一种光伏并网逆变器人机接口模块的设计

1、一种光伏并网逆变器人机接口模块的设计论文摘要：提出一种光伏并网逆变器人机接口模块的设计方法。分析了光伏并网逆变器人机接口模块的工作原理，设计了人机接口模块的电路。应用模块化方法设计人机接口软件，分析了人机接口模块的通信协议和循环冗余校验算法。在一台光伏并网逆变器上实验，实验结果证明了该设计方法的可行性。论文关键词：光伏并网逆变器,人机接口,模块化,通信协议,循环冗余校验引言光伏并网发电作为一种重要的可再生能源应用形式，得到人们的广泛关注，其核心是光伏并网逆变器。光伏并网逆变器作用是实现功率变换、向电网发电等功能，而人机接口的作用是监控光伏并网逆变器的运行，显示光伏并网逆变器的运行参数和运行状态

2、，同时提供人工操作功能，在必要时实施强制开机、关机或参数修正等操作，并可向监控计算机提供监控数据。光伏并网逆变器认证标准规定作为产品的光伏并网逆变器必须提供人机接口功能，人机接口功能由人机接口模块来实现。1光伏并网逆变器的人机接口模块图1所示为光伏并网逆变器的人机接口模块框图。图1光伏并网逆变器及人机接口模块Fig.1Photovoltaicgrid-connectedinverterandHMImodule图中，光伏电池阵列、滤波电容C、C、开关管VT、VDVT、VD、滤波电感L和L、滤波电容C和工频变压器T构成了光伏并网逆变器的主电路。电流传感器SNS、SNS、SNS，电压传感器SNS、S

3、NS、DSP(TMS320F2406A)和SPWM驱动电路构成了控制系统。阴影局部为人机接口模块，该模块由单片机MCU、带光电隔离的RS485总线接口、液晶显示器LCD、按键、日历时钟和串行EEPROM等局部构成。控制核心为MCU，通过RS485总线分别与控制系统的DSP和监控计算机通信，LCD用于显示光伏并网逆变器的运行参数和状态，按键提供人工操作，日历时钟用于给模块提供定时，串行EEPROM用于存放需要保存的关键数据。2人机接口模块硬件设计2.1人机接口模块电路图2为人机接口单元模块电路原理图。图2人机接口模块电路原理图Fig2.SchematicofHMImodule人机接口模块的核心选

4、用8位MCUSTC12C5A60S248脚封装型。STC12C5A60S2是带两个UART接口的51内核兼容MCU。MCU的一个UART接口通过RS485总线与并网逆变器控制系统DSP通信，另一个UART接口通过RS485总线与监控计算机通信。由RS485总线收发器MAX485和光电耦合器TLP113、TLP521构成了光电隔离型RS485总线接口其中，与并网逆变器控制系统连接的RS485总线接口，其光电隔离是在并网逆变器控制系统一侧实现的，图中未画出。显示界面采用12864点阵LCD。串行EEPROM选用X5045，X5045除提供断电数据保存功能外，还向MCU提供上电复位和看门狗定时器功能

5、，通过SPI总线与STC12C5A60S2连接。日历时钟选用DS1302，断电条件下备份电池向DS1302供电保证定时不间断。强制开机、关机和参数修正等人工操作通过按键KEY、KEY实现。与监控计算机通信的RS485总线接口由隔离型DC-DC变换器NMV0505DAC供电，从而实现人机接口模块和监控计算机的电气隔离。人机接口模块与并网逆变器的电气隔离包括光电耦合电路和隔离供电电源在并网逆变器的控制系统上实现，图中未画出。2.2带光电隔离的RS485总线接口电路的设计人机接口模块与并网逆变器控制系统DSP和监控计算机通信都是通过RS485总线实现的，为了防止通信过程中出现电磁干扰造成误码，RS4

6、85总线接口均参加光电耦合电路以实现光电隔离，且参加了其它抗干扰措施。图3为带光电隔离的RS485总线接口电路的原理图。图3带光电隔离的RS485总线接口电路原理图Fig.3SchematicofRS485interfacecircuitwithphotoelectricisolation图中，MAX485为半双工RS485总线收发器，其作用是实现UART单端信号与RS485总线差分信号之间的转换。MAX485接收到由MCU的串行数据接收端接收RXD信号。MCU的串行数据发送端发出TXD信号，TXD信号经过高速光耦TLP113光电隔离后传送到MAX485的DI端，MAX485再将该信号转换成差

7、分信号发送到RS485总线。DD为MCU输出的数据方向控制信号，DD信号经过光耦TLP521光电隔离后，送入MAX485的RE/DE端，用于控制MAX485的信号传输方向。电阻R、R构成偏置电路，其作用是当线路进入空闲状态时，使总线避开逻辑0;电平，防止出现数据误传输。双向瞬态抑制二极管T、T和T提供过电压瞬态抑制，防止RS485总线收发器被过电压信号击穿。3人机接口模块软件设计人机接口模块软件采用模块化方式程序设计。系统的程序由主程序、子程序模块和中断效劳程序构成。系统总的功能由主程序调用子程序模块或进入中断来实现。人机接口模块的软件构成如图4所示。图4人机接口模块的软件构成Fig.4Sof

8、twareconstitutionofHMImodule3.1人机接口模块与控制系统的数据通信人机接口模块通过与并网逆变器控制系统的通信来获取并网逆变器的运行参数和运行状态。人机接口模块与并网逆变器控制系统的通信采用主从方式，人机接口模块为主机，并网逆变器控制系统为从机。主机每隔1s向从机发送命令，从机响应命令向主机返回数据。人机接口模块与并网逆变器控制系统的通信协议内容如图5所示，协议帧为固定长度帧，即主机只发送一个字节的命令帧，从机必然返回14个字节的数据帧。图5人机接口模块与并网逆变器控制系统的通信协议Fig.5CommunicationprotocolbetweenHMImodulea

