原标题：基于单芯片光伏逆变器+PLC的光伏逆变系统的设计方案

　　通信功能作为光伏逆变系统不可或缺的重要组成部分，其主要用于对分布式逆变器状态的远程监测和控制。电力线载波通信(以下简称“PLC”)是指将已有的电力线网络作为通信媒介实现通信的一种方法，将PLC功能加入光伏逆变系统，相对于其他类型通信方法而言，可以更好地降低成本、简化系统复杂性。本文着重介绍一种基于TI的TMS320F28035(以下简称“F28035”)和TMS320F28069(以下简称“F28069”)的单芯片光伏逆变器+PLC解决方案，并给出系统框图及软件流程图。

　　1具有PLC通信功能的光伏逆变器应用介绍

　　太阳能作为一种可再生能源，近两年已经在国内外成功用于并网发电。光伏逆变设备从功率上来看大致可划分为三个等级：输出功率大于6KW的三相大功率逆变器、输出功率在1KW至6KW之间的单相中型逆变器以及输出功率在200W至500W的微逆变器。大功率逆变器的成本高，效率相对较低，并且一般采用集中式拓扑，所以其对通信功能的需求量较少。与之相比，中小功率逆变器近年来在光伏发电市场上受到了更多的关注。

　　由于中小型逆变器本身功率不大，所以其更多用于微电网中的分布式太阳能发电系统。作为微电网的一个节点，其会在某个区域内有较大数量和较广范围的分布，例如在欧美地区，很多家庭会在屋顶安装这样的中小功率逆变器;在火车站或者工厂的屋顶会使用大量的中小型逆变器来搭建小型电站等等。这样就需要对一定区域内的逆变器进行管理，以便其更有效、安全、稳定的工作并且提供及时的需求和响应，而管理方法就是配以通信模块，以便通过上位机监测所有逆变器状态，并及时进行控制和调度。

　　无论是白天或者夜晚，我们都需要实时了解控制器的情况，例如逆变器当前工作状态、太阳能电池板的最大功率点追踪情况、当天/当月/当年等的发电千瓦时、当前输出功率/电压/电流等数据都需要被监控。如果使用中小功率逆变器搭建大功率的发电设备，则还会涉及单个发电设备功率因数的调节、防孤岛保护以及多个逆变器之间的相位同步等参数的控制。

　　从目前来看，最常见的方法就是通过无线(RF)或者RS485技术通信。PLC利用已有的电力线进行传输数据，不需要像485总线那样重新铺设新的线路，并且还可以在低成本的情况下实现有效的通信，其相对于RF可靠性更高，但相对于RS485在鲁棒性上则需要更多的设计优化。通过加入PLC模块，光伏逆变系统就成为为微电网的一个节点，可以接受任何在智能电网上传输的数据，有利于今后进一步的功能扩展。

　　图1使用PLC通信的光伏逆变设备区域系统结构

　　图1就是一种带有PLC功能的光伏发电设备的区域系统框图，在一定区域内给并网的光伏逆变设备安装PLC收发设备后，以电力线为总线来通信的拓扑结构。在距离和数量一定的设备之间，需要一个收发调制解调器来进行区域内的数据处理，并且还可以为其扩展上位机从而将数据通过上层网络进行传输。

　　2PLC方案介绍

　　2.1PLC概况及TIPLC方案介绍

　　PLC技术总体来说可以分为宽带(Broad-band)PLC和窄带(Narrow-band)PLC两大类，宽带PLC速度一般大于1MBPS，应用于Internet互联网等localareanetwork广域网连接的场合;窄带PLC(以下简称“NBPLC”)适用于长距离、低传输速度、只需窄带控制或者宽数据采集的场合[1]。而中小型光伏逆变设备往往对于其通信模块需要数据高可靠性以及低成本的要求，所以NBPLC会更适合于该应用。

　　目前PLC调制技术主要有三大类：单载波类(例如FSK)、扩展频谱类(例如S-FSK)、多载波类(例如OFDM)。前两种从调制方式上看大体可以概括为单载波调制方法，是目前使用比较多的一种技术，其特点就是原理简单，但是速度较慢、鲁棒性也较低。而多载波即OFDM(正交频分复用调制)是一种更加稳定且数据速率更高的调制技术，其原理就是在单一信道、同一时域传输过程中同时会有多个频率的载波信号进行传输，并且每个载波可以根据需求采用不同的调制方式。相对于单载波调制技术，其优点如下：1)低于500KHz的PLC信号能够穿越变压器，因此具有很好的传播特性;2)NBPLC在使用MCU或DSP实现时具有较好的成本效益;3)在窄带干扰(以下简称“NBI”)和短脉冲干扰(Impulse)下有很强的鲁棒性(Robustness);4)频率选择性信道的响应(阻抗特性)较好;5)能够与已有的单载波技术(FSK，S-FSK)共存[1]。6)无需与主电网过零点同步，因此可以用于直流应用(如微逆)。

