模块化光伏逆变器的集中控制系统的设计与实现

华中科技大学硕士学位论文模块化光伏逆变器的集中控制系统的设计与实现姓名曾晗申请学位级别硕士专业软件工程指导教师沈刚2010-05-11I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要近年来，太阳能发电技术被视作最有前途的绿色能源发电技术之一。太阳能发电系统的核心是一组光伏逆变器。相对于传统的集中式光伏逆变器而言，模块化光伏逆变器具有可靠性高，维修方便以及可在线扩容等优点，是一种极具发展前景的光伏逆变器。由于在模块化光伏逆变器中需要统一控制各发电模块的 MPPT（ Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪） ，选择适当的运行方式，及时发现运行故障并控制整个光伏逆变器的整体散热，因此在模块化光伏逆变器中设置一套集中控制系统有着十分重要的意义。根据模块化光伏逆变器的工作特点， 经过分析与比较后， 选择以了 Microchip 公司的 PIC24FJ64GA006 单片机为核心，辅以温度采集器，按键面板以及通信接口芯片等外设搭建集中控制系统的硬件平台；同时，选择与单片机配套的 MPLAB IDE集成开发环境，用 C 语言编写了系统的软件。在集中控制系统与各发电模块以及更高一级的远端监控系统之间传递数据采用了串口通信技术，具体为集中控制系统与各发电模块之间采用了 SPI（ Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）通信技术，与远端监控系统之间的通信采用了 RS232 通信技术。集中控制系统处于整个模块化光伏并网逆变器的中间层次，连接底层的发电模块以及更高一层的远端监控系统。集中控制系统的主要功能为接收各发电模块上传的数据， 并进行处理生成各种指令， 下达到各模块指导各模块的 MPPT， 变压器换挡，系统经济运行以及逆变器的整体散热等工作；当系统发生故障时能做出初步处理并发出报警信号；根据远端监控系统下达的指令，将光伏逆变器的运行数据上传至远端监控系统。关键词 模块化光伏逆变器 集中控制系统 串口通信II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文Abstract In recent years, the solar power technology is regarded as one of the most promising green energy power generation technologies. The core of a solar power system is a group of photovoltaic inverter. Compared with the traditional centralized photovoltaic inverter, the modular photovoltaic inverter is highly reliable, easy to maintain, and as well as the advantages of online capacity expansion, so it is to be seen as a very promising photovoltaic inverter. As in the modular photovoltaic inverter, the MPPT of the power generation modules needed to be controlled on one pace, and the system should operating in the most economical mode, finding the fault during operating and control the overall cooling of the system, so it is useful to set a centralized controller in the modular photovoltaic inverter. After analysis and comparison, the Microchips PIC24FJ64GA006 micro controller is chosen to be the core of the centralized controller. The microcontroller, together