基于CAN總線的模塊化獨(dú)立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

在對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)展靈活性均有較高要求的光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，應(yīng)用CAN總線構(gòu)建其模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是比較適合的。

CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(Open system Interconnect，OSI)基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(yīng)用層，需要用戶根據(jù)自己需求制定應(yīng)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(shí)長等。當(dāng)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(duì)應(yīng)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(diào)整充電PWM占空比命令。在未達(dá)到充滿電壓時(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％)；接近充滿電壓時(shí)，管理模塊每10 ms調(diào)整一個(gè)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(dāng)遇到危險(xiǎn)情況(如蓄電池超壓、充電過流)需要緊急停機(jī)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(shù)據(jù)量較小，需要的優(yōu)先級(jí)較高。

系統(tǒng)中，在CAN 2．0B擴(kuò)展幀格式的基礎(chǔ)上，根據(jù)光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的需求特點(diǎn)，制定了一個(gè)多幀傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議。協(xié)議中，將29位信息標(biāo)志符進(jìn)行分配如表1所示。

表1 CAN 2．0B標(biāo)志符分配方案

協(xié)議將CAN 2．0B標(biāo)準(zhǔn)的29位標(biāo)志符細(xì)分為優(yōu)先級(jí)、源地址、目的地址、幀類型、幀序號(hào)5部分。當(dāng)不同節(jié)點(diǎn)上有數(shù)據(jù)幀需要同時(shí)發(fā)送時(shí)，優(yōu)先級(jí)小(標(biāo)志符小)的數(shù)據(jù)幀將會(huì)被優(yōu)先發(fā)送；當(dāng)優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，源地址小的數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)，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(jié)束幀。幀序號(hào)定義了數(shù)據(jù)包中幀的序號(hào)，從0開始計(jì)算。協(xié)議中，將數(shù)據(jù)包的第一個(gè)字節(jié)作為命令字。

3 充電控制策略

對(duì)于獨(dú)立的光伏充電系統(tǒng)，蓄電池用于儲(chǔ)存光伏組件產(chǎn)生的電能。當(dāng)負(fù)載工作時(shí)，蓄電池為負(fù)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(yùn)行情況，關(guān)系到整個(gè)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(hù)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(gè)因素的影響：

(1)環(huán)境溫度。溫度過高，會(huì)使電池過充電，產(chǎn)生氣體；溫度過低，會(huì)使電池充電不足。因此，需要根據(jù)當(dāng)前蓄電池溫度，對(duì)所設(shè)定的充電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

(2)充電控制方法。充電方式不當(dāng)，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(huì)對(duì)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(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，控制充電模塊進(jìn)行充電。加入了溫度補(bǔ)償算法，可有效降低溫度對(duì)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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。但是，獨(dú)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(shí)間處于欠充狀態(tài)。為進(jìn)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(bǔ)充的均衡充電。當(dāng)檢測到蓄電池電壓低于設(shè)定的恢復(fù)均衡電壓閾值時(shí)，設(shè)定充電目標(biāo)電壓為均衡電壓，達(dá)到設(shè)定的均衡時(shí)長后，轉(zhuǎn)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(shí)施方案如下：為提高充電效率，當(dāng)蓄電池電壓與充滿電壓差距較大時(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(dāng)蓄電池接近充滿電壓時(shí)，為了保證蓄電池電壓的平穩(wěn)，防止過充或震蕩對(duì)蓄電池造成損害，管理模塊根據(jù)PI算法，定周期調(diào)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。