　　图2NBPLC的调制方式

　　当前，基于OFDM技术的NBPLC的PRIME/G3标准已经进入了实际部署阶段。而IEEEP1901.2和ITU-TG.hnem两大国际标准也即将制定完成。TI在OFDM的软件开发上有很好的积累，提供了一系列针对各种不同标准的固件库，开发人员使用这些固件库的函数来进行开发时，不需要关心其底层设计的复杂时序，并且可以高效灵活的根据自己的需求进行产品定制。图3是TI的PLC开发软件库(plcSUITE)。

　　图3PLCSuite结构框图

　　TI提供的plcSUITETM软件库解决方案中，包括了已经实际部署PRIME/G3协议栈，以及TI定义的PLCLite标准。PLCLite是TI在PRIME标准上进行优化得到的一个基于OFDM的软件库，下一节会具体介绍其特性。除了提供软件开发固件库外，TI还提供整套的解决方案包括硬件模拟前端模块，如图4所示，C2000可以作为数字调制解调及网络协议栈实现的处理器，可以使用plcSUITETM中提供的库来进行软件开发，并且将调制好的物理层信号通过SPI发送至作为模拟前端的AFE031/AFE030，然后通过AF031/AFE030将数据信号耦合至电力线发送。

　　图4TINBPLC解决方案

　　2.2TIPLCLite标准介绍[2]

　　PRIME和G3标准在制定之初，主要应用对象是类似远程抄表等终端节点多且距离远、传输数据量大的应用，所以在PRIME和G3标准中会包括物理层、媒体层、逻辑链路层、以及更上层(例如在适配层支持IPV6及IEC61334-32等)网络层协议。而对于光伏逆变设备，其数据量不大并且在当前大多数应用中，其组网方式相对较简单所以并不需要一个复杂网络协议栈。TI定义了一个低成本且相对简单的标准PLCLite以应用于光伏逆变、路灯控制等相对简单灵活的网络。而PLCLite本身是由PRIME标准优化而来，所以其稳定性也可以得到保证。其特性如下：(1)可使用TMS320F28035contorlCARD或TMS320F28069contorlCARD作为主控模块;(2)支持PLCAdd-onAFE031模拟前端驱动模块;(3)支持47K~90K半频段(欧洲CENELECA频段标准)、40K~150K半频段(24K欧洲CENELECA/B/C/D频段标准);(4)最高传输速率为21Kpbs(不使用前向纠错)、11Kpbs(使用前向纠错);(5)采用OFDM调制方式、使用前向纠错功能、每个频率载波采用DBPSK调制技术;(6)40K~90K频段子载波数量为97路(1路导频，96路数据);(7)带有重复码纠错功能、CRC8错误校验、重复码和RS前向纠错算法;(8)可通过UART发送指令进行调试;(9)可编程控制AFE031增益;(10)具有PRIME标准物理层特性、增强的NBI性能以及支持MAC层扩展。

　　图5PLCLite物理层特性参数

　　3系统设计方案

　　一般来说，带有通信模块的光伏逆变系统都会采用逆变系统外加通信模块的方式来实现，即在一个逆变系统中，加入相关的通信协议，并通过SCI/SPI等通信手段与外加的通信模块进行短距离通信，再由通信模块将其发送至外部网络。本章节介绍两种光伏逆变器+PLC的系统拓扑，并对其特点进行分析。

　　3.1PLC外部独立模块系统

　　图6所示为PLC外部独立模块的系统，这样的系统拓扑模块化较好，灵活度较高。由于PLC会占用MCU大量的片上ADC资源，因此PLC和逆变系统如果分别独立开发设计则可以降低光伏逆变系统主控MCU的负载率。该方案可选择相对性能较低(ADC相对速度较慢、片上RAM/FLASH容量相对较小等)的MCU以降低系统成本，但其缺点在于多芯片方案导致外围电路设计复杂且系统成本增加，同时性能较低的MCU亦限制了光伏逆变设备总体性能的提高。一般在通信功能为可选的系统(如光伏微逆变器)中会倾向于此类拓扑设计。

　　图6光伏逆变系统PLC外部独立模块系统框图

LC模块部分则由另一颗F28035单独控制，光伏逆变中的一颗主控F28035只需将数据通过SCI/SPI发送至PLC模块，PLC模块则通过AFE031及电力线将数据发送至网络。因此该系统总共需要使用3颗MCU来实现。