with theperipherals, such like the keys, the temperature sensor and thecommunication interface,built the hardware platform. The software is written in C language, in the MAPLAB IDE. The serial communication technology is used in the communication between the centralized controller and the power modules, and between the centralized controller and the remote monitoring system . Specifically , the SPI（ Serial Peripheral interface ）communication technology is used in the communication between the centralized controller and the power generation modules, and the RS232 communication technology is used in the communication between the centralized controller and the remote monitoring system. The centralized controller is in the middle level of the modular photovoltaic inverter, connect the power generation modules and the remote monitoring system. The main function of centralized controller is receiving and processing the data coming from the power generation modules, generating instruction, and guiding the MPPT, transformer III华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文shifting and the economic operation of the power generation modules, and the overall cooling of the modular photovoltaic inverter. The centralized controller should treatments the fault and makes a alarm during the operation, and upload the data to the remote monitoring system. Key words Modular photovoltaic inverter Centralized controller Serial communication 1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪论由于当前中国能源短缺和环境污染的情况愈发严重，能源与环境问题已成为 21世纪中国所面临的重大挑战。中国电力科学院的研究表明，在充分开发煤电、水电和核电的前提下， 2010 年和 2020 年电力供需的缺口仍然分别为 6.4％和 10.7％。这个缺口正是需要用绿色能源发电进行补充的。而太阳能具有取之不尽、用之不竭、无环境污染等优越性，被看作是最具有发展前景的未来绿色能源 [1-3] 。近几年来，我国积极开展了光伏发电技术的研究，通过技术引进、消化和自主创新等手段使得我国的光伏产业已有了一定的规模。根据相关部门公布的我国可再生能源中长期规划， 至 2010 年我国光伏发电总装机容量累计目标为 400MW 。 至 2020年，全国可再生能源开发利用总量在能源供应结构中的比重应提高到 15左右 [4,5] 。太阳能光伏发电在未来中国的能源供应中将占据重要的位置。因此，开展太阳能光伏发电技术的研究，对于缓解能源和环境危机，开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义 [6,7] 。