式，前級DC/DC 完成MPPT 功能，后級IGBT 模塊完成單相逆變，主控系統(tǒng)為兩顆F28035(認證要求);PLC 模塊部分則由另一顆F28035 單獨控制，光伏逆變中的一顆主控F28035 只需將數據通過SCI/SPI 發(fā)送至PLC 模塊，PLC 模塊則通過AFE031 及電力線將數據發(fā)送至網絡。因此該系統(tǒng)總共需要使用3 顆MCU 來實現。

　　3.2 PLC 內部集成系統(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 負責所有的信號接收、解析、處理及發(fā)送;模擬前端只負責發(fā)送和接收數據：發(fā)送——通過MCU 的片上SPI 模塊(無需D/A 轉換)傳送的離散信號經D/A 轉換成連續(xù)信號后放大并耦合至電力線;接收——將電力線上的調制信號采樣匹配后輸送至MCU 的片上ADC 單元進行離散采樣。通過該分析可以發(fā)現，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 功能的光伏逆變設備，該集成拓撲相對于圖6 來說主要減少了一顆高性能的實時控制MCU，因此系統(tǒng)成本明顯降低，但需要注意的是在該MCU 選型時必須考慮采較強處理能力的內核和外設。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，但其中仍存在技術難題，例如ADC 的采樣時序沖突——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與其一致，而PLC-Lite 的 ADC 采樣頻率最低為250KHz，且兩者在采樣時均需要ADC 產生中斷處理來數據，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 和強大數據處理能力的MCU;逆變系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)都需要很強的實時處理性能?？紤]到以上需求，如選用專用DSP 芯片不但增加系統(tǒng)成本，還會增加開發(fā)難度，因此如何選用一顆專用MCU 來并行實現光伏逆變和PLC 的相關運算是至關重要的。C2000 由于具有出色的實時控制性能，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 的實時處理C28 內核、硬件浮點運算器和90MHz 的主頻使其擁有強大的實時運算能力， 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 等外設數據進行快速傳輸。針對光伏逆變系統(tǒng)，F28069 擁有轉換時間為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150ps 分辨率的PWM 信號。同時，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)單元來實現，此運算單元可專門用于運算基于OFDM 的PLC 的大容量快速傅里葉變換(FFT)以及生成前向糾錯碼(FEC)和CRC 校驗碼，其內部還有一個浮點協(xié)處理器——控制率加速器(CLA)，可與主內核并行運算以及擁有和主內核相同的外設使用能力，并且可使用C 語言在CCS 環(huán)境下進行編程。CLA 最多有8 個任務，每個任務都可以由外設(ADC/PWM/定時器)或軟件觸發(fā)。圖7 為F28069 的性能和外設資源列表[3]。

　　圖 7 F28069 性能和外設資源

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

　　PLC 在通信時會占用較多的MCU 資源，所以在DC/AC+PLC 的單MCU 解決方案中，F28069 的主內核進行PLC 運算，其中ADC 的中斷用于PLC 的高速采樣及處理;F28069 內部的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 轉換結果然后更新逆變全橋的IGBT 驅動PWM信號占空比。

　　5.1 系統(tǒng)結構框圖

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

　　如圖8 所示，光伏電池最大功率點追蹤部分采用交錯式BOOST 拓撲，由F28035 控制;母線電壓通過LLC 隔離后輸送至后級DC/AC 部分。F28069 則運行DC/AC 和PLC 兩部分代碼。DC/AC 部分為單相逆變全橋，PLC 部分則通過AFE031 模擬前端將數據耦合至電網。兩顆MCU 通過UART 進行數據通信。

