基于MCU系列的智能電網(wǎng)設(shè)計解決方案

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，通過使用實時數(shù)據(jù)管理來控制電力流以維持供電標準的能力變得比以往任何時候都重要。

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)量標準和正確的電網(wǎng)同步至關(guān)重要。實時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，以實時實現(xiàn)最佳的電源效率和電能質(zhì)量。

優(yōu)化電源：智能電網(wǎng)

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最大功率點跟蹤器（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)中的功率輸出被認為是有益的。以這種方式，實際上可以消除由于陰影引起的功率損耗。快速數(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施微逆變器設(shè)計的工程師提供大量設(shè)計支持。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)計工程師進行設(shè)計原型設(shè)計，TI提供了大量的設(shè)計資源，作為250瓦并網(wǎng)太陽能微逆變器參考設(shè)計的一部分，該設(shè)計采用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)換組件即可實現(xiàn)完整的端部設(shè)計。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。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)計資源，包括完整的BOM，原理圖，測試數(shù)據(jù)和設(shè)計文件，可顯著加快逆變器解決方案的開發(fā)速度。

圖1：交流電網(wǎng)的光伏電源。 （圖像來源：德州儀器）

任何數(shù)字控制的并網(wǎng)微逆變器設(shè)計都有兩個核心構(gòu)建模塊。該逆變器設(shè)計的第一個模塊（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運行。 MPPT軟件確定PV面板的輸出電流，以實時實現(xiàn)最大功率傳輸。由于最大功率傳輸受溫度和光強度的影響，因此MPPT要求實時數(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。 （圖片來源：德州儀器）

最后一塊是DC-AC單相逆變器。 TI C2000微控制器增強的外設(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，以將受控的正弦波注入電網(wǎng)，通過PLL實現(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。 （圖像來源：德州儀器）

可以通過采集這些控制信號來分析統(tǒng)計數(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。標準合規(guī)和審計報告對理事機構(gòu)和利益相關(guān)者也很有用。云計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，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)計來說都是相對簡單的事情。 Wi-Fi和藍牙可能是實現(xiàn)這一目標的最常用方法，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時數(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前的負載和供應(yīng)參數(shù)，隨著時間的推移，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接入點連接無線連接功能。將無線連接結(jié)合到設(shè)計中有兩種主要方法。最流行的方法是使用預(yù)先認證的型號認可的無線模塊，盡管一些工程師仍然認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。

圖4：TI SimpleLink CC3200無線SoC模塊的功能塊。 （圖片來源：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)用進行了優(yōu)化。增加這種功能豐富的器件是標準外設(shè)，包括I 2 S，SD，UART，I 2 C和SPI。還包括多達27個GPIO，一個四通道ACD和一個專用的快速并行相機接口。

第二個ARM?負責所有無線，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)可實現(xiàn)設(shè)計的快速實施，設(shè)計支持和可擴展性。具有物理上獨立的網(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，可實現(xiàn)廣泛的電源電壓。先進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。 （圖像來源：德州儀器）

網(wǎng)絡(luò)MCU支持電臺，接入點和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。 （圖片來源：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系列等強大技術(shù)置于設(shè)計師手中，使下一代智能電網(wǎng)設(shè)計成為現(xiàn)實。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時控制應(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證和安全選項。

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。