1.1 项目背景光伏发电系统是一种将光能转换为电能的能量转化装置。当前的光伏发电系统可分为独立发电系统与并网发电系统两类。其中独立发电系统将变换后得到的电能供给独立负载使用，多余的电能存入蓄电池以供给在日照不足时独立负载的用电需求；光伏并网发电系统可分为两种，一种为不含蓄电池组的不可调度式光伏并网发电系统，另一种为含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统。这两种光伏并网发电系统都是将变换所得的电能输入电网 [8,9] 。无论是独立发电系统还是并网发电系统目前采用的逆变器多为单机的工作方式，即一组光伏阵列只能为一台光伏逆变器供电，不能同时为多台光伏逆变器供电，原因是逆变器在 MPPT 上采用的是分散式控制手段，不能实现光伏阵列的共用。当需要进行扩容时只能通过增加光伏阵列与逆变器的数量的方式来完成，二次投入成2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文本很大。并且单机系统维护工作量大；当逆变器工作在低负载状态时，转换效率低下 [10-12] 。模块化光伏逆变器能够有效解决上述问题。模块化光伏逆变器采用多个发电模块并联工作，当有模块出现故障时只需切除故障模块，其他模块可以正常工作，提高了光伏逆变器的可靠性 [13,14] ；同时由于模块规格统一且支持热插拔，维修时可以在线更换故障模块，极大地减少了维修的工作量 [15] ；此外，模块化光伏逆变器还有可以根据需要在线扩容（支持热插拔，直接增加并网模块数量即可） ，可实现光伏阵列共用，以及在低负载状态下的转换效率高等优点 [16,17] 。本设计的项目背景是一款 45kW 的模块化光伏并网逆变器。该逆变器由 15 个3kW 的发电模块构成。基于以下几点理由，在模块化光伏逆变器中需要有一个集中控制系统。（ 1）在模块化光伏并网逆变器中，各模块的 MPPT 需加以统一控制；需要采取适当的控制措施抑制并联的各发电模块之间的环流。（ 2） 在某些故障情况下， 需要更高一级的系统参考全系统的工作状态后做出判断。（ 3）在发电功率较小，系统经济运行时需要综合考虑所有模块的状态，并依据当前的发电功率选择最佳的运行方案。（ 4）在系统维修时，现场的维修人员需要快捷地了解系统的运行状态。在模块化光伏逆变系统中，集中控制系统主要起到协调各模块运行，同时向更高一级的监控系统上传数据的作用。1.2 国内外研究现状在模块化光伏逆变器中，将多个发电模块并联在一起，共同向负载输出电能需要用到合适的控制策略，使得各发电模块的工作状态保持一致，以免在各发电模块之间产生环流以及其他可能危害整个光伏逆变器的故障 [18] 。目前，国内外对模块化光伏逆变器的并联控制策略的研究有了长足的进步，控制各发电模块并联可以采用的控制策略有集中控制、主从控制、分散控制和独立控制等。各控制策略简单介绍如下。3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ 1）集中控制策略在集中控制策略中，需要在各发电模块之外另设一个集中控制系统。该集中控制系统为一个以单片机或 DSP 为核心的嵌入式系统。集中控制系统通过本身采集的运行数据，或是依据各发电模块上传的运行数据，经过分析和计算，生成控制指令发送到各发电模块，指挥各模块按照统一的步调工作。集中控制策略比较容易实现，而且各模块工作时的一致性高，可以很好地抑制环流。但是该方案中必须设有集中控制系统，由于集中控制系统通信能力以及其他因素的限制使得整个系统难以实现真正的模块化；同时，在运行中如果有单个发电模块故障，则整个系统可能就无法正常工作，可靠性难以进一步提高。（ 2）主从控制策略在主从控制策略中，以一台发电模块作为主模块，完成类似集中控制系统的功能，并作为电压源支撑整个系统的输出电压；其它所有的逆变器均作为从模块，并作为电流源输出。与集中控制策略相比，主从控制策略减少了集中控制系统，因此可靠性相对要高一些，但是，各从模块仍然需要从主模块得到工作指令，再考虑到要实现热插拔功能，控制逻辑相当复杂，因此也不能实现真正的模块化。为了进一步提高主从并联控制系统的可靠性，也有的主从控制策略采用当主模块故障时，从其他从模块通过竞争产生一个新的主模块；或者通过时间片轮转的方式使得各发电模块轮流成为主模块。这些可以自动变更主模块的控制策略在主模块失效的情况下可以继续维持并联系统的运行，避免系统的崩溃，从而提高了逆变器并联系统的可靠性。但这样也相应的会使得控制逻辑更加复杂。