基于MCU系列的智能电网设计解决方案

为了提高能效，电网管理和优质电力输送，工程师们设计了智能电网。增加智能电网的复杂性是微电网相对较新的概念。在连接微电网和公用电网系统时，通过使用实时数据管理来控制电力流以维持供电标准的能力变得比以往任何时候都重要。

微电网已成为重要的智能电网方法的组成部分。这些小型能源生产商已出现在前瞻性社区，校园，军事设施和其他相关化合物中。微电网可以为公用电网供电或从公用电网获取电力。它还可以与主电网断开连接并自动运行。

由于几乎任何人都可以安装本地化电源系统，因此确保质量标准和正确的电网同步至关重要。实时电源管理和遥测是智能电网的重要组成部分，复杂的算法和快速，可靠的数字资源也是实现所有相关系统平衡和优化所必需的。微电网不断优化，以实时实现最佳的电源效率和电能质量。

优化电源：智能电网

结合太阳能光伏的微电网的关键构建模块之一面板是微型逆变器的面板。这种逆变器通常工作在500瓦以下并且与智能电网相连 - 称为“并网” - 并使用微控制器来执行控制的所有方面。 MCU的主要功能之一是充当最大功率点跟踪器（MPPT），处理算法以最大化PV功率输出。它还具有使用锁相环（PLL）进行DC-AC功率反转和与智能电网同步的任务。保持对电网的清洁电流馈送同时还维持PV系统中的最大功率效率可能是一个挑战，并且通过在每个太阳能电池板上包括逆变器来改善PV系统中的功率输出被认为是有益的。以这种方式，实际上可以消除由于阴影引起的功率损耗。快速数字化技术的出现和组件成本的下降使这种架构变得可行。微控制器供应商，如德州仪器（TI），一直积极为希望开始实施微逆变器设计的工程师提供大量设计支持。例如，TI的C2000 Piccolo微控制器是数字控制微逆变器应用的理想选择。为了帮助设计工程师进行设计原型设计，TI提供了大量的设计资源，作为250瓦并网太阳能微逆变器参考设计的一部分，该设计采用TI C2000 Piccolo隔离控制卡。 controlCARD基于TI C2000 Piccolo F28035 MCU，以方便的100针DIMM格式提供所有GPIO，ADC和功率调节组件。它适用于原型设计和小批量应用，它在单个电路板上提供所有数字控制元件，只需要添加电源转换组件即可实现完整的端部设计。它还包括用于串行总线和JTAG端口连接的光隔离器，以及噪声滤波器和ADC输入钳位保护。还提供可靠的电压参考源以与ADC一起使用。 TI提供了一整套与controlCARD相关的设计资源，包括完整的BOM，原理图，测试数据和设计文件，可显着加快逆变器解决方案的开发速度。

图1：交流电网的光伏电源。 （图像来源：德州仪器）

任何数字控制的并网微逆变器设计都有两个核心构建模块。该逆变器设计的第一个模块（图1）是一个DC-DC反激式转换器，由MPPT软件算法控制。要从PV面板获得最佳功率输出，它必须在其最大功率点运行。 MPPT软件确定PV面板的输出电流，以实时实现最大功率传输。由于最大功率传输受温度和光强度的影响，因此MPPT要求实时数据有效。该第一级电路还提供高频隔离。

图2：DC-DC转换器控制环路和MPPT。 （图片来源：德州仪器）

最后一块是DC-AC单相逆变器。 TI C2000微控制器增强的外设和优化内核使其成为控制应用的理想选择。 MCU的ADC和PWM外设设计用于集成多频控制环路并保证PWM波形的采样。

逆变器控制软件使用三个反馈信号，交流线电压（VLN），直流母线电压（ Vbus）和主电感电流（IL）。这些反馈信号用于优化驱动逆变器输出的四个PWM输出。逆变器将DC总线维持在所需的设定点，以将受控的正弦波注入电网，通过PLL实现电网同步。图3说明了基于Piccolo MCU的controlCARD如何与转换器，逆变器和主电网连接。

