基于C2000 的集成電力線(xiàn)載波通信功能(PLC)光伏逆變系統

　　摘要

　　通信功能作為光伏逆變系統不可或缺的重要組成部分，其主要用于對分布式逆變器狀態(tài)的遠程監測和控制。電力線(xiàn)載波通信(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PLC”)是指將已有的電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )作為通信媒介實(shí)現通信的一種方法，將 PLC 功能加入光伏逆變系統，相對于其他類(lèi)型通信方法而言，可以更好地降低成本、簡(jiǎn)化系統復雜性。本文著(zhù)重介紹一種基于TI 的 TMS320F28035(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“F28035”)和TMS320F28069(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“F28069”)的單芯片光伏逆變器+PLC 解決方案，并給出系統框圖及軟件流程圖。

　　1 具有PLC 通信功能的光伏逆變器應用介紹

　　太陽(yáng)能作為一種可再生能源，近兩年已經(jīng)在國內外成功用于并網(wǎng)發(fā)電。光伏逆變設備從功率上來(lái)看大致可劃分為三個(gè)等級：輸出功率大于6KW 的三相大功率逆變器、輸出功率在1KW 至6KW 之間的單相中型逆變器以及輸出功率在 200W 至 500W 的微逆變器。大功率逆變器的成本高，效率相對較低，并且一般采用集中式拓撲，所以其對通信功能的需求量較少。與之相比，中小功率逆變器近年來(lái)在光伏發(fā)電市場(chǎng)上受到了更多的關(guān)注。

　　由于中小型逆變器本身功率不大，所以其更多用于微電網(wǎng)中的分布式太陽(yáng)能發(fā)電系統。作為微電網(wǎng)的一個(gè)節點(diǎn)，其會(huì )在某個(gè)區域內有較大數量和較廣范圍的分布，例如在歐美地區，很多家庭會(huì )在屋頂安裝這樣的中小功率逆變器;在火車(chē)站或者工廠(chǎng)的屋頂會(huì )使用大量的中小型逆變器來(lái)搭建小型電站等等。這樣就需要對一定區域內的逆變器進(jìn)行管理，以便其更有效、安全、穩定的工作并且提供及時(shí)的需求和響應，而管理方法就是配以通信模塊，以便通過(guò)上位機監測所有逆變器狀態(tài)，并及時(shí)進(jìn)行控制和調度。

　　無(wú)論是白天或者夜晚，我們都需要實(shí)時(shí)了解控制器的情況，例如逆變器當前工作狀態(tài)、太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)追蹤情況、當天/當月/當年等的發(fā)電千瓦時(shí)、當前輸出功率/電壓/電流等數據都需要被監控。如果使用中小功率逆變器搭建大功率的發(fā)電設備，則還會(huì )涉及單個(gè)發(fā)電設備功率因數的調節、防孤島保護以及多個(gè)逆變器之間的相位同步等參數的控制。

　　從目前來(lái)看，最常見(jiàn)的方法就是通過(guò)無(wú)線(xiàn)(RF)或者RS485 技術(shù)通信。PLC 利用已有的電力線(xiàn)進(jìn)行傳輸數據，不需要像 485 總線(xiàn)那樣重新鋪設新的線(xiàn)路，并且還可以在低成本的情況下實(shí)現有效的通信，其相對于 RF 可靠性更高，但相對于 RS485 在魯棒性上則需要更多的設計優(yōu)化。通過(guò)加入PLC 模塊，光伏逆變系統就成為為微電網(wǎng)的一個(gè)節點(diǎn)，可以接受任何在智能電網(wǎng)上傳輸的數據，有利于今后進(jìn)一步的功能擴展。

　　圖 1 使用PLC 通信的光伏逆變設備區域系統結構

　　圖 1 就是一種帶有 PLC 功能的光伏發(fā)電設備的區域系統框圖，在一定區域內給并網(wǎng)的光伏逆變設備安裝 PLC 收發(fā)設備后，以電力線(xiàn)為總線(xiàn)來(lái)通信的拓撲結構。在距離和數量一定的設備之間，需要一個(gè)收發(fā)調制解調器來(lái)進(jìn)行區域內的數據處理，并且還可以為其擴展上位機從而將數據通過(guò)上層網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。

　　2 PLC 方案介紹

　　2.1 PLC 概況及TI PLC 方案介紹

　　PLC 技術(shù)總體來(lái)說(shuō)可以分為寬帶(Broad-band)PLC 和窄帶(Narrow-band)PLC 兩大類(lèi)，寬帶PLC 速度一般大于1MBPS，應用于Internet 互聯(lián)網(wǎng)等local area network 廣域網(wǎng)連接的場(chǎng)合;窄帶PLC(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NBPLC”)適用于長(cháng)距離、低傳輸速度、只需窄帶控制或者寬數據采集的場(chǎng)合 [1] 。而中小型光伏逆變設備往往對于其通信模塊需要數據高可靠性以及低成本的要求，所以 NB PLC 會(huì )更適合于該應用。

