一種光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)

1、一種光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)論文摘要：提出一種光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)方法。分析了光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊的工作原理，設(shè)計(jì)了人機(jī)接口模塊的電路。應(yīng)用模塊化方法設(shè)計(jì)人機(jī)接口軟件，分析了人機(jī)接口模塊的通信協(xié)議和循環(huán)冗余校驗(yàn)算法。在一臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)方法的可行性。論文關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器,人機(jī)接口,模塊化,通信協(xié)議,循環(huán)冗余校驗(yàn)引言光伏并網(wǎng)發(fā)電作為一種重要的可再生能源應(yīng)用形式，得到人們的廣泛關(guān)注，其核心是光伏并網(wǎng)逆變器。光伏并網(wǎng)逆變器作用是實(shí)現(xiàn)功率變換、向電網(wǎng)發(fā)電等功能，而人機(jī)接口的作用是監(jiān)控光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行，顯示光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)

2、，同時(shí)提供人工操作功能，在必要時(shí)實(shí)施強(qiáng)制開機(jī)、關(guān)機(jī)或參數(shù)修正等操作，并可向監(jiān)控計(jì)算機(jī)提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。光伏并網(wǎng)逆變器認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定作為產(chǎn)品的光伏并網(wǎng)逆變器必須提供人機(jī)接口功能，人機(jī)接口功能由人機(jī)接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。1光伏并網(wǎng)逆變器的人機(jī)接口模塊圖1所示為光伏并網(wǎng)逆變器的人機(jī)接口模塊框圖。圖1光伏并網(wǎng)逆變器及人機(jī)接口模塊Fig.1Photovoltaicgrid-connectedinverterandHMImodule圖中，光伏電池陣列、濾波電容C、C、開關(guān)管VT、VDVT、VD、濾波電感L和L、濾波電容C和工頻變壓器T構(gòu)成了光伏并網(wǎng)逆變器的主電路。電流傳感器SNS、SNS、SNS，電壓傳感器SNS、S

3、NS、DSP(TMS320F2406A)和SPWM驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成了控制系統(tǒng)。陰影局部為人機(jī)接口模塊，該模塊由單片機(jī)MCU、帶光電隔離的RS485總線接口、液晶顯示器LCD、按鍵、日歷時(shí)鐘和串行EEPROM等局部構(gòu)成?？刂坪诵臑镸CU，通過(guò)RS485總線分別與控制系統(tǒng)的DSP和監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信，LCD用于顯示光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，按鍵提供人工操作，日歷時(shí)鐘用于給模塊提供定時(shí)，串行EEPROM用于存放需要保存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。2人機(jī)接口模塊硬件設(shè)計(jì)2.1人機(jī)接口模塊電路圖2為人機(jī)接口單元模塊電路原理圖。圖2人機(jī)接口模塊電路原理圖Fig2.SchematicofHMImodule人機(jī)接口模塊的核心選

4、用8位MCUSTC12C5A60S248腳封裝型。STC12C5A60S2是帶兩個(gè)UART接口的51內(nèi)核兼容MCU。MCU的一個(gè)UART接口通過(guò)RS485總線與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)DSP通信，另一個(gè)UART接口通過(guò)RS485總線與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信。由RS485總線收發(fā)器MAX485和光電耦合器TLP113、TLP521構(gòu)成了光電隔離型RS485總線接口其中，與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)連接的RS485總線接口，其光電隔離是在并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)一側(cè)實(shí)現(xiàn)的，圖中未畫出。顯示界面采用12864點(diǎn)陣LCD。串行EEPROM選用X5045，X5045除提供斷電數(shù)據(jù)保存功能外，還向MCU提供上電復(fù)位和看門狗定時(shí)器功能

5、，通過(guò)SPI總線與STC12C5A60S2連接。日歷時(shí)鐘選用DS1302，斷電條件下備份電池向DS1302供電保證定時(shí)不間斷。強(qiáng)制開機(jī)、關(guān)機(jī)和參數(shù)修正等人工操作通過(guò)按鍵KEY、KEY實(shí)現(xiàn)。與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信的RS485總線接口由隔離型DC-DC變換器NMV0505DAC供電，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)的電氣隔離。人機(jī)接口模塊與并網(wǎng)逆變器的電氣隔離包括光電耦合電路和隔離供電電源在并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，圖中未畫出。2.2帶光電隔離的RS485總線接口電路的設(shè)計(jì)人機(jī)接口模塊與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)DSP和監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信都是通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)的，為了防止通信過(guò)程中出現(xiàn)電磁干擾造成誤碼，RS4