图3：Piccolo controlCARD的功能原理图MCU集成了DC-DC转换器和DC-AC逆变器。 （图像来源：德州仪器）

可以通过采集这些控制信号来分析统计数据并记录趋势，这些数据可用于开发新的控制算法。数据分析也可用于预测模型，以帮助预测网格行为以减轻问题。标准合规和审计报告对理事机构和利益相关者也很有用。云计算使收集大量遥测数据成为可能，否则需要大量的现场数据存储。

将这些重要数据从智能电网传输给用户

放置这些数据掌握在可以使用它的人手中是最终目标，现代移动设备可以提供理想的数据传输和控制平台。移动设备的可用性可以提供开发专有HMI的替代方案，而配置云连接对于几乎任何设计来说都是相对简单的事情。 Wi-Fi和蓝牙可能是实现这一目标的最常用方法，在某些情况下，可能需要考虑使用中间网关。特别是在多个能源组成微电网解决方案的情况下。

连接到云

也可以收集微逆变器控制回路中使用的实时数据并转发到基于云的应用程序。这不仅有助于可视化当前的负载和供应参数，随着时间的推移，可以分析存储的数据以建立关于发电能力和消耗特性的趋势。将数据打包成一系列数据包以便向前传输到云应用程序可以在Piccolo MCU中轻松完成。因此，需要通过本地网关或Wi-Fi接入点连接无线连接功能。将无线连接结合到设计中有两种主要方法。最流行的方法是使用预先认证的型号认可的无线模块，尽管一些工程师仍然认为离散方法值得付出努力。无线模块的一个示例是TI的SimpleLink CC3200MOD Wi-Fi解决方案。

图4：TI SimpleLink CC3200无线SoC模块的功能块。 （图片来源：德州仪器）

这款Wi-Fi模块的核心是CC3200MOD片上系统（SoC）平台，参见图4，其中包含两个独立的ARM®Cortex®-M4 MCU：专用用户应用MCU和专用网络处理器MCU。

应用处理器是32位ARM®Cortex®-M4 MCU（图5）。 32位核心处理器针对嵌入式和物联网应用进行了优化。增加这种功能丰富的器件是标准外设，包括I 2 S，SD，UART，I 2 C和SPI。还包括多达27个GPIO，一个四通道ACD和一个专用的快速并行相机接口。

第二个ARM®负责所有无线，互联网层和安全功能。功能包括256位加密引擎，可快速，安全地连接到互联网，以及许多防篡改措施，可确保固件在本地安全。 SimpleLink™系统可实现设计的快速实施，设计支持和可扩展性。具有物理上独立的网络MCU本身就是一种安全功能。

电源管理子系统包括一个DC-DC转换器，可实现广泛的电源电压。先进的低功耗模式提供低功耗深度睡眠（仅消耗135μA，具有256 KB RAM保持），休眠（仅消耗4.5μA）和关闭（仅消耗1μA）模式。

图5：CC3200硬件概述。 （图像来源：德州仪器）

网络MCU支持电台，接入点和Wi-FiDirect®连接模式。 CC3220x系列SimpleLink™器件还包括嵌入式IPv6，IPv4 TCP/IP和TLS/SSL堆栈，HTTP服务器以及各种其他互联网协议。这些设备支持广泛的Wi-Fi配置方法，增加了SimpleLink™系统的多功能性和实用性。

SimpleLink CC3200 LaunchPad开发板可帮助加速Wi-Fi原型的开发。该板适用于CC3200 Wi-Fi SoC模块，是打破Wi-Fi模块IO并集成到C2000微逆变器MCU的理想环境。

图6：TI CC3200 LaunchPad开发板。 （图片来源：德州仪器）

可在此处找到CC3200 LaunchPad环境的一整套开发资源，技术文档和应用示例。

结论

将C2000 MCU和CC3220x无线SoC MCU系列等强大技术置于设计师手中，使下一代智能电网设计成为现实。这些MCU共同提供完整的物联网解决方案，包括软件，工具，用户和编程指南，样本应用，参考设计和在线支持。

C2000 MCU是网格优化的理想选择。这些32位高性能处理器完美适用于实时控制应用以及快速，精确的传感和闭环控制。它们还具有许多安全认证和安全选项。

CC3200 SimpleLink™无线通信解决方案在云和传感器网络之间建立了必要的链接，在用户和重要传感器之间提供安全可靠的连接数据。使用这个关键组件，向微电网和智能电网管理链的人工组件提供数据相对简单。