一种基于双ARM架构的光伏逆变与监测方法

安徽师范大学物理与电子信息学院 王立强 丁 磊 王 赛

0 引言

目前光伏逆变与监控方法在控制和调节光伏发电设备上存在困难，影响到光伏发电安全稳定。本文提出一种新的太阳能光伏逆变与监测方法，该方法可以实时获取设备信息以保证系统稳定运行，具有人机交互功能，便于操作人员调整与维护，且具有Wi-Fi联网功能可管理和统计区域分布式光伏逆变系统信息。

针对光伏逆变与监控，文献[1-2]基于单DSP（Digital Signal Processing）的系统实现其控制功能，DSP由于自身功能原因，适用于高速的数据运算功能但在处理较为复杂的显示控制时，可能出现实时性无法达到要求，并且成本昂贵不利于大规模应用。文献[3-4]通过设计单FPGA（Field－Programmable Gate Array）逆变器实现光伏逆变与监控，但FPGA的设计、调试比MCU复杂，成本较高。

针对上述典型方法存在的不足，本文提出一种基于双ARM（Advanced RISC Machine）架构的方法实现光伏逆变与监控功能。新方法采用MCU_LCD搭载μC/OSII操作系统测量数据；使用μC/GUI界面实时显示系统状况；通过触摸屏进行人机交互实现系统参数设置；采用MCU_SPWM输出SPWM波信号实现逆变；MCU_LCD和MCU_SPWM之间通过串行口进行通信，从而可实时获取逆变器的运行信息（包括电压、频率等参数）；增加WiFi模块对设备信息实现远程管理和统计[5]。

全文安排如下：第1章介绍系统架构，第2章给出硬件电路模块的描述，第3章介绍软件模块，第4章给出仿真与实验，最后是结论。

1 系统架构

图1所示为本文设计的整体框图，主要分为硬件和软件两个部分。其中硬件部分主要包括基于STM32F103的触摸屏接口、光耦隔离电路、驱动电路、三相逆变桥电路、电压电流采样电路、AD637真有效值转换电路、频率检测电路、通信模块。采用ARM体系中Cortex-M3内核的STM32F103VET6芯片搭载μC/OSII操作系统和μC/GUI界面设计的光伏发电与检测系统，逆变电路采用6只MOSFET构成半桥，由驱动模块传来的6路控制信号及3路基准电平信号控制MOSFET通断，从而将DC直流逆变为三相正弦电源。增加由TLP521构成的光耦隔离电路保护信号输入端电压安全，采用3个IR2111构成驱动电路实现半桥的工作。

人机交互功能主要由MCU_LCD实现，可直接通过触摸屏进行相关设置，完成数据采样和转换以及故障的处理。当检测到的数据与预设的数据有出入时，则进入故障处理模式，严重时可直接自动停机，在显示屏上显示的同时通过局域网通知管理者。MCU_SPWM单片机用于产生SPWM驱动信号输出、控制功率开关管的导通和关断、实时调整系统工作情况，具有死区控制以防止逆变器的损坏。

图1 系统框图

2 硬件电路模块

2.1 信号检测与调理电路

2.1.1 电压电流采样电路

在对系统进行反馈调整时，需要得到当前状态的电压和电流数字量，为了保证系统的稳定性，不能直接在电路中添加检测电路，因此采取了电压互感器和电流互感器进行采样，然后再通过AD637真值转换电路获得有效数字量，最后将其送给芯片进行处理。

本文采用了型号为ZMPT101B的电压互感器，该互感器可准确测量250V以内交流电压。板载高精度运放电路可对信号做精确采样和适当补偿，电位器可调节放大比例，输出信号为正弦波，波形的中间值为1/2VCC。采用ZMCT103B/C型电流互感器，模块可以测量5A以内交流电流。

2.1.2 AD637真有效值转换电路

为便于计算所测电压电流及计算功率，采用AD637真有效值转换芯片将交流电转换成直流有效值，其基本原理是平方、取平均值、开方运算，将真有效值代入运算可以不考虑波形参数以及失真度的大小。AD637的输出电压从一个提供输出缓冲的反相低通滤波器获得。

2.1.3 频率检测电路

电路由3个部分组成，依次分别为轨至轨宽带运放OPA2365，单通道的比较器TLC372一端接参考电压，另一端为输入电压比较后输出标准的方波，在经过SN74LVC1G14反相器得到与输出正弦波同相的方波。

