基于CAN總線(xiàn)的微網(wǎng)控制方法研究

羅澤林

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，四川成都611130)

風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池、生物質(zhì)能等發(fā)電方式成為了不可持續(xù)性能源的有益的補(bǔ)充。為了加快可持續(xù)性能源的開(kāi)發(fā)和利用，分布式電源(DG)是有效推動(dòng)其發(fā)展的主要方式。將分布式電源系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)，一方面可以減輕大電網(wǎng)供電的壓力，為各種綠色能源提供良好的利用途徑；另一方面也可以使局部的用電不受大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高的影響，提高局部范圍用電的可靠性。

微網(wǎng)具有獨(dú)立性高、靈活性強(qiáng)、交互性完善的基本特性，是一種系統(tǒng)、高效的管理分布式電源，提升能源利用效率，提高供電可靠性，改善電能質(zhì)量的重要方式[1]。微網(wǎng)的主要工作方式有兩種，一種是孤島工作方式，另一種是并網(wǎng)工作方式，兩種工作方式相輔相成，為局部負(fù)載提供安全性好、可靠性高的供電方式。但是，分布式電源供電形式的多樣化在微網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)調(diào)度等方面的問(wèn)題，而且，微網(wǎng)本身多種形式的電源之間的功率協(xié)調(diào)與平衡等問(wèn)題也會(huì)給微網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)不小的隱患。

為了提高微網(wǎng)供電的可靠性，采取合理的措施對(duì)微網(wǎng)的能量進(jìn)行有效的管理，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率平衡和接入友好的前提條件。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

如圖1所式，微網(wǎng)主要由分布式電源、負(fù)載、控制單元及保護(hù)繼電器等單元組成。其分布式電源一般由微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、風(fēng)機(jī)、光伏電池等形式組成，由于風(fēng)能與太陽(yáng)能等綠色能源都具有波動(dòng)性與間歇性的基本特性，因此設(shè)置儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)保證電能供給的可靠性和均衡性。

圖1 微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中的儲(chǔ)能單元采用超級(jí)電容組和蓄電池并聯(lián)的復(fù)合儲(chǔ)能方式。該復(fù)合電池利用了超級(jí)電容功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，也結(jié)合了蓄電池恒流性能好的特征，可以有效地向不同類(lèi)型的負(fù)載提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電能。

微網(wǎng)的控制單元是微網(wǎng)在孤島與并網(wǎng)兩種工作模式間進(jìn)行切換的重要模塊，主要功能是對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部的電力設(shè)備及負(fù)載設(shè)備提供安全保護(hù)；對(duì)復(fù)合電池組的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤參數(shù)設(shè)定；對(duì)繼電器的動(dòng)作進(jìn)行控制等。

微網(wǎng)控制單元與其它設(shè)備之間的通信采用CAN總線(xiàn)來(lái)完成。

2 微網(wǎng)能量管理功能分析

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)場(chǎng)采集的分布式電源及其他設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效的管理和調(diào)度，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心系統(tǒng)。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的功能有：

(1)實(shí)時(shí)采集分布式電源、儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)載運(yùn)行等信息，并對(duì)信息進(jìn)行初步處理；

(2)發(fā)電預(yù)測(cè)、自動(dòng)發(fā)電控制、負(fù)荷預(yù)測(cè)功能；

(3)實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)、各分布式電源系統(tǒng)、儲(chǔ)能環(huán)節(jié)與負(fù)載之間的功率匹配；

(4)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的無(wú)縫切換。

本設(shè)計(jì)所完成的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的硬件層以ATmegal6為主控芯片，以CAN控制總線(xiàn)為主要的通信方式，在距離較遠(yuǎn)的負(fù)載端利用GRPS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號(hào)輸入，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件層基本結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計(jì)中，底層的通信方式利用了CAN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用SJA1000控制器與主控芯片相連，接受來(lái)自于主控芯片的控制命令，并將該命令通過(guò)PCA82C250CAN收發(fā)器發(fā)送至總線(xiàn)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

CAN采用符合ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型的3層結(jié)構(gòu)模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。采用雙絞線(xiàn)，通信速率最高可達(dá)到1 Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km/5 kbps[2]。CAN以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中相關(guān)的標(biāo)識(shí)符過(guò)濾報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)文的實(shí)時(shí)接收。CAN采用帶優(yōu)先級(jí)的CSMA/CD協(xié)議對(duì)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行仲裁，因此可以允許多個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，有效地保證了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。同時(shí)如圖3所示，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息都有CRC檢驗(yàn)和其他糾錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。

圖3 CAN幀格式

3 微網(wǎng)控制策略分析

微網(wǎng)的運(yùn)行分為兩種形式，一種是孤島狀態(tài)，就是切斷與大電網(wǎng)的聯(lián)系，自成一個(gè)運(yùn)行體系，體系內(nèi)負(fù)載完全由各分布式電源提供能源；一種是并網(wǎng)狀態(tài)，微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的一部分，利用逆變器與大電網(wǎng)相連接，或利用大電網(wǎng)供能，或自身能源輸送至大電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

當(dāng)微網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部功率不足的部分由大電網(wǎng)供給，而頻率的控制和電壓的調(diào)整也相應(yīng)的由大電網(wǎng)來(lái)支配，這就要求微網(wǎng)中各分布式電源的有功功率和無(wú)功功率在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行工作，因此各逆變器接受來(lái)自于ATmegal6芯片所指定的有功功率和無(wú)功功率的值，本設(shè)計(jì)使用PQ方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，具體控制方式如圖4所示。

圖4 PQ控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，各分布式電源需通過(guò)逆變器進(jìn)行有功功率、無(wú)功功率、電壓、頻率的調(diào)整，因此控制策略采用基于下垂特性的P-f和Q-V方式，具體控制方式如圖5所示。

圖5 電壓和頻率控制框圖

4 總結(jié)

本文在分析微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，并詳述了管理系統(tǒng)的硬件組成及CAN通信方式。

為了提高微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，微網(wǎng)采用了PQ控制與下垂控制相結(jié)合的方式，利用PQ控制來(lái)實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行的平穩(wěn)性，下垂控制來(lái)提高并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的平滑度。

[1] 張永健.電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動(dòng)化[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2011：3-5.

[2] 屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011：124-125.