　　目前 PLC 調制技術(shù)主要有三大類(lèi)：?jiǎn)屋d波類(lèi)(例如 FSK)、擴展頻譜類(lèi)(例如 S-FSK)、多載波類(lèi)(例如 OFDM)。前兩種從調制方式上看大體可以概括為單載波調制方法，是目前使用比較多的一種技術(shù)，其特點(diǎn)就是原理簡(jiǎn)單，但是速度較慢、魯棒性也較低。而多載波即 OFDM(正交頻分復用調制)是一種更加穩定且數據速率更高的調制技術(shù)，其原理就是在單一信道、同一時(shí)域傳輸過(guò)程中同時(shí)會(huì )有多個(gè)頻率的載波信號進(jìn)行傳輸，并且每個(gè)載波可以根據需求采用不同的調制方式。相對于單載波調制技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)如下：1)低于 500 KHz 的 PLC 信號能夠穿越變壓器，因此具有很好的傳播特性;2)NB PLC 在使用 MCU 或 DSP 實(shí)現時(shí)具有較好的成本效益;3)在窄帶干擾(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NBI”)和短脈沖干擾(Impulse)下有很強的魯棒性(Robustness);4)頻率選擇性信道的響應(阻抗特性)較好;5)能夠與已有的單載波技術(shù)(FSK, S-FSK)共存 [1] 。6)無(wú)需與主電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)同步，因此可以用于直流應用 (如微逆)。

　　圖 2 NB PLC 的調制方式

　　當前，基于OFDM 技術(shù)的NB PLC 的PRIME/G3 標準已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際部署階段。而IEEE P1901.2和ITU-T G.hnem 兩大國際標準也即將制定完成。TI 在OFDM 的軟件開(kāi)發(fā)上有很好的積累，提供了一系列針對各種不同標準的固件庫，開(kāi)發(fā)人員使用這些固件庫的函數來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，不需要關(guān)心其底層設計的復雜時(shí)序，并且可以高效靈活的根據自己的需求進(jìn)行產(chǎn)品定制。圖3 是TI 的PLC 開(kāi)發(fā)軟件庫(plcSUITE)。

　　圖 3 PLC Suite 結構框圖

　　TI 提供的plcSUITETM 軟件庫解決方案中，包括了已經(jīng)實(shí)際部署PRIME/G3 協(xié)議棧，以及TI 定義的PLC Lite 標準。PLC Lite 是TI 在PRIME 標準上進(jìn)行優(yōu)化得到的一個(gè)基于OFDM 的軟件庫，下一節會(huì )具體介紹其特性。除了提供軟件開(kāi)發(fā)固件庫外，TI 還提供整套的解決方案包括硬件模擬前端模塊，如圖4所示，C2000 可以作為數字調制解調及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧實(shí)現的處理器，可以使用plcSUITETM 中提供的庫來(lái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，并且將調制好的物理層信號通過(guò)SPI 發(fā)送至作為模擬前端的AFE031/AFE030，然后通過(guò)AF031/AFE030 將數據信號耦合至電力線(xiàn)發(fā)送。

　　圖 4 TI NB PLC 解決方案

　　2.2 TI PLC Lite 標準介紹 [2]

　　PRIME 和G3 標準在制定之初，主要應用對象是類(lèi)似遠程抄表等終端節點(diǎn)多且距離遠、傳輸數據量大的應用，所以在PRIME 和G3 標準中會(huì )包括物理層、媒體層、邏輯鏈路層、以及更上層(例如在適配層支持IPV6 及IEC61334-32 等)網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議。而對于光伏逆變設備，其數據量不大并且在當前大多數應用中，其組網(wǎng)方式相對較簡(jiǎn)單所以并不需要一個(gè)復雜網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。TI 定義了一個(gè)低成本且相對簡(jiǎn)單的標準PLCLite 以應用于光伏逆變、路燈控制等相對簡(jiǎn)單靈活的網(wǎng)絡(luò )。而PLC Lite 本身是由PRIME 標準優(yōu)化而來(lái)，所以其穩定性也可以得到保證。其特性如下：(1) 可使用TMS320F28035 contorlCARD 或TMS320F28069 contorlCARD 作為主控模塊;(2)支持PLC Add-on AFE031 模擬前端驅動(dòng)模塊;(3)支持47K~90K 半頻段(歐洲CENELEC A 頻段標準)、40K~150K 半頻段(24K 歐洲CENELEC A /B/C/D 頻段標準);(4)最高傳輸速率為21Kpbs(不使用前向糾錯)、11Kpbs(使用前向糾錯);(5)采用OFDM 調制方式、使用前向糾錯功能、每個(gè)頻率載波采用DBPSK 調制技術(shù);(6)40K~90K 頻段子載波數量為97 路(1 路導頻，96 路數據);(7)帶有重復碼糾錯功能、CRC8 錯誤校驗、重復碼和RS 前向糾錯算法;(8)可通過(guò)UART 發(fā)送指令進(jìn)行調試;(9)可編程控制AFE031 增益;(10)具有PRIME 標準物理層特性、增強的NBI 性能以及支持MAC 層擴展。

　　圖5 PLC Lite 物理層特性參數