2.2 通信模块

当出现故障时若不能及时的发现与排除，这样就可能造成系统的损坏和经济损失，为了应对此问题，本系统提供了远程监控以实现更高的可靠性。MCU_LCD将采集到的数据通过串口透传至M302-A1模块，该模块扫描并接入所在区域AP（Wi-Fi路由器）然后传至手机终端，具体工作过程如图2所示。本文为了便于开发，ESP8266采用的是开发快公司生产的M302-A1及其自建的服务器，通过iLink（多平台SDK适配）完成设备端到手机端的数据传输。M302-A1模块功能强大，其核心ESP8266是乐鑫公司生产的低功耗WIFI芯片，内置32位CPU，能够独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行，包括ADC、SPI、I2C、I2S、串口等接口和PWM输出功能，可用于实现远程控制[8]。

图2 处理流程示意图

3 软件模块

通过STM32的高级定时器1输出三相SPWM波经过光耦隔离电路、驱动电路和逆变桥实现直流电逆变成交流电，为了让输出功率达到要求，系统的相位检测必须有足够高的精度。本系统通过电压电流调理电路将高压电转化成低压交流电，再经过AD637真有效值转换电路得到直流电压，高速AD采样后得到电压电流值。利用μC/OSII的多任务系统将检测到的电压、电流、频率，等参数显示在屏幕上并通过串口发送给ESP8266模块传输到远程控制端。

3.1 SPWM波的生成

SPWM的工程实现是用一种调制波去和三角波比较，三角波的频率是调制波的n倍，最终便可输出一组幅值相等，脉宽随调制波变化的矩形波。本文利用规则采样法[6-7]，事先生成正弦表存储在内存中利用STM32F103VET6的高级定时器，程序框图如图3所示。

图3 SPWM产生程序框图

图4 MCU_LCD程序流程图

图5 MCU_SPWM程序流程图

3.2 单片机程序设计

（1）MCU_LCD单片机程序设计

MCU_LCD单片机实时采样系统温度，若系统运行正常，进入下一次的采样与判断；MCU_LCD单片机先通过显示屏上设置的用户参数，并将相关参数送给MCU_SPWM，然后进入等待状态，MCU_LCD进行采样，系统判断是否出现故障，如果运行正常，则执行后续的相关功能程序，MCU_SPWM产生驱动信号。具体流程图如图4所示。

（2）MCU_SPWM单片机程序设计

显示屏在系统上电后进行初始化，用户可以对MCU_SPWM设置电压电流、频率以及温度等参数，同时进行显示，该动作通过串口通信接口实现，具体程序流程如图5所示。

3.3 串口通信

利用STM32F103VET6自带的USART接口同时结合其直接存储器 (DMA)提供MCU_SPWM和MCU_LCD之间的高速数据传输。本方案采用的是DMA1的通道2对应USART3_TX的请求映射，通道3对应USART3_RX的请求映射。

3.4 显示模块

触摸屏LCD显示利用了该芯片的灵活的静态存储器控制器(FSMC)，相较于GPIO其优点是数据传输速度更快，在对参数进行处理时实时性更强。

4 仿真与实验

对系统原理进行matlab仿真，仿真原理如图6所示。

图6 MATLAB仿真原理图

5 结论

本文设计了基于双ARM架构的太阳能光伏逆变器控制器，介绍了主要核心硬件电路的设计，将整体功能分别通过两个单片机协调分工实现：系统的主要控制由MCU_SPWM完成，故障处理、人机交互等功能则由MCU_LCD实现。通过施加反馈回路达到实时调整的效果，保证了系统稳定性。

[1]Yu Fei,Guo Hong-mi and ChuYanhe.Design of Photovoltaic Generation Grid connected Inverter Based on DSP[J].Trans Tech Publica tions,2012,1662-8985：3443-3448.

[2]Wang Q,Qin J,Qin X.Design of the Inversion Power-Supply Control System Based on DSP[C]//2011 international conference on mechatronics and materials processing.2011：1425-1430.

[3]Jian Chen,Xianglian Xu,Shunjie Li,Ka Hu,Liang Yu.Implementation of Grid-Connected Cascaded Multi-Level Inverter Based on FPGA for Centralized Photovoltaic Generation[J].ELSEVIER,2012,17(2)：1185-1192.

[4]Zhang Y,Min D U,Sun C Q.Design and implementation of programmable three-phase power signal source based on FPGA[J].Electronic Design Engineering,2016.

[5]范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].山东华宇工学院,2016(9)52-56.

[6]朱能飞,王翠,等.基于STM32的SPWM直接面积等效算法的分析与实现[J].计算技术与自动化,2017,36(3)：20-22.

[7]张奇志,张涛.基于STM32F103的三相SPWM软件设计[R].西安：西安石油大学,2015-09-21.