基于pic24fj64的智能光伏匯流采集裝置設(shè)計及應(yīng)用
史朝暉1 劉曉茹2 蔡磊3
1.史朝暉 山東電力工程咨詢院有限公司 濟南市 250013
2.劉曉茹 中國水電顧問集團西北勘察設(shè)計研究院 西安市 710065
3.蔡 磊 江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
摘 要：介紹一種基于16位單片機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)計原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標與應(yīng)用。
關(guān)鍵字：pic24fj64芯片；智能光伏匯流箱；agf-m16型；霍爾傳感器；設(shè)計；應(yīng)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(dǎo)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(guān)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(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(fēng)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(gòu)。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zui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l(wèi)ed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)計原理
pic24fj64是microchip公司的一種改進的哈佛架構(gòu)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，zui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(shè)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，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現(xiàn)對光伏電流的隔離型測量，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(dǎo)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zui大輸入電流為-1～+1對應(yīng)輸出電壓為0～5v?；魻杺鞲衅鞯妮敵鼋尤氲揭粋€8選一的模擬開關(guān)，由程序控制對8個輸入通道逐個掃描，模擬開關(guān)的輸出經(jīng)過一個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zui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(dāng)某一位數(shù)碼管導(dǎo)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(guān)量輸入電路
外部開關(guān)量輸入電路帶有就地顯示led燈d28，電路主要有u25、r65、q3、r68形成一個恒流電路，開關(guān)量輸入節(jié)點和檢測光耦的一次側(cè)串入到此恒流回路中，此開關(guān)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開路方式的光耦輸入，以避免現(xiàn)場的環(huán)境因素導(dǎo)致的輸入接點氧化而造成采樣不到開關(guān)量輸入的情況（圖6）。
圖6
1.4撥碼開關(guān)輸入電路
撥碼開關(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)，使用一個八選一模擬開關(guān)u20，對外部撥碼j12每一位進行動態(tài)掃描檢測，撥碼開關(guān)輸入和開關(guān)量輸入的控制總線為共用結(jié)構(gòu)，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(fù)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(guān)u44，u44的輸出經(jīng)過運放u45放大到a/d轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(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)指標見表1
3 軟件設(shè)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，匯流板分為正匯流板和負匯流板具體尺寸見圖11。
圖11
5 應(yīng)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(jié)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(yīng)用，產(chǎn)生了較好的社會和經(jīng)濟效益。
如需了解，請！
上海安科瑞電氣股份有限公司
：徐霜：
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