新疆太陽能科技開發(fā)公司光電研發(fā)部 ■ 李強 修強 朱相連

0 引言

目前，我國光伏電站的自動跟蹤控制系統(tǒng)主要分為獨立控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)[1]。獨立控制系統(tǒng)具有控制精度高、可實現(xiàn)閉環(huán)控制、成本較高的特點，多用于單立柱跟蹤控制系統(tǒng)；而集中控制系統(tǒng)均采用開環(huán)控制，不能實現(xiàn)精確控制，多用于斜單軸、平單軸、多組串跟蹤控制系統(tǒng)。由此，本文提出了將獨立控制與集中控制相結(jié)合的控制策略——自動跟蹤集散控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定、精準、可控性強的特點，既能完善現(xiàn)有光伏電站自動跟蹤控制系統(tǒng)的不足，又能為將要建設自動跟蹤控制系統(tǒng)的光伏電站提供參考。

1 自動跟蹤集散控制系統(tǒng)的架構(gòu)

自2011年起，國內(nèi)自動跟蹤式光伏電站相繼投入運營，但由于存在控制系統(tǒng)整體架構(gòu)受限和前期施工等問題，導致現(xiàn)有的自動跟蹤式光伏電站存在支架失向、信號衰減等問題。針對目前自動跟蹤式光伏電站的運行狀況，本文對光伏電站的客戶端大數(shù)據(jù)監(jiān)控、總控系統(tǒng)和底層跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)進行了系統(tǒng)構(gòu)設，優(yōu)化了控制策略和通信方式。圖1為自動跟蹤集散控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 自動跟蹤集散控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

用戶通過人機界面交互平臺可以查看數(shù)據(jù)服務器內(nèi)所有支架的運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)服務器與跟蹤控制系統(tǒng)采用GPRS方式進行數(shù)據(jù)傳輸，跟蹤控制系統(tǒng)為主控系統(tǒng)，通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)給底層的若干跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)，跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，與檢測裝置讀取的數(shù)據(jù)進行比對，根據(jù)比對結(jié)果進行驅(qū)動，使跟蹤裝置實現(xiàn)停止或轉(zhuǎn)向動作。

2 自動跟蹤集散控制系統(tǒng)的原理

圖2為自動跟蹤集散控制系統(tǒng)的原理圖，該控制系統(tǒng)主要由后臺監(jiān)控系統(tǒng)PC機(也稱為“上位機”)、數(shù)據(jù)服務器、自動跟蹤控制系統(tǒng)、無線終端傳輸設備、傳感器、自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)和跟蹤裝置構(gòu)成。

整個自動跟蹤集散控制系統(tǒng)是通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)PC機在線監(jiān)控、可編程控制器進行邏輯運算，將通過天文日歷[2]計算出來的太陽方位角、高度角參數(shù)，以ZigBee無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給底層若干個自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)；自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)讀取傳感器數(shù)據(jù)，并與來自自動跟蹤控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)進行比對，當兩組數(shù)據(jù)不相等時，驅(qū)動跟蹤裝置開始執(zhí)行支架的轉(zhuǎn)向動作；同時傳感器實時讀取支架的角度狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸給自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)；然后自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)依然將讀取的傳感器數(shù)據(jù)與接收到的無線數(shù)據(jù)進行比對，當兩組數(shù)據(jù)相等時，跟蹤裝置停止本周期跟蹤動作，直到下次接收到來自動跟蹤控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)。

在該自動跟蹤集散控制系統(tǒng)中，自動跟蹤控制系統(tǒng)與自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)的功能和特點有所不同。前者主要用于復雜的數(shù)據(jù)運算和邏輯判斷，其功能主要依靠可編程控制器來實現(xiàn)；后者只是進行簡單的數(shù)據(jù)采集和邏輯判斷輸出，主要功能由單片機來實現(xiàn)。

3 通信系統(tǒng)在自動跟蹤集散控制系統(tǒng)中的應用

3.1 通信系統(tǒng)架構(gòu)

自動跟蹤集散控制系統(tǒng)在跟蹤、控制過程中，主要是進行數(shù)據(jù)采集、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳輸。鑒于光伏電站的所在地一般都較為偏僻，若采用有線數(shù)據(jù)傳輸會存在諸多缺陷，如電信號短路、斷路、衰減等問題，會為后期故障排查、維護帶來諸多麻煩，因此，在自動跟蹤集散控制系統(tǒng)中引入了ZigBee無線傳輸裝置進行數(shù)據(jù)傳輸，可彌補以往通信中存在的缺陷。圖3為通信系統(tǒng)架構(gòu)圖。

3.2 自動跟蹤控制系統(tǒng)的通信方式

自動跟蹤控制系統(tǒng)作為ZigBee無線網(wǎng)絡(見圖4)中的主節(jié)點，覆蓋該片區(qū)內(nèi)的多個子節(jié)點，進行固定地址的數(shù)據(jù)通信。將自動跟蹤控制系統(tǒng)計算的角度參數(shù)發(fā)送給底層的若干ZigBee無線收發(fā)單元，然后ZigBee無線收發(fā)單元將數(shù)據(jù)傳輸給自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)。