9、ndgrid-connectedinverter图中，U、U交流电压有效值高8位和低8位；IACH、IACL交流电流有效值高8位和低8位；U、U直流电压高8位和低8位；I、I直流电流高8位和低8位；f、f电网频率高8位和低8位；、机内温度高8位、低8位；ERRCODEH、ERRCODEL故障与异常状态指示码高8位和低8位。从机接收到主机发来的运行命令16制数30h，那么使并网逆变器器进入运行状态或保持运行状态，当接收到停止命令16进制数31h，那么使并网逆变器进入停机状态或保持停机状态。主机发出运行命令还是停止命令由人机接口模块的按键操作来决定。不管主机发出运行命令还是停止命令，从机都向主机返

10、回数据。3.2人机接口模块与监控计算机的数据通信人机接口模块与监控计算的通信也采用主从通信方式，监控计算机为主机，人机接口模块为从机。主机向从机发送命令，从机响应返回数据。人机接口模块与监控计算机的通信协议如图6所示，协议帧采用固定长度帧，即主机只发送4个字节的命令帧，从机必然返回21个字节长度的数据帧。图6人机接口模块与监控计算机的通信协议Fig.6CommunicationprotocolbetweenHMImoduleandmonitoringcomputer图中，P、P直流功率高8位和低8位，在人机接口模块中计算获得；P、P交流功率高8位、低8位，在人机接口模块计算获得；CRC16位循

11、环冗余校验码，由发送端计算；ERRCODEH、ERRCODEL指示并网逆变器故障、异常状态的状态指示码。监控计算机可与多台光伏并网逆变器人机接口模块通信，因此通信协议中必须附加从机地址信息。主机发送从机地址后插入半个字符长度的空闲时间，使从机有足够的时间识别地址。监控计算机发送的命令由人机接口模块接收后转发给并网逆变器控制系统，同时将并网逆变器控制系统发送过来的数据作必要处理后再转发回监控计算机注意：人机接口模块与并网逆变器是每隔1s通信一次。此外，监控计算与光伏并网逆变器人机接口模块的数据通信是远距离通信，通信过程中数据有可能引入干扰产生误码，因此通信协议中必须引入校验信息循环冗余CRC校验

12、，通过校验信息判断接收到的数据/命令是否有误码。1无论主机或从机，当接收到命令/数据后，均需做CRC校验，假设校验数据与接收到的校验信息不符，即说明接收命令/数据有误码。2当从机接收到主机的命令有误码，那么从机不作响应；假设从机1s内不响应，那么主机重发命令；假设主机连续重发5次命令，从机均无响应，即判定为通信故障；3假设主机接收到从机返回的数据有误码，那么重发命令给从机，使从机再次返回数据给主机；假设主机连续10次接收到从机返回的数据有误码，即判定为通信故障。3.3循环冗余校CRC验算法当人机接口模块从机与监控计算机主机通信时，无论是主机向从机发送的命令帧，还是从机向主机发送的数据帧，都要参

13、加16位CRC校验，以加强通信的可靠性。16位CRC校验方法为：1预置16位CRC存放器为全1，即CRC(高8位、低8位)=FFFFh；2将8位数据信息与CRC(低8位)异或，送回CRC存放器；3计算结果右移1位，用0填补最高位；4假设移出位为1，那么CRC存放器的内容与A001h异或；假设移出位为0，那么不进行异或运算；5重复步骤3、4直到移位8次，处理完一个字节；6重复步骤25直到所有字节处理结束。4实验人机接口模块及光伏并网逆变器通信实验如图7所示。(a)人机接口模块与光伏并网逆变器(b)人机接口界面图7人机接口模块及光伏并网逆变器通信实验Fig.7Communicationexperi

14、mentbetweenHMImoduleandphotovoltaicgrid-connectedinverter图8为光伏并网逆变器输出电流和电网电压波形人机接口模块正在通信。 图8光伏并网逆变器输出电流和电网电压波形Fig.8WaveformsofoutputcurrentofthePVgrid-connectedinverterandthegridvoltage由图8可见，人机接口模块与光伏并网逆变器控制系统通信时，光伏并网逆变器也能输出高质量正弦波电流，即人机接口模块的运行不会对光伏并网逆变器的发电运行造成影响。5结论作为光伏并网逆变器的一局部，人机接口模块起到监测逆变器运行的作用，同

15、时作为数据中转平台向监控计算机提供监测数据。通过合理的硬件软件设计，人机接口模块实现了向并网逆变器发送命令，采集、显示并网逆变器的运行参数和状态，接收并转发监控计算机命令，向监控计算机发送并网逆变器的运行参数和状态等功能。实验结果说明，通过合理设计，人机接口模块实现了人机接口功能而不会对并网逆变器的运行造成不良影响，因此本文提出的光伏并网逆变器人机接口模块设计方法具有一定的实用价值。参考文献1 Chaniago K., Selvaraj J.,Rahim N.A.Implementation of single-phase grid connected inverter using TMS320F2812. Industrial Electronics and Applications, 2021. ICIEA 2021. 3rd IEEE Conference on.2021,page(s):1498-1502.2 L.Hassaine,E.Olas,M.Haddadi,A.Malek. Asymmetric SPWM used in inverter g