基于MCU系列的智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)解決方案

為了提高能效，電網(wǎng)管理和優(yōu)質(zhì)電力輸送，工程師們設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)。增加智能電網(wǎng)的復(fù)雜性是微電網(wǎng)相對較新的概念。在連接微電網(wǎng)和公用電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，通過使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理來控制電力流以維持供電標(biāo)準(zhǔn)的能力變得比以往任何時(shí)候都重要。

微電網(wǎng)已成為重要的智能電網(wǎng)方法的組成部分。這些小型能源生產(chǎn)商已出現(xiàn)在前瞻性社區(qū)，校園，軍事設(shè)施和其他相關(guān)化合物中。微電網(wǎng)可以為公用電網(wǎng)供電或從公用電網(wǎng)獲取電力。它還可以與主電網(wǎng)斷開連接并自動運(yùn)行。

由于幾乎任何人都可以安裝本地化電源系統(tǒng)，因此確保質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和正確的電網(wǎng)同步至關(guān)重要。實(shí)時(shí)電源管理和遙測是智能電網(wǎng)的重要組成部分，復(fù)雜的算法和快速，可靠的數(shù)字資源也是實(shí)現(xiàn)所有相關(guān)系統(tǒng)平衡和優(yōu)化所必需的。微電網(wǎng)不斷優(yōu)化，以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的電源效率和電能質(zhì)量。

結(jié)合太陽能光伏的微電網(wǎng)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊之一面板是微型逆變器的面板。這種逆變器通常工作在500瓦以下并且與智能電網(wǎng)相連 - 稱為“并網(wǎng)” - 并使用微控制器來執(zhí)行控制的所有方面。 MCU的主要功能之一是充當(dāng)最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT)，處理算法以最大化PV功率輸出。它還具有使用鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行DC-AC功率反轉(zhuǎn)和與智能電網(wǎng)同步的任務(wù)。保持對電網(wǎng)的清潔電流饋送同時(shí)還維持PV系統(tǒng)中的最大功率效率可能是一個挑戰(zhàn)，并且通過在每個太陽能電池板上包括逆變器來改善PV系統(tǒng)中的功率輸出被認(rèn)為是有益的。以這種方式，實(shí)際上可以消除由于陰影引起的功率損耗?？焖贁?shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)和組件成本的下降使這種架構(gòu)變得可行。微控制器供應(yīng)商，如德州儀器(TI)，一直積極為希望開始實(shí)施微逆變器設(shè)計(jì)的工程師提供大量設(shè)計(jì)支持。例如，TI的C2000 Piccolo微控制器是數(shù)字控制微逆變器應(yīng)用的理想選擇。為了幫助設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)原型設(shè)計(jì)，TI提供了大量的設(shè)計(jì)資源，作為250瓦并網(wǎng)太陽能微逆變器參考設(shè)計(jì)的一部分，該設(shè)計(jì)采用TI C2000 Piccolo隔離控制卡。 controlCARD基于TI C2000 Piccolo F28035 MCU，以方便的100針DIMM格式提供所有GPIO，ADC和功率調(diào)節(jié)組件。它適用于原型設(shè)計(jì)和小批量應(yīng)用，它在單個電路板上提供所有數(shù)字控制元件，只需要添加電源轉(zhuǎn)換組件即可實(shí)現(xiàn)完整的端部設(shè)計(jì)。它還包括用于串行總線和JTAG端口連接的光隔離器，以及噪聲濾波器和ADC輸入鉗位保護(hù)。還提供可靠的電壓參考源以與ADC一起使用。 TI提供了一整套與controlCARD相關(guān)的設(shè)計(jì)資源，包括完整的BOM，原理圖，測試數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)文件，可顯著加快逆變器解決方案的開發(fā)速度。

基于MCU系列的智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)解決方案

圖1：交流電網(wǎng)的光伏電源。 (圖像：德州儀器)任何數(shù)字控制的并網(wǎng)微逆變器設(shè)計(jì)都有兩個核心構(gòu)建模塊。該逆變器設(shè)計(jì)的第一個模塊(圖1)是一個DC-DC反激式轉(zhuǎn)換器，由MPPT軟件算法控制。要從PV面板獲得最佳功率輸出，它必須在其最大功率點(diǎn)運(yùn)行。 MPPT軟件確定PV面板的輸出電流，以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。由于最大功率傳輸受溫度和光強(qiáng)度的影響，因此MPPT要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效。該第一級電路還提供高頻隔離。

圖2：DC-DC轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路和MPPT。 (圖片：德州儀器)最后一塊是DC-AC單相逆變器。 TI C2000微控制器增強(qiáng)的外設(shè)和優(yōu)化內(nèi)核使其成為控制應(yīng)用的理想選擇。 MCU的ADC和PWM外設(shè)設(shè)計(jì)用于集成多頻控制環(huán)路并保證PWM波形的采樣。

逆變器控制軟件使用三個反饋信號，交流線電壓(VLN)，直流母線電壓( Vbus)和主電感電流(IL)。這些反饋信號用于優(yōu)化驅(qū)動逆變器輸出的四個PWM輸出。逆變器將DC總線維持在所需的設(shè)定點(diǎn)，以將受控的正弦波注入電網(wǎng)，通過PLL實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步。圖3說明了基于Piccolo MCU的controlCARD如何與轉(zhuǎn)換器，逆變器和主電網(wǎng)連接。