（ 3）分散逻辑策略在分散逻辑策略中，各发电模块的地位平等，不存在主从之分。各发电模块之间通过通信总线相互交换信息，实现工作状态的一致。与主从控制策略相比，在分散逻辑策略中取消了主模块，使得系统的可靠性增加；同时由于整个系统中并联的发电模块的数量将不再受限于集中控制系统或是主模块的通信能力等因素，因此可以实现真正的模块化。4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ 4）独立控制策略以上策略在实现时都要用到大量的通信线，而且由于距离以及工频交流电的影响，通信会受到较严重的干扰。在独立控制策略中可以去掉这些通信线。这种控制策略只依赖于各发电模块内的系统控制策略，可使各发电模块之间的控制系统电气联系基本（或完全）隔离，是一种有广阔发展前景前途的并联控制策略。1.3 本文的主要研究内容本文针对一款 45kW 的模块化光伏逆变器开发了一套集中控制系统，主要的工作有以下几点。（ 1）对模块化光伏逆变器的总体设计做了简单介绍，分析了集中控制系统在整个系统中的地位与作用，并分析了集中控制系统的需求。（ 2）根据需求设计了集中控制系统的硬件原理框图，选取了监控系统的重要芯片并给出了部分硬件连接图。（ 3）根据需求设计了集中控制系统的主体程序，给出了主体程序的流程图以及程序各模块之间的关系图；对于其中几个模块如散热模块，通信模块等给出了详细的设计及实现的过程。（ 4）系统完成后，对系统进行了测试，并对测试结果进行分析（ 5）提出了现阶段工作的不足以及改进的方向。5华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2 系统概述与需求分析本章中将简单介绍模块化光伏逆变器的总体结构，分析集中控制系统在其中的地位与作用，并对集中控制系统的需求进行分析。2.1 模块化光伏逆变器概述集中控制系统是模块化光伏逆变器的一个子系统。整个模块化光伏逆变器的结构如图 2.1 所示。下位机地址编码模块一下位机地址编码模块n数据总线上位机集中控制系统远端监控系统图 2.1 模块化光伏发电系统结构图在当前，由于整个逆变器的体积以及其他因素的限制， n 最大可以取到 15。由图 2.1 中可以看出， 整个光伏逆变器主要由远端监控系统， 集中控制系统以及发电模块构成。各部分的构成及功能如下（ 1）远端监控系统远端监控系统的主要功能是方便发电站的工作人员及时了解光伏发电系统的工作状态。 远端监控系统主要由个人 PC 机以及打印机组成。 远端监控系统通过 RS232总线与集中控制系统连接并进行通讯，接收集中控制系统上传的数据，在显示器上6华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文实时显示并在 PC 机中储存。如有需要可以打印出报表。目前，远端监控系统尚不具备远程遥控的功能。（ 2）集中控制系统在整个模块化光伏逆变器中，集中控制系统主要起到对各发电模块的控制以及向远端监控系统上传数据的作用。集中控制系统的结构图如图 2.2 所示。集中控制系统（ PIC24FJ64）环境温度采集散热风扇控制下位机数据上传指令下达（ SPI协议）远端监控系统数据上传（ RS232协议）图 2.2 集中控制系统的结构图集中控制系统是本文所要讨论的重点和主要对象。 由图 2.1 中可以看出， 集中控制系统在整个系统中处于信息传输通路的中间位置。集中控制系统与发电模块间的通信采用 SPI 协议，将发电模块上传的数据经过整理后按照 RS232 协议的要求重新打包上传至远端监控系统，并根据这些数据向各发电模块下达指令。同时，集中控制系统也可以将部分数据显示在液晶屏上。集中控制系统的一项实质技术问题就是编制协议转换函数，实现类似网桥的功能，将远端监控系统和集中控制系统之间的通讯数据包转化成为集中控制系统和发电模块之间的数据包，根据需求，完成各种数据的收集、参数设置。（ 3）发电模块发电模块的主要功能是实现电能的变换，将光伏极板输出的直流电逆变为交流电，并实现并网功能。发电模块的核心是一组逆变单元。该逆变单元的结构图如图2.3 所示。7华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文并网光伏极板输入移相全桥 AC/DC DC/AC可换挡变压器图 2.3 发电模块逆变单元的结构图发电模块中还包含各种传感器，用于采集诸如逆变器温度，电网电压有效值，频率等数据。在整个系统的结构模型中，该部分处于信息通路的最底层，也是最基本的功能单元。