基于控制器的模块化独立光伏发电控制系统

引言

    随着能源日益紧缺和环保压力不断增大，光伏发电技术以其资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点，越来越受到人们的重视。根据对现有光伏发电系统的调查分析，储能蓄电池的使用寿命是导致系统故障和失效的重要因素之一。传统的独立光伏发电系统一般采用单个充电控制器控制太阳能电池板对蓄电池进行充电。该方法基本能够满足小容量蓄电池的要求，但不能胜任大容量蓄电池或蓄电池组。大容量的蓄电池或蓄电池组充电时需要的充电电流较大，充电过程中充电控制器投入／切出充电频繁，对蓄电池冲击较大，易损坏蓄电池。当前，大容量蓄电池和蓄电池组正被逐渐广泛使用，因此，需要更加有效、可靠的充电控制方案。CAN总线有组态灵活、结构简单、可靠性高、通信速度快等特点，可以被用来设计一种新型模块化独立光伏发电控制系统。多个充电模块在管理模块的控制下调整充电PWM的占空比，减小对蓄电池的冲击，有效保护蓄电池，且通过增减充电模块数目，可适应不同容量的蓄电池，有利于扩容。

1 模块化光伏发电系统结构

    基于CAN总线的模块化光伏发电控制系统由上位机PC、管理模块、n个充电模块(1≤n≤10)组成。每个充电模块控制单块太阳能电池板对蓄电池进行充电。系统结构如图1所示。

图1 模块化光伏发电控制系统结构

    1．1管理模块

    管理模块集成了矩阵键盘单元、显示单元、数据存储单元、采样单元、CAN通信单元以及串口通信单元。管理模块的系统结构如图2所示。

图2 管理模块系统结构

    通过人机接口(矩阵键盘单元、显示单元)，显示各充电模块工作状态的实时信息，如日发电量、光电池电压、充电电流等；且用户可方便地设置和保存充电控制参数，如浮充电压、均衡电压、温度补偿系数等。管理模块采集蓄电池电压信号经过信号调理、A／D转换送至CPU，软件程序根据蓄电池状态控制充电模块进行充电，并通过CAN总线发送充电控制命令给各充电模块。

    1.2充电模块

    充电模块内置采样单元，采集对应连接的太阳能电池板的电压及充电电流；PWM充电单元产生PWM波形对充电进行控制。充电模块的系统结构如图3所示。

图3 充电模块系统结构

    根据管理模块发送的命令，充电模块实时调整充电PwM；同时，每隔1s将自身的充电状态信息上报管理模块。

2 CAN通信协议设计

    CAN总线，即控制器局域网，与RS_485等总线相比，CAN总线支持多主工作方式，节点间不分主、从，组网简单，且CAN的信号传输采用短帧结构，信息传输速度快，通信距离最远可达10km(通信速率最高为5 kb／s)，通信速率最高可达1 Mb／s(通信距离最远为40 m)，实时性好。由于采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，故可靠性高。[page]

    在对实时性、可靠性和扩展灵活性均有较高要求的光伏发电控制系统中，应用CAN总线构建其模块化的系统结构，是比较适合的。

    CAN协议是建立在国际标准化组织的开放系统互联模型(Open system Interconnect，OSI)基础上的，其模型结构只有三层，即底层的物理层、数据链路层和应用层。在CAN 2．0中，只规定了物理层和数据链路层，没有定义应用层，需要用户根据自己需求制定应用层协议。在光伏发电控制系统中，CAN总线上传输的数据可分为以下几类：

    (1)充电状态信息。由充电模块发送给管理模块，包含充电模块工作状态，如充电方式、充电PWM频率、太阳能阵列电压、充电电流、故障信息等。此类信息数据量较大，广播频率1次／s。

    (2)充电控制参数。由管理模块广播给所有充电模块，包含了充电过程中一系列充电配置信息，如浮充电压、均衡电压、均衡时长等。当用户通过管理模块修改充电控制参数后，由管理模块发送命令，修改充电模块对应的参数。

    (3)充电控制命令。由管理模块下发给充电模块，包括投Ⅳ切出充电命令、调整充电PWM占空比命令。在未达到充满电压时，管理模块每隔10 s发送命令，让一个充电模块投入充电(充电占空比为100％)；接近充满电压时，管理模块每10 ms调整一个充电模块的充电PwM占空比。该类命令数据量较小。

