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江蘇安科瑞電器制造有限公司

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技術(shù)文章

基于PIC24FJ64的智能光伏匯流采集裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):49 發(fā)布時(shí)間:2014-9-26

       摘要

       介紹一種基于16位單片機(jī)PIC24FJ64為主控芯片應(yīng)用于智能型光伏匯流箱的多回路光伏匯流采集裝置AGF-M16的設(shè)計(jì)原理,以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用。

  0引言

  伴隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),化石能源日趨枯竭,燃燒化石燃料所導(dǎo)致的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。從而使太陽(yáng)能這種清潔能源備受關(guān)注,太陽(yáng)能是一種低密度的平面能源,需要數(shù)量巨大的太陽(yáng)能電池板陣列進(jìn)行串并聯(lián)組合來(lái)達(dá)到所需功率,為了減少電池組件與逆變器之間的連接線(xiàn)和方便日后維護(hù),同時(shí)減少投資成本,需要在直流側(cè)配置光伏陣列防雷匯流箱、直流柜、逆變器、按分段連接、逐級(jí)匯流的方式進(jìn)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(cè)量來(lái)自光伏電池陣列的電流,同時(shí)可以測(cè)量其輸出電壓,監(jiān)測(cè)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(fēng)速,輻照等傳感器輸入接口,帶有接點(diǎn)輸出,用于驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本裝置通過(guò)RS485總線(xiàn)與上位機(jī)通訊,用于接收計(jì)算機(jī)指令,上傳檢測(cè)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zui多可監(jiān)測(cè)16路光伏電池組輸出電流,并可以根據(jù)輸入電壓計(jì)算分相和合相功率。本裝置帶有LED數(shù)碼顯示器和設(shè)定撥碼,用于查看數(shù)據(jù)和設(shè)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(shè)計(jì)原理

  PIC24FJ64是MicroChip公司的一種改進(jìn)的哈佛架構(gòu)的高速16位低功耗單片機(jī),在32M時(shí)鐘頻率時(shí)系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS,17 位 x 17 位單周期硬件乘法器,zui大可內(nèi)帶64k的FlashROM,8k系統(tǒng)SRAM,2 個(gè)模塊,2 個(gè)UART 模塊、允許對(duì)許多外部I/O口功能進(jìn)行重新定義,增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。電路框圖見(jiàn)圖1

圖1

  1.1 電流輸入模塊


圖2 

圖3

       電流輸入模塊分成兩個(gè)8路模塊,zui多可以輸入16路的電池串列,電流采樣使用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電流的隔離型測(cè)量,霍爾效應(yīng)是指的是當(dāng)有一半導(dǎo)體薄片,假設(shè)以三維空間的視角來(lái)看,在其Y軸方向施加一個(gè)一定強(qiáng)度的磁場(chǎng),在X軸方向通以電流,則在此半導(dǎo)體薄片的Z軸方向會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)就是霍爾電勢(shì),見(jiàn)圖2,本霍爾傳感器采用單電源5V供電方式,在輸入zui大輸入電流為-1~+1對(duì)應(yīng)輸出電壓為0~5V?;魻杺鞲衅鞯妮敵鼋尤氲揭粋€(gè)8選一的模擬開(kāi)關(guān),由程序控制對(duì)8個(gè)輸入通道逐個(gè)掃描,模擬開(kāi)關(guān)的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波電路然后接入到A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1110,ADS1110是TI公司的16位精度模數(shù)轉(zhuǎn)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大,放大倍數(shù)為1、2、4、8倍。芯片使用總線(xiàn)接口zui快速度可以達(dá)到400kHz(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(xiàn)或正常工作狀態(tài),雙色LED驅(qū)動(dòng)使用串入并出移位寄存器74HC595兩顆級(jí)聯(lián)使用,其中U33驅(qū)動(dòng)綠色LED管芯,U36驅(qū)動(dòng)紅色管芯。(圖4)

圖4

  1.2顯示部分

  