发电模块将采集得到的数据打包上传至集中控制系统，通过一个硬件编码器对数据包做标记以区分不同的发电模块，同时接受集中控制系统的指令，完成诸如合闸并网，变压器换挡以及切除故障发电模块等操作。发电模块以 TMS320LF2406 芯片为控制核心，包括数据采集，通讯，逆变器驱动等部分来实现上述功能。2.2 集中控制系统的需求分析需求分析是决定产品质量的关键，关系到集中控制系统系统开发的成败。在需求分析阶段，要对系统目标和功能性能作详细论述，确定用户的需求，通过需求分析把系统功能和性能的总体概念描述为具体的系统需求规格说明，从而奠定集中控制系统开发的基础 [19-22] 。在本设计中，需求的信息主要从以下几个方面获取。（ 1）功能需求集中控制系统必须完成的功能（ 2）性能需求集中控制系统的技术指标，主要为对响应时间的要求。（ 3）环境需求集中控制系统的工作环境，包括温度，湿度等指标。（ 4）约束条件集中控制系统在设计时受到的限制条件，包括硬件的约束，软件的约束，系统的功耗，体积等。（ 5）用户界面集中控制系统与用户交互的界面的逻辑特征，包括显示风格，8华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文液晶屏的布局，显示格式等。（ 6）通信接口包括系统的通信协议以及接口等 [23] 。获取以上信息后，遵循一定的步骤与原则对这些信息展开分析与研究，即可以给出集中控制系统相对全面的需求，对于指导设计与实现有很重要的意义 [24] 。需求获取是需求分析的基础和前提，能否正确、完整的获取需求，是保证项目成功的关键。需求获取相关活动的组织与开展是需求分析中最重要的一个环节，只有在充分地理解用户需求的基础上，才能够开发出客户满意的系统。需求获取的方法包括传统方法以及现代方法。传统的需求获取方法包括访谈法、问卷法、观察法和用户资料研究法等，均为较简单快捷的方法 [25,26] 。但这些传统方法的效果与项目的风险是成反比的；现代需求获取的方法主要有基于场景实例的方法 ,基于原型的方法 ,基于知识的方法，面向对象的方法等等。这些方法提供了对需求更深的理解，但也需要较大的开销与较大的努力 [27] 。本系统的需求获取采取了访谈法与用户资料研究法相结合的方式。其中访谈法是一种 “ 现场获取客户需求 ” 的模式，是大多数项目最初的需求获取方式。通过访问相关人员，查阅资料并结合本人所掌握的知识，归纳与分析得出本系统的需求如下。2.2.1 集中控制系统的功能需求系统的功能需求包括系统待机与系统工作时的需求。在系统待机时，集中控制系统主要监测各发电模块中逆变器的状态，包括逆变器核心元件的温度，各发电模块与集中控制系统的通信情况以及环境温度，并将相关的信息显示在液晶屏上。当系统开始工作时，集中控制系统的功能如下。（ 1）监测光伏极板的状态，包括光伏极板的输出直流电压与输出电流；当极板的输出电压满足一定条件时，发出换挡指令，将可换挡变压器调整至合适的档位输出；（ 2）监测电网的状态，包括各相电网电压的有效值及频率；（ 3）监测各发电模块中逆变器的状态，包括逆变器核心元件的温度，逆变器的工作状态，各发电模块与集中控制系统的通信情况以及环境温度；根据逆变器的状态决定是否发出并网指令；根据温度的不同决定散热风扇是否开启；9华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ 4）实时计算瞬时发电功率及累计发电量；并根据当前瞬时功率决定系统经济运行的方式，尽可能保证每个发电模块均工作在额定功率的 70以上；（ 5）根据各发电模块的逆变器的状态，确定统一的 MPPT 策略，指挥所有发电模块进行统一的 MPPT；（ 6）当系统运行出现故障时发出警报，并根据情况切除故障发电模块或停止整个系统的运行；记录故障信息以供分析之用；（ 7）将监测数据显示在液晶屏上并上传至远端的监控系统。2.2.2 集中控制系统的非功能需求1）集中控制系统的性能需求集中控制系统的性能需求主要是系统的响应时间。系统的性能需求如下。（ 1）当光照条件变化时， MPPT 的相应时间应小于 10s；（ 2）变压器换挡的响应时间应小于 15s；（ 3）逆变器发电模块发生故障时，集中控制系统能在 1s 的时间内切除故障模块；（ 4）电网发生故障时，集中控制系统能在 0.4s 的时间内将逆变器与电网断开。2）集中控制系统的环境需求（ 1）集中控制系统工作的环境温度为 -20℃ 50℃；（ 2）集中控制系统工作的环境湿度为 595。