    (4)紧急命令。当遇到危险情况(如蓄电池超压、充电过流)需要紧急停机时，由管理模块下发给充电模块。此种命令不定时发送，数据量较小，需要的优先级较高。

    系统中，在CAN 2．0B扩展帧格式的基础上，根据光伏发电控制系统的需求特点，制定了一个多帧传输的应用层协议。协议中，将29位信息标志符进行分配如表1所示。

表1 CAN 2．0B标志符分配方案

    协议将CAN 2．0B标准的29位标志符细分为优先级、源地址、目的地址、帧类型、帧序号5部分。当不同节点上有数据帧需要同时发送时，优先级小(标志符小)的数据帧将会被优先发送；当优先级相同时，源地址小的数据帧将会被优先发送。源地址和目的地址各占4位，定义0为全网广播地址，最多可以有15个节点，可以满足目前光伏发电控制系统的要求。帧类型定义了数据包中该数据帧的位置，可分为单帧、起始帧、中间帧和结束帧。帧序号定义了数据包中帧的序号，从0开始计算。协议中，将数据包的第一个字节作为命令字。

3 充电控制策略

    对于独立的光伏充电系统，蓄电池用于储存光伏组件产生的电能。当负载工作时，蓄电池为负载提供电能。蓄电池性能的优劣和工作的稳定性直接影响到系统的运行情况，关系到整个系统的可靠程度。一旦蓄电池失效，将造成大的系统损失。如果能够正确使用和维护蓄电池，就能够延长其使用寿命。蓄电池寿命主要受以下两个因素的影响：

    (1)环境温度。温度过高，会使电池过充电，产生气体；温度过低，会使电池充电不足。因此，需要根据当前蓄电池温度，对所设定的充电电压进行温度补偿。

    (2)充电控制方法。充电方式不当，容易使蓄电池析出气体、容量减少、工作寿命缩短。过放和过充都会对蓄电池的寿命造成很大影响。在光伏充电控制系统中，管理模块根据当前系统状态，控制充电模块进行充电。加入了温度补偿算法，可有效降低温度对蓄电池寿命的影响。常用的充电方法有恒流充电、恒压充电、三阶段充电等。恒流充电在充电后期容易析出气体，影响蓄电池的质量和寿命；恒压充电在充电前期同样会析出气体；三阶段充电方法，则避免了恒压、恒流充电时析气的缺点，且效率较高，故比较适合独立光伏发电系统。但是，独立光伏发电系统存在供电不足的问题，容易使蓄电池长时间处于欠充状态。为进一步延长蓄电池使用寿命，采用了一种优化的三阶段充电法。蓄电池三阶段充电法充电曲线如图4所示。

图4 蓄电池三阶段充电法曲线

    由图4可知，第一阶段采用恒流充电，将电池容量充到90％；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100％。停止充电；第三阶段是补充的均衡充电。当检测到蓄电池电压低于设定的恢复均衡电压阈值时，设定充电目标电压为均衡电压，达到设定的均衡时长后，转入第二阶段的浮充充电。

    新型模块化光伏充电控制系统的具体实施方案如下：为提高充电效率，当蓄电池电压与充满电压差距较大时，管理模块每隔10s发送命令，让一个充电模块投入充电(充电PWM占空比为100％)；当蓄电池接近充满电压时，为了保证蓄电池电压的平稳，防止过充或震荡对蓄电池造成损害，管理模块根据PI算法，定周期调整一个充电模块充电PwM的占空比。其软件程序流程如图5所示。[page]

图5 充电控制策略软件流程

4 系统测试

    试验总共有7个节点投入运行，包括1个管理模块和6个额定充电电流为30 A的充电模块。用6个直流恒压源代替太阳能电池板，蓄电池为额定电压48 V、容量200 Ah的铅酸蓄电池。通过管理模块设定浮充电压54．8 V，均衡电压58．6 V，均衡充电时长为30 min。在测试中，为能够投入更多的充电模块，采用40 A电子负载持续给蓄电池放电。

    通过管理模块，可实时查看充电过程中各充电模块的充电状态信息。当未达到浮充电压时，管理模块发送命令，依次切人充电模块1～6；当接近浮充电压时，管理模块依次切出充电模块3—6，开始调整充电模块2的充电PWM占空比，使蓄电池电压维持在浮充电压。通过增大电子负载电流，给蓄电池放电，使其电压低于设定的均衡充电电压阈值，此时管理模块自动设定目标充电电压为均衡电压；均衡充电完成后，自动设定充电目标电压为浮充电压。当蓄电池电压维持在浮充状态时，充电PWM信号示意图如图6所示。

图6 浮充状态充电PWM信号示意图

5 结语

    针对独立光伏发电系统中对蓄电池保护不足、充电质量、效率低下的问题，应用CAN总线构建了一种模块化独立光伏发电控制系统，实现了光伏发电系统多节点、高速、高可靠性的网络互连。多个充电模块在管理模块控制下，协同对蓄电池稳定、可靠地充电，并通过所设计的充电控制策略，增强了对蓄电池的保护。试验表明，该系统运行稳定、发电效率高，充电过程中蓄电池电压平稳，有利于延长蓄电池使用寿命。