　　3.2PLC内部集成系统

　　从图4可以看到，TI的PLC方案硬件系统可分为两部分：MCU和模拟前端。MCU负责所有的信号接收、解析、处理及发送;模拟前端只负责发送和接收数据：发送——通过MCU的片上SPI模块(无需D/A转换)传送的离散信号经D/A转换成连续信号后放大并耦合至电力线;接收——将电力线上的调制信号采样匹配后输送至MCU的片上ADC单元进行离散采样。通过该分析可以发现，只要光伏逆变的主控MCU性能足够，即可将TIPLC方案的软件部分完全移植至该主控MCU中。

　　对于需要PLC功能的光伏逆变设备，该集成拓扑相对于图6来说主要减少了一颗高性能的实时控制MCU，因此系统成本明显降低，但需要注意的是在该MCU选型时必须考虑采较强处理能力的内核和外设。理论上来看PLC部分和光伏逆变的软件算法可以全部由一颗MCU完成，但其中仍存在技术难题，例如ADC的采样时序冲突——光伏逆变的PWM载波频率一般在10K~30KHz，所以ADC对于电流电压的采样也会与其一致，而PLC-Lite的ADC采样频率最低为250KHz，且两者在采样时均需要ADC产生中断处理来数据，该问题是此类系统必须要解决的;又如MCU在性能与成本之间的折衷——基于OFDM的PLC需要高速ADC采样，因此需要大容量RAM和强大数据处理能力的MCU;逆变系统和PLC系统都需要很强的实时处理性能。考虑到以上需求，如选用专用DSP芯片不但增加系统成本，还会增加开发难度，因此如何选用一颗专用MCU来并行实现光伏逆变和PLC的相关运算是至关重要的。C2000由于具有出色的实时控制性能，可以很好地解决上述问题。

　　4TMS320F28069简介

　　TMS320F28069是C2000Piccolo系列MCU，基于C2000的实时处理C28内核、硬件浮点运算器和90MHz的主频使其拥有强大的实时运算能力，具有256K字节的片上Flash和100K字节的片上RAM;6通道的DMA可将ADC等外设数据进行快速传输。针对光伏逆变系统，F28069拥有转换时间为325ns的12位16通道SAR型ADC以及19路高性能PWM和8路超高分辨率PWM，可以输出最高达150ps分辨率的PWM信号。同时，针对基于OFDM的PLC通信，TI增加了TMS320C2000MCU指令集，新增加的指令集由紧耦合的硬件单元VCU(Viterbi，ComplexMath，CRCUnit)单元来实现，此运算单元可专门用于运算基于OFDM的PLC的大容量快速傅里叶变换(FFT)以及生成前向纠错码(FEC)和CRC校验码，其内部还有一个浮点协处理器——控制率加速器(CLA)，可与主内核并行运算以及拥有和主内核相同的外设使用能力，并且可使用C语言在CCS环境下进行编程。CLA最多有8个任务，每个任务都可以由外设(ADC/PWM/定时器)或软件触发。图7为F28069的性能和外设资源列表[3]。

　　图7F28069性能和外设资源

　　5基于F28035和F28069的集成PLC通信功能光伏逆变系统

　　PLC在通信时会占用较多的MCU资源，所以在DC/AC+PLC的单MCU解决方案中，F28069的主内核进行PLC运算，其中ADC的中断用于PLC的高速采样及处理;F28069内部的CLA则用于逆变控制系统，每次PWM匹配事件发生后，触发CLA读取ADC转换结果然后更新逆变全桥的IGBT驱动PWM信号占空比。

　　5.1系统结构框图

　　图2C2000光伏逆变系统PLC内部集成系统框图

　　如图8所示，光伏电池最大功率点追踪部分采用交错式BOOST拓扑，由F28035控制;母线电压通过LLC隔离后输送至后级DC/AC部分。F28069则运行DC/AC和PLC两部分代码。DC/AC部分为单相逆变全桥，PLC部分则通过AFE031模拟前端将数据耦合至电网。两颗MCU通过UART进行数据通信。

　　5.2DC/AC系统软件框图

　　为便于系统调试，DC/AC部分系统分成3个Level：Level1：开环系统;Level2：无PLL闭环系统;Level3：带PLL可并网系统。软件由5个功能模块组成：主函数、CLATask、PLCRun函数、ECap1中断和SCIB中断。