3）集中控制系统的约束条件（ 1 ） 硬 件 约 束 由 于 各 发 电 模 块 的 控 制 系 统 核 心 为 主 频 10MHz 的TMS320LF2406 型号的 DSP，因此集中控制系统的处理器主频应该与之匹配；环境温度的采集要求精度达到 0.1℃；在集中控制系统工作过程中要求保留 20 个故障记录的类型及发生时间以及逆变器的累积发电量，共计 124 字节。（ 2）软件约束集中控制系统的软件采取单进程的设计；由于资源的限制，软件中没有采用操作系统。（ 3）整个集中控制系统的硬件要求能用单手拿起，重量控制在 500g 以内，长宽高分别限制在 20cm， 10cm 以及 5cm 以内； 在正常工作时， 系统的功耗控制在 5W10华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文以内。4）用户界面（ 1）集中控制系统通过液晶屏向用户显示逆变器的运行状况；用户通过按键实现翻页，菜单项选择以及参数设置的功能。（ 2）液晶屏放置在集中控制系统的中央，按键布置在液晶屏的下方。（ 3）液晶屏显示的文字与符号要求清晰可辨；文字与符号在显示时统一采取左对齐的显示格式。5）通信接口（ 1）集中控制系统与各发电模块之间的通信采用 SPI 通信，与远端监控系统之间的通信采用 RS232 通信。（ 2）集中控制系统与各发电模块之间采用四根并排的排线连接，与远端监控系统之间采用 9 针的通信线连接。同时，集中控制系统作为模块化光伏逆变器的控制核心，应该具有很高的可靠性、安全性和可用性。2.3 本章小结本章介绍了整个模块化光伏逆变器的组成结构， 以及系统各部分所实现的功能。在此基础上，重点介绍了集中控制系统，对其作用和功能以及需求做了详细分析，为下文软件与硬件的设计打下基础。11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3 集中控制系统设计本章中将介绍集中控制系统的设计， 包括硬件原理设计与软件设计。 在硬件设计中给出了硬件的原理框图， 并依据需求选取了重要的元器件； 在软件设计中给出了主程序的流程图，各模块之间的关系图，并重点对其中几个模块的设计进行了详细说明。3.1 集中控制系统硬件设计3.1.1 系统硬件原理框图基于微处理器的集中控制系统主要由电源， 温度传感器， 存储芯片， 晶振， 液晶屏及通信接口等组成， 其原理框图如图 3.1 所示。 采用微处理器作为监控系统的核心部分，根据发电模块以及温度传感器的输入得到各项指令； 使用按键面板输入外部指令； 存储芯片存储设定的参数以及错误信息等； 晶振提供原始的时钟频率 （本设计中， 晶振频率FOSC8MHz） ；液晶屏显示整个模块化光伏并网逆变器的工作状态；声光报警在运行出现异常时通过灯光及蜂鸣器报警； 串行通信接口负责集中控制系统与发电模块及远端监控系统之间的通信。微处理器Data Flash按键面板温度采集模块电源 晶振SPIRS232液晶屏远端监控系统发电模块声光报警图 3.1 系统硬件原理框图12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3.1.2 微处理芯片的选取由于集中控制系统的体积和功耗有较严格的限定，因此系统中所采用的微处理芯片应具有体积小，功耗低的特点。同时，为了与发电模块中的 DSP 速度匹配，所选用的微处理芯片应有较高的处理速度。最后，该微处理芯片在满足上述条件的情况 下 应 有 较 低 的 价 格 。 综 合 考 虑 下 ， 在 本 设 计 中 选 择 了 性 价 比 较 高 的PIC24FJ64GA006单片机。PIC24FJ64GA006 单片机是 Microchip 公司的产品，其 CPU 采用 RISC 结构和Harvard 双总线结构，运行速度快，工作电压低，低功耗。该单片机还具有输入输出直接驱动能力较大 ,价格低 ,以及体积小等优点。在办公自动化设备 ,消费电子产品 ,电讯通信 ,智能仪器仪表 ,汽车电子以及工业控制等不同领域都有广泛的应用。PIC24FJ64GA006单片机具有以下特点。（ 1） CPU 采用改进型 Harvard 架构，支持增强的指令集，指令字带有变量长度操作码字段。 程序计数器为 24 位宽，可对 4M 的用户程序存储空间进行寻址。（ 2）单片机拥有 16 个 16 位的工作寄存器。 每个工作寄存器均可充当数据、地址或地址偏移量寄存器。 第 16 个工作寄存器（ W15）作为软件堆栈的指针，用于中断和程序调用。（ 3）内核支持固有（无操作数） 、相对、立即数、存储器直接寻址等多种寻址模式。所有寻址模式均支持寄存器直接和间接寻址模式。（ 4） 内核中的高速 17 位 17位乘法器可以极大地增强单片机的运算能力和吞吐量。