基于CAN總線的微網控制方法研究

羅澤林

(成都農業科技職業學院，四川成都611130)

風能、太陽能、燃料電池、生物質能等發電方式成為了不可持續性能源的有益的補充。為了加快可持續性能源的開發和利用，分布式電源(DG)是有效推動其發展的主要方式。將分布式電源系統以微網的形式接入大電網，一方面可以減輕大電網供電的壓力，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結構復雜，故障率高的影響，提高局部范圍用電的可靠性。

微網具有獨立性高、靈活性強、交互性完善的基本特性，是一種系統、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，改善電能質量的重要方式[1]。微網的主要工作方式有兩種，一種是孤島工作方式，另一種是并網工作方式，兩種工作方式相輔相成，為局部負載提供安全性好、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與大電網并聯運行時會給電力系統帶來可靠性、穩定性和實時調度等方面的問題，而且，微網本身多種形式的電源之間的功率協調與平衡等問題也會給微網的運行帶來不小的隱患。

為了提高微網供電的可靠性，采取合理的措施對微網的能量進行有效的管理，是實現電網功率平衡和接入友好的前提條件。

1 微網結構分析

如圖1所式，微網主要由分布式電源、負載、控制單元及保護繼電器等單元組成。其分布式電源一般由微型燃氣輪機、燃料電池、風機、光伏電池等形式組成，由于風能與太陽能等綠色能源都具有波動性與間歇性的基本特性，因此設置儲能環節來保證電能供給的可靠性和均衡性。

圖1 微網基本結構

本設計中的儲能單元采用超級電容組和蓄電池并聯的復合儲能方式。該復合電池利用了超級電容功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬的優點，也結合了蓄電池恒流性能好的特征，可以有效地向不同類型的負載提供可靠、優質的電能。

微網的控制單元是微網在孤島與并網兩種工作模式間進行切換的重要模塊，主要功能是對微網內部的電力設備及負載設備提供安全保護；對復合電池組的運行狀況進行監控；對太陽能發電系統及風能發電系統進行最大功率點跟蹤參數設定；對繼電器的動作進行控制等。

微網控制單元與其它設備之間的通信采用CAN總線來完成。

2 微網能量管理功能分析

微網能量管理系統是以嵌入式系統為基礎，以現場采集的分布式電源及其他設備的實時運行數據為依據，對微電網的運行過程進行有效的管理和調度，保障電力系統穩定運行的核心系統。

微網能量管理系統的功能有：

(1)實時采集分布式電源、儲能環節、大電網運行狀態、負載運行等信息，并對信息進行初步處理；

(2)發電預測、自動發電控制、負荷預測功能；

(3)實現大電網、各分布式電源系統、儲能環節與負載之間的功率匹配；

(4)實現監測狀態下微網運行狀態的無縫切換。

本設計所完成的微電網能量管理系統的硬件層以ATmegal6為主控芯片，以CAN控制總線為主要的通信方式，在距離較遠的負載端利用GRPS模塊實現遠程信號輸入，基本結構如圖2所示。

圖2 硬件層基本結構

在本設計中，底層的通信方式利用了CAN總線結構，利用SJA1000控制器與主控芯片相連，接受來自于主控芯片的控制命令，并將該命令通過PCA82C250CAN收發器發送至總線中，以實現對設備的控制。

CAN采用符合ISO/OSI網絡標準模型的3層結構模型：物理層、數據鏈路層與應用層。采用雙絞線，通信速率最高可達到1 Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10 km/5 kbps[2]。CAN以全網廣播為基礎，各接收站根據報文中相關的標識符過濾報文，從而實現報文的實時接收。CAN采用帶優先級的CSMA/CD協議對總線上的數據沖突進行仲裁，因此可以允許多個數據監測點同時發送數據，有效地保證了數據處理的實時性。同時如圖3所示，CAN采用短幀結構，每幀信息都有CRC檢驗和其他糾錯措施，保證了數據傳輸的誤碼率。

圖3 CAN幀格式

3 微網控制策略分析

微網的運行分為兩種形式，一種是孤島狀態，就是切斷與大電網的聯系，自成一個運行體系，體系內負載完全由各分布式電源提供能源；一種是并網狀態，微電網作為大電網的一部分，利用逆變器與大電網相連接，或利用大電網供能，或自身能源輸送至大電網中，實現并網發電。

當微網處于并網狀態時，其內部功率不足的部分由大電網供給，而頻率的控制和電壓的調整也相應的由大電網來支配，這就要求微網中各分布式電源的有功功率和無功功率在一定的范圍內進行工作，因此各逆變器接受來自于ATmegal6芯片所指定的有功功率和無功功率的值，本設計使用PQ方法來實現控制，具體控制方式如圖4所示。

圖4 PQ控制結構

當微網處于孤島運行狀態時，各分布式電源需通過逆變器進行有功功率、無功功率、電壓、頻率的調整，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

本文在分析微網結構的基礎上，設計了微網能量管理系統，并詳述了管理系統的硬件組成及CAN通信方式。

為了提高微網運行的穩定性和可靠性，微網采用了PQ控制與下垂控制相結合的方式，利用PQ控制來實現孤島運行的平穩性，下垂控制來提高并網運行時的平滑度。

[1] 張永健.電網監控與調度自動化[M]．北京：中國電力出版社，2011：3-5.

[2] 屈軍鎖.物聯網通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2011：124-125.