 圖5

  顯示部分電路使用串入并出移位寄存器74HC595兩顆級(jí)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(hào),使用動(dòng)態(tài)顯示方式,逐個(gè)點(diǎn)亮數(shù)碼管,數(shù)碼管的位選信號(hào)還作為按鍵的檢測(cè)功能,CPU在“KEY”線(xiàn)輸出電平,當(dāng)某一位數(shù)碼管導(dǎo)通,如果此時(shí)接在此數(shù)碼管選通線(xiàn)上的按鍵按下時(shí),“KEY”線(xiàn)會(huì)被拉低,CPU就會(huì)檢測(cè)到一次按鍵事件,再經(jīng)過(guò)按鍵消抖處理來(lái)防止多次觸發(fā)或誤判。(圖5)

  1.3外部開(kāi)關(guān)量輸入電路

  

圖6

      外部開(kāi)關(guān)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(gè)恒流電路,開(kāi)關(guān)量輸入節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)光耦的一次側(cè)串入到此恒流回路中,此開(kāi)關(guān)量檢測(cè)電路的優(yōu)點(diǎn)是可以接受接觸電阻達(dá)kΩ級(jí)的外部接點(diǎn)輸入或漏極開(kāi)路方式的光耦輸入,以避免現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素導(dǎo)致的輸入接點(diǎn)氧化而造成采樣不到開(kāi)關(guān)量輸入的情況(圖6)。

  1.4 撥碼開(kāi)關(guān)輸入電路

  

圖7

  撥碼開(kāi)關(guān)輸入電路用于設(shè)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(gè)八選一模擬開(kāi)關(guān)U20,對(duì)外部撥碼J12每一位進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè),撥碼開(kāi)關(guān)輸入和開(kāi)關(guān)量輸入的控制總線(xiàn)為共用結(jié)構(gòu),此方式的優(yōu)勢(shì)是節(jié)約CPU的IO口線(xiàn),缺點(diǎn)是程序處理稍復(fù)雜,需要使用動(dòng)態(tài)掃描方式一路一路檢測(cè)(圖7)。

  1.5 外部模擬量輸入電路

  

圖8

  外部模擬量輸入類(lèi)型有DC 0~20mA、DC 0~10V、PT100、0~100mV、DC 0~1000V,這些外部信號(hào)都先經(jīng)過(guò)外部分壓或分流處理調(diào)理成同一范圍的電壓信號(hào),然后輸入到一個(gè)八選一的模擬開(kāi)關(guān)U44,U44的輸出經(jīng)過(guò)運(yùn)放U45放大到A/D轉(zhuǎn)換器U46可接受的電壓范圍,運(yùn)放U45使用5V單電源軌到軌運(yùn)放,A/D轉(zhuǎn)換器使用ADS1110。電路工作時(shí)由程序控制將外部模擬信號(hào)逐路切換到輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再由CPU讀取數(shù)據(jù)(圖8)。

  1.6 通訊方式

  通訊方式采用RS485方式,使用高速光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離,由于485接口芯片U20是半雙工結(jié)構(gòu),本電路的特點(diǎn)是由發(fā)送數(shù)據(jù)控制485芯片的發(fā)送和接收,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制,省略了一個(gè)流控制光耦,簡(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)。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(kāi)關(guān)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(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1

    3 軟件設(shè)計(jì)

  軟件流程見(jiàn)圖10

   

圖10

 圖11

  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(fù)極匯流板具體尺寸見(jiàn)圖11。

  5 應(yīng)用案例

                                         (a)                       (b)                                     

  圖12

      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(diǎn)。二次方案見(jiàn)圖12(a),一次方案見(jiàn)圖12(b)。

  6 結(jié)束語(yǔ)

  該產(chǎn)品已在西藏桑日光伏項(xiàng)目、青海錫鐵山光伏項(xiàng)目、南京某公司屋頂太陽(yáng)能項(xiàng)目、上海某公司屋頂太陽(yáng)能項(xiàng)目上得到應(yīng)用,產(chǎn)生了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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