6、85總線接口均參加光電耦合電路以實(shí)現(xiàn)光電隔離，且參加了其它抗干擾措施。圖3為帶光電隔離的RS485總線接口電路的原理圖。圖3帶光電隔離的RS485總線接口電路原理圖Fig.3SchematicofRS485interfacecircuitwithphotoelectricisolation圖中，MAX485為半雙工RS485總線收發(fā)器，其作用是實(shí)現(xiàn)UART單端信號(hào)與RS485總線差分信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。MAX485接收到由MCU的串行數(shù)據(jù)接收端接收RXD信號(hào)。MCU的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)出TXD信號(hào)，TXD信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光耦TLP113光電隔離后傳送到MAX485的DI端，MAX485再將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成差

7、分信號(hào)發(fā)送到RS485總線。DD為MCU輸出的數(shù)據(jù)方向控制信號(hào)，DD信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦TLP521光電隔離后，送入MAX485的RE/DE端，用于控制MAX485的信號(hào)傳輸方向。電阻R、R構(gòu)成偏置電路，其作用是當(dāng)線路進(jìn)入空閑狀態(tài)時(shí)，使總線避開邏輯0;電平，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤傳輸。雙向瞬態(tài)抑制二極管T、T和T提供過(guò)電壓瞬態(tài)抑制，防止RS485總線收發(fā)器被過(guò)電壓信號(hào)擊穿。3人機(jī)接口模塊軟件設(shè)計(jì)人機(jī)接口模塊軟件采用模塊化方式程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的程序由主程序、子程序模塊和中斷效勞程序構(gòu)成。系統(tǒng)總的功能由主程序調(diào)用子程序模塊或進(jìn)入中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。人機(jī)接口模塊的軟件構(gòu)成如圖4所示。圖4人機(jī)接口模塊的軟件構(gòu)成Fig.4Sof

8、twareconstitutionofHMImodule3.1人機(jī)接口模塊與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信人機(jī)接口模塊通過(guò)與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的通信來(lái)獲取并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。人機(jī)接口模塊與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的通信采用主從方式，人機(jī)接口模塊為主機(jī)，并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)為從機(jī)。主機(jī)每隔1s向從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)響應(yīng)命令向主機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)。人機(jī)接口模塊與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的通信協(xié)議內(nèi)容如圖5所示，協(xié)議幀為固定長(zhǎng)度幀，即主機(jī)只發(fā)送一個(gè)字節(jié)的命令幀，從機(jī)必然返回14個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀。圖5人機(jī)接口模塊與并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的通信協(xié)議Fig.5CommunicationprotocolbetweenHMImodulea

9、ndgrid-connectedinverter圖中，U、U交流電壓有效值高8位和低8位；IACH、IACL交流電流有效值高8位和低8位；U、U直流電壓高8位和低8位；I、I直流電流高8位和低8位；f、f電網(wǎng)頻率高8位和低8位；、機(jī)內(nèi)溫度高8位、低8位；ERRCODEH、ERRCODEL故障與異常狀態(tài)指示碼高8位和低8位。從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的運(yùn)行命令16制數(shù)30h，那么使并網(wǎng)逆變器器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)或保持運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)接收到停止命令16進(jìn)制數(shù)31h，那么使并網(wǎng)逆變器進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)或保持停機(jī)狀態(tài)。主機(jī)發(fā)出運(yùn)行命令還是停止命令由人機(jī)接口模塊的按鍵操作來(lái)決定。不管主機(jī)發(fā)出運(yùn)行命令還是停止命令，從機(jī)都向主機(jī)返

10、回?cái)?shù)據(jù)。3.2人機(jī)接口模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信人機(jī)接口模塊與監(jiān)控計(jì)算的通信也采用主從通信方式，監(jiān)控計(jì)算機(jī)為主機(jī)，人機(jī)接口模塊為從機(jī)。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)響應(yīng)返回?cái)?shù)據(jù)。人機(jī)接口模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議如圖6所示，協(xié)議幀采用固定長(zhǎng)度幀，即主機(jī)只發(fā)送4個(gè)字節(jié)的命令幀，從機(jī)必然返回21個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀。圖6人機(jī)接口模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議Fig.6CommunicationprotocolbetweenHMImoduleandmonitoringcomputer圖中，P、P直流功率高8位和低8位，在人機(jī)接口模塊中計(jì)算獲得；P、P交流功率高8位、低8位，在人機(jī)接口模塊計(jì)算獲得；CRC16位循

