時(shí)繼潮 溫承鵬 曹 睿 吳陽(yáng)明

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院 大連 116028）

1 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，不可再生能源在地球上的儲(chǔ)量越來(lái)越少，因此，像太陽(yáng)能這樣的可再生清潔能源越來(lái)越受到人們的重視。隨著人們對(duì)太陽(yáng)能這一清潔能源使用量的增加，如何在同等投入下獲取更多的太陽(yáng)能成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)［1］。

本設(shè)計(jì)正是針對(duì)現(xiàn)有太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備自身存在的種種不足，加入反饋調(diào)節(jié)、對(duì)比較正等相關(guān)算法，使設(shè)備對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，最大程度地保證對(duì)太陽(yáng)能的采集與利用［2］。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

此光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由主控制器、光照傳感器、位置傳感器、步進(jìn)電機(jī)、太陽(yáng)能接收板組成。

步進(jìn)電機(jī)一共有兩個(gè)，一個(gè)橫向放置，一個(gè)豎直放置，兩者間通過(guò)支架連接，起支撐和旋轉(zhuǎn)作用，太陽(yáng)能接收板固定在與步進(jìn)電機(jī)相連的支架上，光照傳感器固定在太陽(yáng)能接收板邊上，與太陽(yáng)能接收板垂直［3］。

主控制器主要由ARM芯片組成，光照傳感器通過(guò)對(duì)東、西、南、北四個(gè)方位的光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，將采集到的光照這一模擬量發(fā)送給主控制器，主控制器將這四路模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將光照這一模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過(guò)加入比較優(yōu)化算法將采集量進(jìn)行對(duì)比分析，將最終結(jié)果反饋給步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，加上方位傳感器對(duì)方位角的實(shí)時(shí)比對(duì)，使太陽(yáng)能電池板實(shí)時(shí)正向太陽(yáng)［4］。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，豎直放置的步進(jìn)電機(jī)主要控制左右方位，水平放置的步進(jìn)電機(jī)主要控制上下方位，最終加上方位傳感器的微調(diào)，使太陽(yáng)能接收板實(shí)時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，從而獲取最大的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率［5］。

3 系統(tǒng)的控制策略分析

自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。其由許多不同的功能部分組成。在本系統(tǒng)中，主要應(yīng)用閉環(huán)控制方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以達(dá)到最佳接收效果［6］。

3.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

閉環(huán)控制與常見(jiàn)的開(kāi)環(huán)控制不同之處在于閉環(huán)控制中裝置與被控對(duì)象之間不僅有正向作用，還有反向的自動(dòng)反饋?zhàn)饔?，其能將被控系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋比對(duì)，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制［7］。閉環(huán)控制更多的是反映自然界中客觀事物控制自身運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，其往往能實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜且精度要求較高的控制，對(duì)降低控制誤差有著顯著的作用［8］。

閉環(huán)控制示意圖如圖2所示。

由圖2可以看出，閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不斷地被反饋到輸入端，與輸入量進(jìn)行比對(duì)，將對(duì)比結(jié)果傳遞給控制器，從而對(duì)被控對(duì)象執(zhí)行相應(yīng)操作，使輸出效果達(dá)到最優(yōu)［9］。

3.2 改進(jìn)控制系統(tǒng)原理

由于考慮到系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的采集精度要求較高，因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，增加了校正環(huán)節(jié)，這就使得系統(tǒng)整體性能更加穩(wěn)定［10］。通過(guò)Matlab對(duì)相關(guān)控制算法中的閉環(huán)處理過(guò)程進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)系統(tǒng)的控制仿真圖

由圖3中所標(biāo)出的關(guān)鍵點(diǎn)可以看出，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)在相位裕度和幅值裕度均好于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，尤其增益裕度的改變，這就使得控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，更小的超調(diào)和誤差，滿足系統(tǒng)對(duì)光照采集高精度的要求［11］。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源模塊、控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光照傳感器模塊及方位傳感器模塊5部分［12］。

由于系統(tǒng)的低功耗與自身可發(fā)電的特點(diǎn)，電源模塊采用可充電蓄電池作為系統(tǒng)總供電源進(jìn)行供電，經(jīng)電路中多重濾波整合后，其為整個(gè)系統(tǒng)提供了持續(xù)穩(wěn)定的電源輸出；控制器模塊以ST公司的STM32F103芯片為核心，其具有低功耗、高性能、易開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊模塊主要由主控芯片STM32F103控制，是調(diào)解整個(gè)系統(tǒng)方位的重要方式；光照傳感器模塊及方位傳感器模塊也是由主控芯片進(jìn)行控制，主要講采集到的信息和反饋信息發(fā)送給主控制器，主控制器對(duì)所接收到的這一信息進(jìn)行處理后控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)方位調(diào)整，使太陽(yáng)能的利用效率達(dá)到最佳［13］。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體硬件電路圖如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體硬件電路

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，由于在進(jìn)入光電跟蹤控制模式之前，視日跟蹤控制環(huán)節(jié)已經(jīng)采樣信號(hào)計(jì)算了偏差，所以進(jìn)入光電控制模式后，實(shí)時(shí)太陽(yáng)位置與實(shí)際太陽(yáng)位置偏差值作為輸入的偏差信號(hào)啟動(dòng)光電跟蹤控制系統(tǒng)［14］。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)軟件流程圖

由圖5可以得知，系統(tǒng)初始化后，首先對(duì)偏差量進(jìn)行采集，然后啟動(dòng)閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，將比對(duì)結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)控制電機(jī)做出相應(yīng)調(diào)整，不斷反饋不斷修正，使最終采集效果達(dá)到最優(yōu)［15］。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能和其它不可再生能源相比有著環(huán)保、可重復(fù)使用、使用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展太陽(yáng)能等清潔可再生能源迎合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，是未來(lái)科技發(fā)展的重要方向［16］。

同時(shí)，此系統(tǒng)還具有轉(zhuǎn)化效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、便于攜帶使用等優(yōu)勢(shì)，只要有太陽(yáng)、需要用電的地方都可以很好地被利用，現(xiàn)在已經(jīng)完成實(shí)物的研發(fā)和測(cè)試，性能穩(wěn)定，具有廣闊的商業(yè)價(jià)值和應(yīng)用前景。