基于MCU系列的智能電網設計解決方案

為了提高能效，電網管理和優(yōu)質電力輸送，工程師們設計了智能電網。增加智能電網的復雜性是微電網相對較新的概念。在連接微電網和公用電網系統(tǒng)時，通過使用實時數據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。

微電網已成為重要的智能電網方法的組成部分。這些小型能源生產商已出現在前瞻性社區(qū)，校園，軍事設施和其他相關化合物中。微電網可以為公用電網供電或從公用電網獲取電力。它還可以與主電網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)，因此確保質量標準和正確的電網同步至關重要。實時電源管理和遙測是智能電網的重要組成部分，復雜的算法和快速，可靠的數字資源也是實現所有相關系統(tǒng)平衡和優(yōu)化所必需的。微電網不斷優(yōu)化，以實時實現最佳的電源效率和電能質量。

優(yōu)化電源：智能電網

結合太陽能光伏的微電網的關鍵構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相連 - 稱為“并網” - 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功率反轉和與智能電網同步的任務。保持對電網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?？焖贁底只夹g的出現和組件成本的下降使這種架構變得可行。微控制器供應商，如德州儀器（TI），一直積極為希望開始實施微逆變器設計的工程師提供大量設計支持。例如，TI的C2000 Piccolo微控制器是數字控制微逆變器應用的理想選擇。為了幫助設計工程師進行設計原型設計，TI提供了大量的設計資源，作為250瓦并網太陽能微逆變器參考設計的一部分，該設計采用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和功率調節(jié)組件。它適用于原型設計和小批量應用，它在單個電路板上提供所有數字控制元件，只需要添加電源轉換組件即可實現完整的端部設計。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相關的設計資源，包括完整的BOM，原理圖，測試數據和設計文件，可顯著加快逆變器解決方案的開發(fā)速度。

圖1：交流電網的光伏電源。 （圖像來源：德州儀器）

任何數字控制的并網微逆變器設計都有兩個核心構建模塊。該逆變器設計的第一個模塊（圖1）是一個DC-DC反激式轉換器，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要求實時數據有效。該第一級電路還提供高頻隔離。

圖2：DC-DC轉換器控制環(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和優(yōu)化內核使其成為控制應用的理想選擇。 MCU的ADC和PWM外設設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定點，以將受控的正弦波注入電網，通過PLL實現電網同步。圖3說明了基于Piccolo MCU的controlCARD如何與轉換器，逆變器和主電網連接。

圖3：Piccolo controlCARD的功能原理圖MCU集成了DC-DC轉換器和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)計數據并記錄趨勢，這些數據可用于開發(fā)新的控制算法。數據分析也可用于預測模型，以幫助預測網格行為以減輕問題。標準合規(guī)和審計報告對理事機構和利益相關者也很有用。云計算使收集大量遙測數據成為可能，否則需要大量的現場數據存儲。

將這些重要數據從智能電網傳輸給用戶

放置這些數據掌握在可以使用它的人手中是最終目標，現代移動設備可以提供理想的數據傳輸和控制平臺。移動設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計來說都是相對簡單的事情。 Wi-Fi和藍牙可能是實現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關。特別是在多個能源組成微電網解決方案的情況下。

連接到云

也可以收集微逆變器控制回路中使用的實時數據并轉發(fā)到基于云的應用程序。這不僅有助于可視化當前的負載和供應參數，隨著時間的推移，可以分析存儲的數據以建立關于發(fā)電能力和消耗特性的趨勢。將數據打包成一系列數據包以便向前傳輸到云應用程序可以在Piccolo MCU中輕松完成。因此，需要通過本地網關或Wi-Fi接入點連接無線連接功能。將無線連接結合到設計中有兩種主要方法。最流行的方法是使用預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：專用用戶應用MCU和專用網絡處理器MCU。

應用處理器是32位ARM?Cortex?-M4 MCU（圖5）。 32位核心處理器針對嵌入式和物聯網應用進行了優(yōu)化。增加這種功能豐富的器件是標準外設，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，互聯網層和安全功能。功能包括256位加密引擎，可快速，安全地連接到互聯網，以及許多防篡改措施，可確保固件在本地安全。 SimpleLink?系統(tǒng)可實現設計的快速實施，設計支持和可擴展性。具有物理上獨立的網絡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轉換器，可實現廣泛的電源電壓。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）和關閉（僅消耗1μA）模式。

圖5：CC3200硬件概述。 （圖像來源：德州儀器）

網絡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服務器以及各種其他互聯網協(xié)議。這些設備支持廣泛的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，技術文檔和應用示例。

結論

將C2000 MCU和CC3220x無線SoC MCU系列等強大技術置于設計師手中，使下一代智能電網設計成為現實。這些MCU共同提供完整的物聯網解決方案，包括軟件，工具，用戶和編程指南，樣本應用，參考設計和在線支持。

C2000 MCU是網格優(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絡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據。使用這個關鍵組件，向微電網和智能電網管理鏈的人工組件提供數據相對簡單。