基于PIC24FJ64的智能光伏汇流采集装置设计及应用
基于PIC24FJ64的智能光伏汇流采集装置设计及应用
史朝晖1 刘晓茹2 蔡磊3
1.史朝晖 山东电力工程咨询院有限公司 济南市 250013
2.刘晓茹 中国水电顾问集团西北勘察设计研究院 西安市 710065
3.蔡 磊 江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405
摘 要：介绍一种基于16位单片机PIC24FJ64为主控芯片应用于智能型光伏汇流箱的多回路光伏汇流采集装置AGF-M16的设计原理，以及该产品主要技术指标与应用。
关键字：PIC24FJ64芯片；智能光伏汇流箱；AGF-M16型；霍尔传感器；设计；应用
0 引言
伴随着世界人口的不断增长和城市化进程的不断推进，化石能源日趋枯竭，燃烧化石燃料所导致的环境污染日趋严重。从而使太阳能这种清洁能源备受关注，太阳能是一种低密度的平面能源，需要数量巨大的太阳能电池板阵列进行串并联组合来达到所需功率，为了减少电池组件与逆变器之间的连接线和方便日后维护，同时减少投资成本，需要在直流侧配置光伏阵列防雷汇流箱、直流柜、逆变器、按分段连接、逐级汇流的方式进行一次和二次汇流。
本文介绍一种基于PIC24FJ64的智能光伏AGF系列汇流采集装置，本装置使用霍尔传感器隔离测量来自光伏电池阵列的电流，同时可以测量其输出电压，监测汇流箱内部的防雷器和直流断路器的工作状态、配有温度、风速，辐照等传感器输入接口，带有接点输出，用于驱动外部执行机构。本装置通过RS485总线与上位机通讯，用于接收计算机指令，上传检测到的光伏电池阵列、汇流箱组件和外部环境状态。本装置最多可监测16路光伏电池组输出电流，并可以根据输入电压计算分相和合相功率。本装置带有LED数码显示器和设定拨码，用于查看数据和设定本装置的通讯地址、数据格式、波特率等参数。
1 电路设计原理
PIC24FJ64是MicroChip公司的一种改进的哈佛架构的高速16位低功耗单片机，在32M时钟频率时系统性能可达16MIPS，17 位 x 17 位单周期硬件乘法器，最大可内带64k的FlashROM，8k系统SRAM，2 个 模块，2 个UART 模块、允许对许多外部I/O口功能进行重新定义，增加了系统设计的灵活性。电路框图见图1
图1
1.1 电流输入模块
电流输入模块分成两个8路模块，最多可以输入16路的电池串列，电流采样使用霍尔传感器实现对光伏电流的隔离型测量，霍尔效应是指的是当有一半导体薄片，假设以三维空间的视角来看，在其Y轴方向施加一个一定强度的磁场，在X轴方向通以电流，则在此半导体薄片的Z轴方向会产生电动势，该电动势就是霍尔电势，见图2，本霍尔传感器采用单电源5V供电方式，在输入最大输入电流为-15A～+15A对应输出电压为0～5V。霍尔传感器的输出接入到一个8选一的模拟开关，由程序控制对8个输入通道逐个扫描，模拟开关的输出经过一个RC滤波电路然后接入到A/D转换芯片ADS1110,ADS1110是TI公司的16位精度模数转换器，宽工作电源2.7～5.5V,芯片内置有5ppm/°C温度系数的2.048V高精度电压参考，芯片内置PGA，可以对输入信号进行放大，放大倍数为1、2、4、8倍。芯片使用 总线接口最快速度可以达到400kHz（图3）。
图2
图3
电流输入模块上还具有输入通道状态指示，使用双色LED灯指示电池串列的断线或正常工作状态，双色LED驱动使用串入并出移位寄存器74HC595两颗级联使用，其中U33驱动绿色LED管芯，U36驱动红色管芯。（图4）
图4
1.2 显示部分
显示部分电路使用串入并出移位寄存器74HC595两颗级联使用，其中U100的输出作为数码管的段码，U101输出作为数码管的位选信号，使用动态显示方式，逐个点亮数码管，数码管的位选信号还作为按键的检测功能，CPU在“KEY”线输出电平，当某一位数码管导通，如果此时接在此数码管选通线上的按键按下时，“KEY”线会被拉低，CPU就会检测到一次按键事件，再经过按键消抖处理来防止多次触发或误判。（图5）
图5
1.3 外部开关量输入电路
外部开关量输入电路带有就地显示LED灯D28，电路主要有U25、R65、Q3、R68形成一个恒流电路，开关量输入节点和检测光耦的一次侧串入到此恒流回路中，此开关量检测电路的优点是可以接受接触电阻达kΩ级的外部接点输入或漏极开路方式的光耦输入，以避免现场的环境因素导致的输入接点氧化而造成采样不到开关量输入的情况（图6）。
图6
1.4 拨码开关输入电路
拨码开关输入电路用于设定本装置的通讯地址、通讯波特率、数据格式等参数，使用一个八选一模拟开关U20，对外部拨码J12每一位进行动态扫描检测，拨码开关输入和开关量输入的控制总线为共用结构，此方式的优势是节约CPU的IO口线，缺点是程序处理稍复杂，需要使用动态扫描方式一路一路检测（图7）。
图7
1.5 外部模拟量输入电路
外部模拟量输入类型有DC 0～20mA、DC 0～10V、PT100、0～100mV、DC 0～1000V,这些外部信号都先经过外部分压或分流处理调理成同一范围的电压信号，然后输入到一个八选一的模拟开关U44，U44的输出经过运放U45放大到A/D转换器U46可接受的电压范围，运放U45使用5V单电源轨到轨运放，A/D转换器使用ADS1110。电路工作时由程序控制将外部模拟信号逐路切换到输出进行A/D转换，再由CPU读取数据（图8）。
图8
1.6 通讯方式
通讯方式采用RS485方式，使用高速光耦实现电气隔离，由于485接口芯片U20是半双工结构，本电路的特点是由发送数据控制485芯片的发送和接收，实现了自动数据流控制，省略了一个流控制光耦，简化了软硬件设计。降低了成本。(图9)
图9
1.7 电源部分
电源模块采用PI公司的TNY系列开关电源芯片，输入范围为AC/DC 80-270V，电源共有3路输出，分别给光伏电池电压采样，CPU，通讯等部分电路提供电源。
2 产品主要技术指标见表1
3 软件设计
软件流程见图10
图10
4 安装尺寸
本装置主要有核心板和汇流板组成，汇流板分为正极汇流板和负极汇流板具体尺寸见图11。
图11
5 应用案例
以一10MW光伏电站为例，一只16路汇流箱需要采集16路电流、汇流后电池板电压、浪涌防雷器辅助接点。二次方案见图12(a)，一次方案见图12(b)。
(a) (b)
图12
6 结束语
该产品已在西藏桑日光伏项目、青海锡铁山光伏项目、南京某公司屋顶太阳能项目、上海某公司屋顶太阳能项目上得到应用，产生了较好的社会和经济效益。
作者简介：
蔡磊（1977-），男，研发工程师， 研究领域为工控产品的设计和开发。
联系方式：
上海安科瑞电气股份有限公司
技术支持：张晓丽
电话：021-59104852 13918924310
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