基于CAN總線(xiàn)的模塊化獨立光伏發(fā)電控制系統

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

CAN協(xié)議是建立在國際標準化組織的開(kāi)放系統互聯(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、數據鏈路層和應用層。在CAN 2．0中，只規定了物理層和數據鏈路層，沒(méi)有定義應用層，需要用戶(hù)根據自己需求制定應用層協(xié)議。在光伏發(fā)電控制系統中，CAN總線(xiàn)上傳輸的數據可分為以下幾類(lèi)：

(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(yáng)能陣列電壓、充電電流、故障信息等。此類(lèi)信息數據量較大，廣播頻率1次／s。

(2)充電控制參數。由管理模塊廣播給所有充電模塊，包含了充電過(guò)程中一系列充電配置信息，如浮充電壓、均衡電壓、均衡時(shí)長(cháng)等。當用戶(hù)通過(guò)管理模塊修改充電控制參數后，由管理模塊發(fā)送命令，修改充電模塊對應的參數。

(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(mǎn)電壓時(shí)，管理模塊每隔10 s發(fā)送命令，讓一個(gè)充電模塊投入充電(充電占空比為100％)；接近充滿(mǎn)電壓時(shí)，管理模塊每10 ms調整一個(gè)充電模塊的充電PwM占空比。該類(lèi)命令數據量較小。

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

系統中，在CAN 2．0B擴展幀格式的基礎上，根據光伏發(fā)電控制系統的需求特點(diǎn)，制定了一個(gè)多幀傳輸的應用層協(xié)議。協(xié)議中，將29位信息標志符進(jìn)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(lèi)型、幀序號5部分。當不同節點(diǎn)上有數據幀需要同時(shí)發(fā)送時(shí)，優(yōu)先級小(標志符小)的數據幀將會(huì )被優(yōu)先發(fā)送；當優(yōu)先級相同時(shí)，源地址小的數據幀將會(huì )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(wǎng)廣播地址，最多可以有15個(gè)節點(diǎn)，可以滿(mǎn)足目前光伏發(fā)電控制系統的要求。幀類(lèi)型定義了數據包中該數據幀的位置，可分為單幀、起始幀、中間幀和結束幀。幀序號定義了數據包中幀的序號，從0開(kāi)始計算。協(xié)議中，將數據包的第一個(gè)字節作為命令字。

3 充電控制策略

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

(1)環(huán)境溫度。溫度過(guò)高，會(huì )使電池過(guò)充電，產(chǎn)生氣體；溫度過(guò)低，會(huì )使電池充電不足。因此，需要根據當前蓄電池溫度，對所設定的充電電壓進(jìn)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(guò)放和過(guò)充都會(huì )對蓄電池的壽命造成很大影響。在光伏充電控制系統中，管理模塊根據當前系統狀態(tài)，控制充電模塊進(jìn)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(zhì)量和壽命；恒壓充電在充電前期同樣會(huì )析出氣體；三階段充電方法，則避免了恒壓、恒流充電時(shí)析氣的缺點(diǎn)，且效率較高，故比較適合獨立光伏發(fā)電系統。但是，獨立光伏發(fā)電系統存在供電不足的問(wèn)題，容易使蓄電池長(cháng)時(shí)間處于欠充狀態(tài)。為進(jìn)一步延長(cháng)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(xiàn)如圖4所示。

圖4 蓄電池三階段充電法曲線(xiàn)

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(shí)，設定充電目標電壓為均衡電壓，達到設定的均衡時(shí)長(cháng)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的具體實(shí)施方案如下：為提高充電效率，當蓄電池電壓與充滿(mǎn)電壓差距較大時(shí)，管理模塊每隔10s發(fā)送命令，讓一個(gè)充電模塊投入充電(充電PWM占空比為100％)；當蓄電池接近充滿(mǎn)電壓時(shí)，為了保證蓄電池電壓的平穩，防止過(guò)充或震蕩對蓄電池造成損害，管理模塊根據PI算法，定周期調整一個(gè)充電模塊充電PwM的占空比。其軟件程序流程如圖5所示。