圖4 ZigBee無線組網(wǎng)圖

3.3 自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)的通信方式

以往大規(guī)模光伏電站的自動跟蹤項目都是以開環(huán)控制為主，自動跟蹤支架的狀態(tài)、朝向不能得到及時反饋，存在控制精度低、故障率高的問題；而且由1臺控制器同時控制1 MW以上的光伏陣列，當出現(xiàn)控制器故障或信號傳輸中斷時，整個片區(qū)的自動跟蹤支架均處于失向狀態(tài)。因此，亟需研發(fā)出一種性能穩(wěn)定的自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)，其應具備可控制性高、模塊化強、施工布線少的特點，在規(guī)避以往控制缺陷的同時，可實現(xiàn)相對的閉環(huán)控制功能，能夠很好的兼容目前已投入運營的光伏自動跟蹤項目所搭設的控制系統(tǒng)。

本文提到的自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)是采用基于CC2430芯片的ZigBee無線傳輸技術(shù)[3]進行數(shù)據(jù)的傳輸與采集，該技術(shù)依據(jù)IEEE 802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 Hz，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢。該自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)是以典型的8051微處理器為內(nèi)核的無線單片機，其CC2430芯片的電路原理圖如圖5所示。

圖5 CC2430芯片電路原理圖

CC2430芯片的尺寸為7 mm×7 mm，集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。該芯片使用1個8位MCU(8051)，具有32/64/128 kB可編程閃存和8 kB的隨機存取存儲器，還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4個定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路及21個可編程I/O引腳[4]，可滿足自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)的需求。

4 問題分析與解決

4.1 采用開環(huán)控制的斜單軸自動跟蹤控制系統(tǒng)的應用調(diào)研

2015年11月中旬，筆者對采用開環(huán)控制的斜單軸自動跟蹤控制系統(tǒng)的新疆某光伏電站進行了實地調(diào)研。該光伏電站位于鄯善縣西北方向約20 km處，為戈壁地貌，四周較為空曠。此次現(xiàn)場調(diào)研與上次調(diào)研時隔一年。調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，采用該控制系統(tǒng)的斜單軸的運行效果與去年相比較差，跟蹤失向的支架數(shù)量較多，故障以傳動失效為主。目前主要的解決方式是更換驅(qū)動電機或減速機。截至2018年底，該光伏電站已運行6年，減速機效率降低導致的故障問題呈逐年遞增的趨勢，已成為采用開環(huán)控制的斜單軸自動跟蹤系統(tǒng)的光伏電站業(yè)主長期以來需要解決的問題。

圖6 光伏陣列維護圖

4.2 問題分析與對策

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)可知，首批已運營的采用開環(huán)控制的自動跟蹤式光伏電站，在運行2～3年后，由于電站所在位置的地理環(huán)境惡劣，高溫、風沙、浮沉天氣居多，導致減速機磨損失效，使得以天文日歷開環(huán)控制的跟蹤系統(tǒng)的弊端頻繁暴露。這主要是由于以天文日歷計算跟蹤控制的方法是將太陽的方位角變化參數(shù)轉(zhuǎn)化成支架驅(qū)動電機上電時間的周期，該數(shù)據(jù)是通過電機轉(zhuǎn)速和減速機比計算獲得。當減速機由于磨損失效后，實際的驅(qū)動時間不能使支架的姿態(tài)調(diào)整到預期的方位。較長時間的誤差積累，使整個自動跟蹤式光伏電站的支架朝向有很大差異。由于每個跟蹤支架的減速機磨損程度不同，導致整個自動跟蹤式光伏電站的跟蹤支架千姿百態(tài)。而更換減速機、驅(qū)動齒輪等，從根本上杜絕不了此類問題的發(fā)生。

鑒于上述問題，光伏電站可采用自動跟蹤集散控制系統(tǒng)進行控制，通過安裝在支架上的角度傳感器讀取目前支架的狀態(tài)，同自動跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)送的無線數(shù)據(jù)進行比對，進行選擇性的停止或轉(zhuǎn)向控制。在這種情況下，即使減速機失效，從根本上也不會影響支架的姿態(tài)調(diào)整，只會延緩支架二次調(diào)整姿態(tài)的時間周期，并且能從根本上解決現(xiàn)有的自動跟蹤控制系統(tǒng)減速機大規(guī)模失效的問題。

由于光伏電站多規(guī)劃或建設在大面積的閑置用地、荒灘、戈壁、山地等地，考慮到ZigBee無線通信技術(shù)在衍射能力、穿透能力及傳輸有效覆蓋范圍方面還有所局限，應在前期規(guī)劃設計時根據(jù)地貌、高差、有無遮擋等情況合理布置ZigBee主節(jié)點，使ZigBee無線信號覆蓋每一臺跟蹤支架。同時，充分結(jié)合后期調(diào)試及試運行過程，對ZigBee主節(jié)點進行調(diào)整與增加，以確保每一臺跟蹤支架的良好運行。

5 總結(jié)

光伏自動跟蹤集散控制系統(tǒng)基于成熟的ZigBee無線通信技術(shù)，可對自動跟蹤式光伏電站進行大規(guī)模自動跟蹤控制。鑒于一般MW級并網(wǎng)光伏電站所處地理位置以荒灘、戈壁地貌為主，四周空曠無遮擋物，利用無線通信技術(shù)進行控制具備一定的可行性，可節(jié)約前期大量的施工布線和后期系統(tǒng)維護的工作量。光伏自動跟蹤集散控制系統(tǒng)利用底層光伏跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)閉環(huán)控制策略，從根源上解決了由于大規(guī)模減速機失效導致的自動跟蹤支架集中失向的并發(fā)性問題。