　　5.2 DC/AC 系統(tǒng)軟件框圖

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

　　主函數由兩個部分組成：(1)內核、外設、變量的初始化;(2)任務狀態(tài)機。函數開始部分，進行主內核運行變量、CLA 以及PLC 代碼的初始化。然后進入PLC Run 函數、Task A、B、C 四個任務的輪詢運行階段。PLC Run 函數的功能為PLC 數據接收、發(fā)送、解析以及相關變量更新;Task A 為每毫秒運行一次的Task A0 函數，其中存在 A1 和A3 兩個有效子函數。A1 的功能為每20ms 檢測系統(tǒng)標志位并且更新當前系統(tǒng)狀態(tài);A3 輪詢當前功能按鈕狀態(tài)以及發(fā)出LED 指示燈控制信號。Task B 是5ms 輪詢的Task B0 函數，其中有 B1，B2，B3，B4 四個有效任務。B1 的功能是故障檢測和系統(tǒng)欠過流、欠過壓的保護;B2 主要進行參數運算，主要為線電壓有效值、線電流有效值、當前輸出功率的值等;B3用于系統(tǒng)運行狀態(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 運行一次的Task C0 函數，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 初始化時就通過軟件觸發(fā)，其功能主要是數字電源算法庫DPLIB_C_CLA 以及CLA 運算參數初始化。Task3 是PWM3 事件匹配觸發(fā)，同時會觸發(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)任務時PWM 處于下降沿計數則運行此部分程序。其主要功能是運算線電壓、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核讀取。

　　上升沿觸發(fā)階段：此階段同樣在觸發(fā)并且PWM 時基情況下運行。首先是讀取外部采樣電壓、電流值，然后調用數字電源算法庫函數中的2P2Z 模塊進行母線電壓調節(jié)(與DC/DC 板連接時有效，獨自運行時使用常數作為輸出結果)并將運算結果作為其中之一的參數輸入電流環(huán)基準乘法模塊。接下來會判斷并網標志位狀態(tài)，如果已經置位即表示當前為并網運行狀態(tài)，則進行數字PLL 運算。如果此時為離網運行狀態(tài)，就跳過此部分進行電流內環(huán)調節(jié)環(huán)運算。最后將電流環(huán)運算結果轉換為PWM 占空比值用存入相應寄存器。

　　第三部分ECap1 中斷服務程序用于檢測電網相位和頻率，作為PLL 的鎖相基準。

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

　　第五部分是整個系統(tǒng)的關鍵部分PLC Run 函數，在第一部分已提到，該函數會在系統(tǒng)狀態(tài)機每次輪詢的時候調用，其內部的定時器中斷、ADC 中斷服務函數以及底層解碼函數都封裝在PLC Lite 中。只需先設定中斷函數入口地址、系統(tǒng)頻率等參數后，調用初始化函數HAL_afeInit(), 即可完成底層外設的初始化。

　　整個系統(tǒng)的關鍵在于ADC 的復用和同步，上文已經提及，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關系，同時，由于輸出正弦信號需為50HZ，所以同時也需要是50HZ 的倍數，由于IGBT 的開關頻范圍有限，故選擇25KHZ 為輸出SPWM信號的載波頻率。這樣PLC 每進行10 次采樣，逆變部分的信號進行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 會觸發(fā)主內核中斷。而逆變部分則如前文所述觸發(fā)CLA 運算，這樣系統(tǒng)就在同一時間并行運行兩種功能，減小了整個系統(tǒng)的時間復雜度并且增加了MCU 的利用率。圖9 為系統(tǒng)軟件流程圖。

　　圖 9 F28069 PLC 內部集成系統(tǒng)軟件流程圖

　　6 總結

　　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)拓撲結構以及 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應用于需要與電網相連的產品中，而將其加入當前關備受關注的光伏逆變系統(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是每個并網逆變器的必備功能，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)，例如將更復雜的PLC 標準加入光伏逆變系統(tǒng)。通過 PLC 進行傳輸數據，對于光伏逆變系統(tǒng)，無疑有著多方面巨大的優(yōu)勢，并且也將進一步推進物聯(lián)網概念的實施普及，TI 將推出更多關于PLC 應用的方案，使開發(fā)人員可以更快的完成產品設計。

　　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 典型應用原理圖