圖3：Piccolo controlCARD的功能原理圖MCU集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-AC逆變器。 (圖像：德州儀器)可以通過采集這些控制信號來分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并記錄趨勢，這些數(shù)據(jù)可用于開發(fā)新的控制算法。數(shù)據(jù)分析也可用于預(yù)測模型，以幫助預(yù)測網(wǎng)格行為以減輕問題。標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)和審計(jì)報(bào)告對理事機(jī)構(gòu)和利益相關(guān)者也很有用。云計(jì)算使收集大量遙測數(shù)據(jù)成為可能，否則需要大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲。

將這些重要數(shù)據(jù)從智能電網(wǎng)傳輸給用戶

放置這些數(shù)據(jù)掌握在可以使用它的人手中是最終目標(biāo)，現(xiàn)代移動設(shè)備可以提供理想的數(shù)據(jù)傳輸和控制平臺。移動設(shè)備的可用性可以提供開發(fā)專有HMI的替代方案，而配置云連接對于幾乎任何設(shè)計(jì)來說都是相對簡單的事情。 Wi-Fi和藍(lán)牙可能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最常用方法，在某些情況下，可能需要考慮使用中間網(wǎng)關(guān)。特別是在多個能源組成微電網(wǎng)解決方案的情況下。

連接到云

也可以收集微逆變器控制回路中使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到基于云的應(yīng)用程序。這不僅有助于可視化當(dāng)前的負(fù)載和供應(yīng)參數(shù)，隨著時(shí)間的推移，可以分析存儲的數(shù)據(jù)以建立關(guān)于發(fā)電能力和消耗特性的趨勢。將數(shù)據(jù)打包成一系列數(shù)據(jù)包以便向前傳輸?shù)皆茟?yīng)用程序可以在Piccolo MCU中輕松完成。因此，需要通過本地網(wǎng)關(guān)或Wi-Fi接入點(diǎn)連接無線連接功能。將無線連接結(jié)合到設(shè)計(jì)中有兩種主要方法。最流行的方法是使用預(yù)先認(rèn)證的型號認(rèn)可的無線模塊，盡管一些工程師仍然認(rèn)為離散方法值得付出努力。無線模塊的一個示例是TI的SimpleLink CC3200MOD Wi-Fi解決方案。[!--empirenews.page--]

圖4：TI SimpleLink CC3200無線SoC模塊的功能塊。 (圖片：德州儀器)這款Wi-Fi模塊的核心是CC3200MOD片上系統(tǒng)(SoC)平臺，參見圖4，其中包含兩個獨(dú)立的ARM?Cortex?-M4 MCU：專用用戶應(yīng)用MCU和專用網(wǎng)絡(luò)處理器MCU。

應(yīng)用處理器是32位ARM?Cortex?-M4 MCU(圖5)。 32位核心處理器針對嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。增加這種功能豐富的器件是標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，包括I 2 S，SD，UART，I 2 C和SPI。還包括多達(dá)27個GPIO，一個四通道ACD和一個專用的快速并行相機(jī)接口。

第二個ARM?負(fù)責(zé)所有無線，互聯(lián)網(wǎng)層和安全功能。功能包括256位加密引擎，可快速，安全地連接到互聯(lián)網(wǎng)，以及許多防篡改措施，可確保固件在本地安全。 SimpleLink?系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的快速實(shí)施，設(shè)計(jì)支持和可擴(kuò)展性。具有物理上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)MCU本身就是一種安全功能。

電源管理子系統(tǒng)包括一個DC-DC轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)廣泛的電源電壓。先進(jìn)的低功耗模式提供低功耗深度睡眠(僅消耗135μA，具有256 KB RAM保持)，休眠(僅消耗4.5μA)和關(guān)閉(僅消耗1μA)模式。

圖5：CC3200硬件概述。 (圖像：德州儀器)網(wǎng)絡(luò)MCU支持電臺，接入點(diǎn)和Wi-FiDirect?連接模式。 CC3220x系列SimpleLink?器件還包括嵌入式IPv6，IPv4 TCP/IP和TLS/SSL堆棧，HTTP服務(wù)器以及各種其他互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。這些設(shè)備支持廣泛的Wi-Fi配置方法，增加了SimpleLink?系統(tǒng)的多功能性和實(shí)用性。

SimpleLink CC3200 LaunchPad開發(fā)板可幫助加速Wi-Fi原型的開發(fā)。該板適用于CC3200 Wi-Fi SoC模塊，是打破Wi-Fi模塊IO并集成到C2000微逆變器MCU的理想環(huán)境。

圖6：TI CC3200 LaunchPad開發(fā)板。 (圖片：德州儀器)可在此處找到CC3200 LaunchPad環(huán)境的一整套開發(fā)資源，技術(shù)文檔和應(yīng)用示例。

結(jié)論

將C2000 MCU和CC3220x無線SoC MCU系列等強(qiáng)大技術(shù)置于設(shè)計(jì)師手中，使下一代智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。這些MCU共同提供完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，包括軟件，工具，用戶和編程指南，樣本應(yīng)用，參考設(shè)計(jì)和在線支持。

C2000 MCU是網(wǎng)格優(yōu)化的理想選擇。這些32位高性能處理器完美適用于實(shí)時(shí)控制應(yīng)用以及快速，精確的傳感和閉環(huán)控制。它們還具有許多安全認(rèn)證和安全選項(xiàng)。

CC3200 SimpleLink?無線通信解決方案在云和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間建立了必要的鏈接，在用戶和重要傳感器之間提供安全可靠的連接數(shù)據(jù)。使用這個關(guān)鍵組件，向微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)管理鏈的人工組件提供數(shù)據(jù)相對簡單。