基于PIC24FJ64的智能光伏匯流采集裝置設計及應用

0 　引言
　　伴隨著世界人口的不斷增長和城市化進程的不斷推進，化石能源日趨枯竭，燃燒化石燃料所導致的環(huán)境污染日趨嚴重。從而使太陽能這種清潔能源備受關注，太陽能是一種低密度的平面能源，需要數(shù)量巨大的太陽能電池板陣列進行串并聯(lián)組合來達到所需功率，為了減少電池組件與逆變器之間的連接線和方便日后維護，同時減少投資成本，需要在直流側配置光伏陣列防雷匯流箱、直流柜、逆變器、按分段連接、逐級匯流的方式進行一次和二次匯流。
　　本文介紹一種基于PIC24FJ64的智能光伏AGF系列匯流采集裝置，本裝置使用霍爾傳感器隔離測量來自光伏電池陣列的電流，同時可以測量其輸出電壓，監(jiān)測匯流箱內(nèi)部的防雷器和直流斷路器的工作狀態(tài)、配有溫度、風速，輻照等傳感器輸入接口，帶有接點輸出，用于驅(qū)動外部執(zhí)行機構。本裝置通過RS485總線與上位機通訊，用于接收計算機指令，上傳檢測到的光伏電池陣列、匯流箱組件和外部環(huán)境狀態(tài)。本裝置最多可監(jiān)測16路光伏電池組輸出電流，并可以根據(jù)輸入電壓計算分相和合相功率。本裝置帶有LED數(shù)碼顯示器和設定撥碼，用于查看數(shù)據(jù)和設定本裝置的通訊地址、數(shù)據(jù)格式、波特率等參數(shù)。

1 　電路設計原理
　　PIC24FJ64是MicroChip公司的一種改進的哈佛架構的高速16位低功耗單片機，在32M時鐘頻率時系統(tǒng)性能可達16MIPS，17 位 x 17 位單周期硬件乘法器，最大可內(nèi)帶64k的FlashROM，8k系統(tǒng)SRAM，2 個 模塊，2 個UART 模塊、允許對許多外部I/O口功能進行重新定義，增加了系統(tǒng)設計的靈活性。電路框圖見圖1

圖1

1.1 電流輸入模塊
　　電流輸入模塊分成兩個8路模塊，最多可以輸入16路的電池串列，電流采樣使用霍爾傳感器實現(xiàn)對光伏電流的隔離型測量，霍爾效應是指的是當有一半導體薄片，假設以三維空間的視角來看，在其Y軸方向施加一個一定強度的磁場，在X軸方向通以電流，則在此半導體薄片的Z軸方向會產(chǎn)生電動勢，該電動勢就是霍爾電勢，見圖2，本霍爾傳感器采用單電源5V供電方式，在輸入最大輸入電流為-15A～+15A對應輸出電壓為0～5V。霍爾傳感器的輸出接入到一個8選一的模擬開關，由程序控制對8個輸入通道逐個掃描，模擬開關的輸出經(jīng)過一個RC濾波電路然后接入到A/D轉換芯片ADS1110,ADS1110是TI公司的16位精度模數(shù)轉換器，寬工作電源2.7～5.5V,芯片內(nèi)置有5ppm/°C溫度系數(shù)的2.048V高精度電壓參考，芯片內(nèi)置PGA，可以對輸入信號進行放大，放大倍數(shù)為1、2、4、8倍。芯片使用 總線接口最快速度可以達到400kHz（圖3）。

圖2

圖3

　　電流輸入模塊上還具有輸入通道狀態(tài)指示，使用雙色LED燈指示電池串列的斷線或正常工作狀態(tài)，雙色LED驅(qū)動使用串入并出移位寄存器74HC595兩顆級聯(lián)使用，其中U33驅(qū)動綠色LED管芯，U36驅(qū)動紅色管芯。（圖4）