　　主函数由两个部分组成：(1)内核、外设、变量的初始化;(2)任务状态机。函数开始部分，进行主内核运行变量、CLA以及PLC代码的初始化。然后进入PLCRun函数、TaskA、B、C四个任务的轮询运行阶段。PLCRun函数的功能为PLC数据接收、发送、解析以及相关变量更新;TaskA为每毫秒运行一次的TaskA0函数，其中存在A1和A3两个有效子函数。A1的功能为每20ms检测系统标志位并且更新当前系统状态;A3轮询当前功能按钮状态以及发出LED指示灯控制信号。TaskB是5ms轮询的TaskB0函数，其中有B1，B2，B3，B4四个有效任务。B1的功能是故障检测和系统欠过流、欠过压的保护;B2主要进行参数运算，主要为线电压有效值、线电流有效值、当前输出功率的值等;B3用于系统运行状态检测;B4的功能是处理两颗MCU间的通信以及F28069和GUI之间的通信。TaskC为0.5ms运行一次的TaskC0函数，它用于检测SCIA通信状态。

　　第二部分是CLATask，分为Task8和Task3。Task8在CLA初始化时就通过软件触发，其功能主要是数字电源算法库DPLIB_C_CLA以及CLA运算参数初始化。Task3是PWM3事件匹配触发，同时会触发ADCSOC。Task总体分为两部分：上升沿触发阶段和下降沿触发阶段。下降沿触发阶段：如果触发任务时PWM处于下降沿计数则运行此部分程序。其主要功能是运算线电压、电流的周期有效值，母线电压周期平均值、输出视在功的值并将其存于制定变量等待主内核读取。

　　上升沿触发阶段：此阶段同样在触发并且PWM时基情况下运行。首先是读取外部采样电压、电流值，然后调用数字电源算法库函数中的2P2Z模块进行母线电压调节(与DC/DC板连接时有效，独自运行时使用常数作为输出结果)并将运算结果作为其中之一的参数输入电流环基准乘法模块。接下来会判断并网标志位状态，如果已经置位即表示当前为并网运行状态，则进行数字PLL运算。如果此时为离网运行状态，就跳过此部分进行电流内环调节环运算。最后将电流环运算结果转换为PWM占空比值用存入相应寄存器。

　　第三部分ECap1中断服务程序用于检测电网相位和频率，作为PLL的锁相基准。

　　第四部分SCIB中断用于F28069与前级F28035通信。F28069通过SCIB采集前级DC/DC的运行状态，并将其上传至上位机显示。

　　第五部分是整个系统的关键部分PLCRun函数，在第一部分已提到，该函数会在系统状态机每次轮询的时候调用，其内部的定时器中断、ADC中断服务函数以及底层解码函数都封装在PLCLite中。只需先设定中断函数入口地址、系统频率等参数后，调用初始化函数HAL_afeInit()，即可完成底层外设的初始化。

　　整个系统的关键在于ADC的复用和同步，上文已经提及，ADC在PLC中的采样频率为250KHZ，为了保证ADC采样的同步，逆变系统的载波周期就必须与其成倍数关系，同时，由于输出正弦信号需为50HZ，所以同时也需要是50HZ的倍数，由于IGBT的开关频范围有限，故选择25KHZ为输出SPWM信号的载波频率。这样PLC每进行10次采样，逆变部分的信号进行1次采样，并且通过EPWM模块的同步功能可保证两者的采样不冲突。PLC部分占用的ADC会触发主内核中断。而逆变部分则如前文所述触发CLA运算，这样系统就在同一时间并行运行两种功能，减小了整个系统的时间复杂度并且增加了MCU的利用率。图9为系统软件流程图。

　　图9F28069PLC内部集成系统软件流程图

　　6总结

　　本文主要介绍了带有电力线载波通信功能的光伏逆变系统拓扑结构以及TI的PLC方案和集成PLC功能的光伏逆变系统。PLC由于其天然优势，十分适合作为一种低成本高性能的通信技术应用于需要与电网相连的产品中，而将其加入当前关备受关注的光伏逆变系统，是必然的发展趋势。

　　在中小型光伏逆变系统分布式发展的趋势下，通信功能在将来一定会是每个并网逆变器的必备功能，而TIPLC方案的灵活性使其既可以外加于光伏逆变系统，也可以集成于系统内部，从而满足各种不同客户的系统需求。并且TI仍然在持续的开发针对于带有PLC功能的光伏逆变系统，例如将更复杂的PLC标准加入光伏逆变系统。通过PLC进行传输数据，对于光伏逆变系统，无疑有着多方面巨大的优势，并且也将进一步推进物联网概念的实施普及，TI将推出更多关于PLC应用的方案，使开发人员可以更快的完成产品设计。

　　参考文档

　　[1]TI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍(ZHCA433)

　　[2]TIPLCDevelopmentKitUserGuide

　　[3]TMS320F28069，www.ti.com/product/tms320f28069

　　[4]AFE031，www.ti.com/product/afe031

　　附录

　　图10AFE031典型应用原理图