所有的乘法指令都可在单周期内执行，所有除法运算均可在 19 个周期内完成，但可在任何周期边界被中断。（ 5）拥有多达 8 个不可屏蔽陷阱源和 118个中断源，共 126 个中断矢量。中断具有矢量排他机制，可以将每个中断源配置为 7 个优先级中的任何一个。（ 6）具有一系列能显著降低工作功耗的功能，主要包括动态时钟切换，打盹模式以及基于指令的节能模式。（ 7）提供 5个不同的振荡器选项，使得用户在开发硬件时可以灵活选择。13华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文在程序的设计中，中断将起到非常重要的作用。 PIC24FJ64GA006单片机中断控制器具有以下特点 [28,29] 。（ 1）拥有多达 126个矢量的 IVT （ Interrupt Vector Table，中断矢量表） ，每个中断或异常源都有唯一对应的矢量（ 2）整个向量表分为 7个用户可选择的优先级别（ 3）每个中断矢量均有固定的中断入口以及返回延时IVT 位于程序存储器中，起始地址为 000004h。 IVT 由 8个不可屏蔽的陷阱向量和118个中断源共 126个矢量组成。每个中断矢量都对应一个 24位宽的地址，其中存放的值是其对应的 ISR（ Interrupt Service Routines，中断服务程序）的起始地址。中断矢量的优先级与其在 IVT 中的位置有关。 在其他方面相同的前提下， 靠前的地址具有更高的优先级。当需要用到中断时，首先应对相应的中断控制寄存器进行配置，最后打开总中断。 如何声明中断服务程序以及怎样使用正确的矢量地址初始化 IVT ， 将取决于编程语言和用于开发的语言开发工具包。3.1.3 RS232 电平转换芯片选取RS232 标准最初是远程通信连接 DTEData Terminal Equipment ，数据终端设备 与 DCE（ Data Communication Equipment ，数据通信设备 而制定的。其逻辑电平对地是对称的，逻辑 “ 0”电平规定为 5V15V ，逻辑 “ 1”为 -5V-15V ，与 TTL（ Transistor-Transistor Logic ，逻辑门电路）的逻辑和电平不同。因此 RS232通信接口与 TTL 之间的连接必需经过电平转换。由于 PIC24FJ64GA006 单片机使用2.0V3.6V 电源供电，不能使用一般的 232 芯片进行转换，因此选择了 TI 公司的逻辑电平转换芯片 MAX232 来完成电平和逻辑的转换。MAX232 包 含 2 个 驱 动 器 、 2 个 接 收 器 和 一 个 电 压 发 生 器 电 路 提 供TIA/EIA-232-F 电平。该器件符合 TIA/EIA-232-F 标准，接收器将 TIA/EIA-232-F电平转换 5-VTTL/CMOS 电平，发送器将 TTL/CMOS 电平转换成 TIA/EIA-232-F电平。MAX232 的主要特点如下 [30] 。14华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ 1）在单 5V电源下工作（ 2）采用 LinBiCMOSTM 工艺技术（ 3）拥有两个驱动器及两个接收器（ 4）低电源电流，其典型值是 8mA （ 5）各种性能符合甚至优于 ANSI 标准 EIA/TIA-232-E 及 ITU 推荐标准 V.28 （ 6） ESD（ Electro-Static discharge， 静电放电） 保护大于 MIL-STD-883（方法 3015）标准的 2000V 3.2 集中控制系统软件设计集中控制系统具体要实现的功能如下。（ 1）与发电模块和远端监控系统的串口通信。集中监控模块接收发电模块上传的数据，了解各模块的工作状态；向远端监控系统上传数据，以方便工作人员了解系统的工作状态，并对各项数据作进一步的分析与处理。（ 2）数据帧的拆分与组合。在整个模块化光伏并网逆变器中，集中控制系统与远端监控系统，和集中控制系统与发电模块之间采用了不同的通信协议，而且通信的内容也不相同。因此存在协议转换的问题。集中控制系统在得到发电模块上传的数据帧后，要对其进行拆分，处理，按照与远端监控系统之间的通信协议重新组装成新的数据包并上传。（ 3）根据各发电模块上传的数据，向模块下达控制指令，统一控制各模块的工作。下面围绕上述功能详尽介绍集中控制系统软件的设计。3.2.1 主体程序设计为了实现上述功能，程序在启动后首先进行初始化工作，主要是初始化各变量以及控制寄存器以及 I/O 口等。 