圖4

1.2 顯示部分
　　顯示部分電路使用串入并出移位寄存器74HC595兩顆級聯(lián)使用，其中U100的輸出作為數(shù)碼管的段碼，U101輸出作為數(shù)碼管的位選信號，使用動態(tài)顯示方式，逐個點亮數(shù)碼管，數(shù)碼管的位選信號還作為按鍵的檢測功能，CPU在“KEY”線輸出電平，當某一位數(shù)碼管導通，如果此時接在此數(shù)碼管選通線上的按鍵按下時，“KEY”線會被拉低，CPU就會檢測到一次按鍵事件，再經(jīng)過按鍵消抖處理來防止多次觸發(fā)或誤判。（圖5）

圖5

1.3 外部開關量輸入電路
　　外部開關量輸入電路帶有就地顯示LED燈D28，電路主要有U25、R65、Q3、R68形成一個恒流電路，開關量輸入節(jié)點和檢測光耦的一次側串入到此恒流回路中，此開關量檢測電路的優(yōu)點是可以接受接觸電阻達kΩ級的外部接點輸入或漏極開路方式的光耦輸入，以避免現(xiàn)場的環(huán)境因素導致的輸入接點氧化而造成采樣不到開關量輸入的情況（圖6）。

圖6

1.4 撥碼開關輸入電路
　　撥碼開關輸入電路用于設定本裝置的通訊地址、通訊波特率、數(shù)據(jù)格式等參數(shù)，使用一個八選一模擬開關U20，對外部撥碼J12每一位進行動態(tài)掃描檢測，撥碼開關輸入和開關量輸入的控制總線為共用結構，此方式的優(yōu)勢是節(jié)約CPU的IO口線，缺點是程序處理稍復雜，需要使用動態(tài)掃描方式一路一路檢測（圖7）。

圖7

1.5 外部模擬量輸入電路
　　外部模擬量輸入類型有DC 0～20mA、DC 0～10V、PT100、0～100mV、DC 0～1000V,這些外部信號都先經(jīng)過外部分壓或分流處理調(diào)理成同一范圍的電壓信號，然后輸入到一個八選一的模擬開關U44，U44的輸出經(jīng)過運放U45放大到A/D轉換器U46可接受的電壓范圍，運放U45使用5V單電源軌到軌運放，A/D轉換器使用ADS1110。電路工作時由程序控制將外部模擬信號逐路切換到輸出進行A/D轉換，再由CPU讀取數(shù)據(jù)（圖8）。

圖8

1.6 通訊方式
　　通訊方式采用RS485方式，使用高速光耦實現(xiàn)電氣隔離，由于485接口芯片U20是半雙工結構，本電路的特點是由發(fā)送數(shù)據(jù)控制485芯片的發(fā)送和接收，實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)流控制，省略了一個流控制光耦，簡化了軟硬件設計。降低了成本。(圖9)

圖9

1.7 電源部分
　　電源模塊采用PI公司的TNY系列開關電源芯片，輸入范圍為AC/DC 80-270V，電源共有3路輸出，分別給光伏電池電壓采樣，CPU，通訊等部分電路提供電源。

2 　產(chǎn)品主要技術指標見表1

3 　軟件設計
　　軟件流程見圖10

圖10

4 　安裝尺寸
　　本裝置主要有核心板和匯流板組成，匯流板分為正極匯流板和負極匯流板具體尺寸見圖11。

圖11

5 　應用案例
　　以一10MW光伏電站為例，一只16路匯流箱需要采集16路電流、匯流后電池板電壓、浪涌防雷器輔助接點。二次方案見圖12(a)，一次方案見圖12(b)。

　(a) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)
圖12

6 　結束語
　　該產(chǎn)品已在西藏桑日光伏項目、青海錫鐵山光伏項目、南京某公司屋頂太陽能項目、上海某公司屋頂太陽能項目上得到應用，產(chǎn)生了較好的社會和經(jīng)濟效益。

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