11、環(huán)冗余校驗(yàn)碼，由發(fā)送端計(jì)算；ERRCODEH、ERRCODEL指示并網(wǎng)逆變器故障、異常狀態(tài)的狀態(tài)指示碼。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可與多臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊通信，因此通信協(xié)議中必須附加從機(jī)地址信息。主機(jī)發(fā)送從機(jī)地址后插入半個(gè)字符長(zhǎng)度的空閑時(shí)間，使從機(jī)有足夠的時(shí)間識(shí)別地址。監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令由人機(jī)接口模塊接收后轉(zhuǎn)發(fā)給并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，同時(shí)將并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)作必要處理后再轉(zhuǎn)發(fā)回監(jiān)控計(jì)算機(jī)注意：人機(jī)接口模塊與并網(wǎng)逆變器是每隔1s通信一次。此外，監(jiān)控計(jì)算與光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊的數(shù)據(jù)通信是遠(yuǎn)距離通信，通信過(guò)程中數(shù)據(jù)有可能引入干擾產(chǎn)生誤碼，因此通信協(xié)議中必須引入校驗(yàn)信息循環(huán)冗余CRC校驗(yàn)

12、，通過(guò)校驗(yàn)信息判斷接收到的數(shù)據(jù)/命令是否有誤碼。1無(wú)論主機(jī)或從機(jī)，當(dāng)接收到命令/數(shù)據(jù)后，均需做CRC校驗(yàn)，假設(shè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)與接收到的校驗(yàn)信息不符，即說(shuō)明接收命令/數(shù)據(jù)有誤碼。2當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)的命令有誤碼，那么從機(jī)不作響應(yīng)；假設(shè)從機(jī)1s內(nèi)不響應(yīng)，那么主機(jī)重發(fā)命令；假設(shè)主機(jī)連續(xù)重發(fā)5次命令，從機(jī)均無(wú)響應(yīng)，即判定為通信故障；3假設(shè)主機(jī)接收到從機(jī)返回的數(shù)據(jù)有誤碼，那么重發(fā)命令給從機(jī)，使從機(jī)再次返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)；假設(shè)主機(jī)連續(xù)10次接收到從機(jī)返回的數(shù)據(jù)有誤碼，即判定為通信故障。3.3循環(huán)冗余校CRC驗(yàn)算法當(dāng)人機(jī)接口模塊從機(jī)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)主機(jī)通信時(shí)，無(wú)論是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的命令幀，還是從機(jī)向主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，都要參

13、加16位CRC校驗(yàn)，以加強(qiáng)通信的可靠性。16位CRC校驗(yàn)方法為：1預(yù)置16位CRC存放器為全1，即CRC(高8位、低8位)=FFFFh；2將8位數(shù)據(jù)信息與CRC(低8位)異或，送回CRC存放器；3計(jì)算結(jié)果右移1位，用0填補(bǔ)最高位；4假設(shè)移出位為1，那么CRC存放器的內(nèi)容與A001h異或；假設(shè)移出位為0，那么不進(jìn)行異或運(yùn)算；5重復(fù)步驟3、4直到移位8次，處理完一個(gè)字節(jié)；6重復(fù)步驟25直到所有字節(jié)處理結(jié)束。4實(shí)驗(yàn)人機(jī)接口模塊及光伏并網(wǎng)逆變器通信實(shí)驗(yàn)如圖7所示。(a)人機(jī)接口模塊與光伏并網(wǎng)逆變器(b)人機(jī)接口界面圖7人機(jī)接口模塊及光伏并網(wǎng)逆變器通信實(shí)驗(yàn)Fig.7Communicationexperi

14、mentbetweenHMImoduleandphotovoltaicgrid-connectedinverter圖8為光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓波形人機(jī)接口模塊正在通信。 圖8光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓波形Fig.8WaveformsofoutputcurrentofthePVgrid-connectedinverterandthegridvoltage由圖8可見，人機(jī)接口模塊與光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)通信時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器也能輸出高質(zhì)量正弦波電流，即人機(jī)接口模塊的運(yùn)行不會(huì)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的發(fā)電運(yùn)行造成影響。5結(jié)論作為光伏并網(wǎng)逆變器的一局部，人機(jī)接口模塊起到監(jiān)測(cè)逆變器運(yùn)行的作用，同

15、時(shí)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)平臺(tái)向監(jiān)控計(jì)算機(jī)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)合理的硬件軟件設(shè)計(jì)，人機(jī)接口模塊實(shí)現(xiàn)了向并網(wǎng)逆變器發(fā)送命令，采集、顯示并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控計(jì)算機(jī)命令，向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，人機(jī)接口模塊實(shí)現(xiàn)了人機(jī)接口功能而不會(huì)對(duì)并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行造成不良影響，因此本文提出的光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 Chaniago K., Selvaraj J.,Rahim N.A.Implementation of single-phase grid connected inverter using TMS320F2812. Industrial Electronics and Applications, 2021. ICIEA 2021. 3rd IEEE Conference on.2021,page(s):1498-1502.2 L.Hassaine,E.Olas,M.Haddadi,A.Malek. Asymmetric SPWM used in inverter g