基于CAN总线的模块化独立光伏发电控制系统

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。