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【RTTxIFX大赛】基于RT-Thread的智能电网用户侧家庭能源管理系统EMS

发布于 2023-07-16 00:20:00 浏览：1423 订阅该版

[tocm]

# 系统功能概述
家庭能源管理系统就是将用电负载、分布式电源、储能装置及检测控制装置组成网络，实现能量的联动。
系统工作流程为，光伏电池板发出6V电能，经过Boost升压电路升至12V并入直流母线为储能电池充电，储能电池维持直流母线12V恒定电压，后级推挽逆变电路将直流母线电压经过升压变压器生成交流电，再经过整流滤波后供负载使用。工作过程中，Boost、推挽升压电路均由单片机驱动信号控制电压，整套系统由英飞凌单片机作主控板，完成驱动信号生成和调整，控制系统整体运行过程，监控系统状态。整套控制系统电源均由储能电池提供，保证系统独立运行能力。
# 系统全貌
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# 硬件电路
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Boost升压电路部分，将光伏电池板6V电压升压至12V直流母线电压，从而为储能电池充电。

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推挽升压逆变部分，将储能电池提供的低压侧直流母线电压进行推挽升压逆变，经整流滤波后，供后级负载使用。

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光耦隔离电路，采用光耦隔离电路隔离强电功率信号和控制信号，保障单片机安全工作。

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辅助电源电路，采用LM2596降压芯片从直流母线电压，为光耦及栅极驱动芯片供电。
隔离电源电路，采用B0505隔离电源芯片作为单片机隔离供电。
屏幕显示模组
采用SPI接口的TFTLCD 2.4寸彩色显示屏，完成系统显示功能。
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# 软件部分
## 软件功能架构

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## 软件层次依赖

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### PWM生成方式对比
- RTT最高层PWM接口API
最方便配置，能支持PWM发生，频率占空比调整，但无法进行更细粒度的设置，如设置死区、上下溢出中断、比较中断等等必备的功能较难实现。
- HAL硬件抽象层PWM接口API
支持PWM发生，也支持死区、中断设置，但是接口过于抽象，每次占空比更新进行了不必要的计算，比较冗余，难以实现实时性要求高的场景。
例如：在SPWM生成中，需要每周期更新占空比，但是HAL计算过于冗余，是将占空比用浮点数计算，每次需要不必要的装载值转换，导致计算时间超出PWM中断间隔，计算过程太长，在30KHz的PWM情况下，两次中断的间隔最多33us，HAL计算太久，无法在此时间内完成，导致波形异常。所以必须采用更细粒度的接口。
- PDL外设驱动库PWM接口API
最底层的驱动库，支持全部功能，并且，Infineon提供了配置工具进行外设配置。使用 device-configurator 配置工具进行精细配置。
综上比较，本项目必须选择使用PDL库进行PWM驱动信号的生成，才能满足实时控制要求。所以驱动信号部分采用device-configurator 配置的PDL库开发，实现精细粒度的配置，其余外设如串口、ADC，均采用RTT提供的最上层通用接口进行开发，实现最高开发效率。

## 驱动信号发生
### Boost驱动信号生成
单路PWM，30Khz，占空比可调，每周期达到比较值时中断。
配置过程
步骤
1. 首先把配置打开
2. 然后自己写中断配置和中断回调。
    - 定义中断回调函数
    - 中断配置，设置优先级，绑定回调函数

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### 推挽升压控制信号
双路互补PWM，30KHz固定占空比50%，留有死区。
如果没有死区会导致变压器同时导通，出现电压震荡，产生较大的换流尖峰电压，超过MOSFET最大限度，击穿MOSFET。
尖峰如图，280V的期望输出，由于未设置死区，产生了近600V的电压尖峰，对于系统安全运行极度危险（不要问我是怎么知道滴。。。），切记切记。
配置过程
PWM基本配置同Boost
死区配置如下
配置500ns死区时间，测试得到效果如下，符合预期。

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## 正弦波SPWM脉宽调制信号生成
采用正弦波调制，设计调制信号驱动表，设置PWM上下溢出中断，同步更新占空比，每次更新计算时间不得超出PWM中断间隔时间。
配置过程
每次所用时间测试
重复1000次所用时间5.541ms，平均每次5.5us<33us，满足实时控制要求。

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## 屏幕显示软件设计
SPI接口配置

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数据传输控制
SPI显示数据传输
采用low level库实现， high level库实现需要中断，但屏幕读写不需要过多中断，直接采用底层库实现。

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GPIO电平控制
采用寄存器方式控制引脚高低电平，加快读写速度，提高屏幕刷新率。

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再根据LCD编写出界面显示功能接口，进行调用。

# 测试效果
## Boost光伏输入电压升压效果
输入侧升压电路正常，输入5.7V升压至11.6V，能够达到为电池充电的效果
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## 死区控制互补PWM
设置了600ns死区时间，确保MOSFET开关管正常开通关闭
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## 逆变升压效果
升压至345V高压交流电，满足逆变升压效果

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## 屏幕状态显示效果
界面展示效果

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系统状态监控效果

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完成实时显示光伏电池Boost电压状态、储能电池状态、推挽升压变换器状态，对系统监控起到关键作用。

# 成果演示视频
【【RTTxIFX大赛】家庭能量管理系统EMS作品成果演示】 https://www.bilibili.com/video/BV1Fj411f7pa/?share_source=copy_web&vd_source=bdb3bc659ce9fce59a79401dcbe1a6c4

# 项目总结
创造性地设计了家庭能量管理系统，完成了光伏储能等设备的统一工作，对能量系统进行集中管理和调配控制，完成了预期控制功能，测试效果符合预期。
下一步可增加并网、级联等功能，可以将系统进一步扩大，适应更大的用电场景，实现工厂或楼宇的能量集中管理系统。为能量管理系统的研制提供解决方案。