待发电模块完成自检， 开始上传数据后， 集中监控模块接收这些数据，并以这些数据为依据，调用各功能子函数生成相应的控制指令，驱动系统完成不同的功能。主要的功能子函数有变压器换挡子函数，经济运行子函数， MPPT 子函数以及散热子函数。 当远端监控系统下达指令时， 集中控制系统将重15华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文新打包的数据上传。由于发电模块的数据是不断上传的，因此在主函数中设置了一个 while（ 1）的无限循环结构，在这个循环结构中进行处理和相关的函数调用，保证数据解析的正确性。主体程序的流程图如图 3.2 所示。开始各变量，控制寄存器及 I/O口的初始化接收各发电模块上传的数据帧 ，并从中读取数据调用各功能子函数 ，生成各控制指令控制指令下达 ，指导各模块以及散热风扇的运行接收到远端监控系统的指令 向远端监控系统上传数据帧YN在液晶屏上显示运行参数图 3.2 集中控制系统主体程序流程图集中控制系统将部分运行参数显示在液晶屏上。由于数据较多需要分页显示，且集中控制系统提供了一些菜单选项并可以设定参数，因此集中控制系统设置了四16华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文个按键。整个集中控制系统的软件可分为按键输入，功能子函数以及串口通信等几个模块。各模块之间的关系如图 3.3 所示。图 3.3 中箭头的指向表明了数据在各模块之间的流动方向。 在各模块中， 按键输入模块与显示模块与用户直接对话，属于前台程序，其余模块属于后台程序；字符生成模块，显示模块以及按键输入模块属于底层程序，其他模块属于上层程序。下面分别就这几个模块的设计展开详细的描述，重点是散热模块与串口通信模块。初始化模块功能子函数模块SPI通信模块RS232通信模块显示模块按键输入模块字符生成模块散热模块图 3.3 主程序各模块之间关系图3.2.2 部分功能子函数的设计此部分中主要介绍变压器换挡子函数的设计。在模块化光伏并网逆变器的工作过程中，光伏极板的输出电压将随着光照条件的变化在一个较大的范围内变化。为了保证在各种光伏极板的输出电压下发电模块的逆变单元中的各个单元均能正常工作， 在逆变单元中设置了一个可换挡的变压器。具体要求为当光伏极板输出电压大于 480V 时， 变压器切换至 3 档 （变压器变比最小的档位） ；当光伏极板输出电压小于 210V 时，变压器切换至 1 档（变压器变比最大的档位） ；其他电压情况下变压器切换至 2 档。当光伏极板的输出电压在不同的电压17华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文区间变化时，集中控制系统向各发电模块下达换挡指令。换挡指令分别取 1， 2， 3时代表变压器切换至第一档，第二档与第三档。同时集中控制系统向各发电模块下达脱离电网的指令并保留其他的指令。待变压器换挡完成，集中控制系统向各发电模块下达允许并网以及之前保留的指令，各发电模块重新开始并网发电。变压器换挡子函数的程序流程图如图 3.4 所示。开始需要换挡DVDC480VYDVDC42℃orT282℃开机标志位置0开启两个风扇Y32℃ 42℃orT282℃开机标志位置0不开启风扇NN开启两个风扇Y32℃ T138℃Or62℃ T278℃N开启一个风扇Y不开启风扇T128℃T258℃NYN图 3.5 散热模块程序流程图散热子模块程序流程图，如图 3.5所示。对于散热模块而言，具体的要求是当环境温度低于 30℃ 且逆变器核心元件温度低于 60℃ 时不开启散热风扇；当环境温度高19华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文于 30℃ ，低于 40℃ ，或逆变器核心元件温度高于 60℃ 低于 80℃ 时开启一个散热风扇；当环境温度高于 40℃ ，或逆变器核心温度高于 80℃ 时开启两个散热风扇。在实际中发现，由于风扇开启后一段时间内系统的散热量大于发热量，环境温度下降，因此在边界温度附近会出现风扇反复开启关闭的状况。为了避免这种情况发生，在设计中将温度的上下限各错开了 2℃ ，留下了一个死区；同时，为了避免系统在死区温度下开机风扇不会立刻开启（要等温度上升至高于死区温度时风扇才开启）的情况，在程序中设置了一个开机标志位。开机时置 1，一个软件周期后即置 0。3.2.4 串口通信模块的设计在集中控制系统与发电模块的通信中，发电模块上传的数据帧经模块中的4-16 译码器，用于区分不同模块的数据帧；集中控制系统向发电模块下达控制指令，则通过各模块上的 16-4 编码器保证指令被送往正确的模