基于CAN總線的模塊化獨立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

在對實時性、可靠性和擴展靈活性均有較高要求的光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，應用CAN總線構建其模塊化的系統(tǒng)結構，是比較適合的。

CAN協(xié)議是建立在國際標準化組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(Open system Interconnect，OSI)基礎上的，其模型結構只有三層，即底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。在CAN 2．0中，只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有定義應用層，需要用戶根據(jù)自己需求制定應用層協(xié)議。在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為以下幾類：

(1)充電狀態(tài)信息。由充電模塊發(fā)送給管理模塊，包含充電模塊工作狀態(tài)，如充電方式、充電PWM頻率、太陽能陣列電壓、充電電流、故障信息等。此類信息數(shù)據(jù)量較大，廣播頻率1次／s。

(2)充電控制參數(shù)。由管理模塊廣播給所有充電模塊，包含了充電過程中一系列充電配置信息，如浮充電壓、均衡電壓、均衡時長等。當用戶通過管理模塊修改充電控制參數(shù)后，由管理模塊發(fā)送命令，修改充電模塊對應的參數(shù)。

(3)充電控制命令。由管理模塊下發(fā)給充電模塊，包括投Ⅳ切出充電命令、調整充電PWM占空比命令。在未達到充滿電壓時，管理模塊每隔10 s發(fā)送命令，讓一個充電模塊投入充電(充電占空比為100％)；接近充滿電壓時，管理模塊每10 ms調整一個充電模塊的充電PwM占空比。該類命令數(shù)據(jù)量較小。

(4)緊急命令。當遇到危險情況(如蓄電池超壓、充電過流)需要緊急停機時，由管理模塊下發(fā)給充電模塊。此種命令不定時發(fā)送，數(shù)據(jù)量較小，需要的優(yōu)先級較高。

系統(tǒng)中，在CAN 2．0B擴展幀格式的基礎上，根據(jù)光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的需求特點，制定了一個多幀傳輸?shù)膽脤訁f(xié)議。協(xié)議中，將29位信息標志符進行分配如表1所示。

表1 CAN 2．0B標志符分配方案

協(xié)議將CAN 2．0B標準的29位標志符細分為優(yōu)先級、源地址、目的地址、幀類型、幀序號5部分。當不同節(jié)點上有數(shù)據(jù)幀需要同時發(fā)送時，優(yōu)先級小(標志符小)的數(shù)據(jù)幀將會被優(yōu)先發(fā)送；當優(yōu)先級相同時，源地址小的數(shù)據(jù)幀將會被優(yōu)先發(fā)送。源地址和目的地址各占4位，定義0為全網廣播地址，最多可以有15個節(jié)點，可以滿足目前光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的要求。幀類型定義了數(shù)據(jù)包中該數(shù)據(jù)幀的位置，可分為單幀、起始幀、中間幀和結束幀。幀序號定義了數(shù)據(jù)包中幀的序號，從0開始計算。協(xié)議中，將數(shù)據(jù)包的第一個字節(jié)作為命令字。

3 充電控制策略

對于獨立的光伏充電系統(tǒng)，蓄電池用于儲存光伏組件產生的電能。當負載工作時，蓄電池為負載提供電能。蓄電池性能的優(yōu)劣和工作的穩(wěn)定性直接影響到系統(tǒng)的運行情況，關系到整個系統(tǒng)的可靠程度。一旦蓄電池失效，將造成大的系統(tǒng)損失。如果能夠正確使用和維護蓄電池，就能夠延長其使用壽命。蓄電池壽命主要受以下兩個因素的影響：

(1)環(huán)境溫度。溫度過高，會使電池過充電，產生氣體；溫度過低，會使電池充電不足。因此，需要根據(jù)當前蓄電池溫度，對所設定的充電電壓進行溫度補償。

(2)充電控制方法。充電方式不當，容易使蓄電池析出氣體、容量減少、工作壽命縮短。過放和過充都會對蓄電池的壽命造成很大影響。在光伏充電控制系統(tǒng)中，管理模塊根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)，控制充電模塊進行充電。加入了溫度補償算法，可有效降低溫度對蓄電池壽命的影響。常用的充電方法有恒流充電、恒壓充電、三階段充電等。恒流充電在充電后期容易析出氣體，影響蓄電池的質量和壽命；恒壓充電在充電前期同樣會析出氣體；三階段充電方法，則避免了恒壓、恒流充電時析氣的缺點，且效率較高，故比較適合獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。但是，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)存在供電不足的問題，容易使蓄電池長時間處于欠充狀態(tài)。為進一步延長蓄電池使用壽命，采用了一種優(yōu)化的三階段充電法。蓄電池三階段充電法充電曲線如圖4所示。

圖4 蓄電池三階段充電法曲線

由圖4可知，第一階段采用恒流充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％。停止充電；第三階段是補充的均衡充電。當檢測到蓄電池電壓低于設定的恢復均衡電壓閾值時，設定充電目標電壓為均衡電壓，達到設定的均衡時長后，轉入第二階段的浮充充電。

新型模塊化光伏充電控制系統(tǒng)的具體實施方案如下：為提高充電效率，當蓄電池電壓與充滿電壓差距較大時，管理模塊每隔10s發(fā)送命令，讓一個充電模塊投入充電(充電PWM占空比為100％)；當蓄電池接近充滿電壓時，為了保證蓄電池電壓的平穩(wěn)，防止過充或震蕩對蓄電池造成損害，管理模塊根據(jù)PI算法，定周期調整一個充電模塊充電PwM的占空比。其軟件程序流程如圖5所示。