孫 婷,趙子涵,趙永彬

(1.南京國(guó)電南自新能源工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000;2.南京市金陵中學(xué),江蘇 南京 210005)

0 引言

太陽(yáng)電池板有多種安裝方式。工程上使用何種安裝方式,決定了項(xiàng)目的投資、收益以及后期的運(yùn)行、維護(hù)。實(shí)際工程采用的安裝方式主要包括:固定安裝、單軸跟蹤(平軸、斜軸)、雙軸跟蹤[1]。固定安裝方式是將太陽(yáng)電池方陣按照固定的對(duì)地角度和方向安裝。單軸跟蹤安裝方式是將太陽(yáng)電池板安裝在1 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上,運(yùn)行時(shí)方陣只能跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行的方位角或者高度角中的1 個(gè)方向。雙軸跟蹤太陽(yáng)電池方陣沿著兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng),能夠同時(shí)跟蹤太陽(yáng)的方位角與高度角的變化。理論上,雙軸跟蹤可以完全跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡,以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光線始終垂直于光伏電池板平面。

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能良好工作的前提是準(zhǔn)確得到太陽(yáng)光位置。目前,常用的2 種跟蹤方式是光電跟蹤和視日跟蹤。光電跟蹤是利用傳感器采集的信息實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)光的位置。視日跟蹤是根據(jù)光伏電站所在的位置,通過天文學(xué)計(jì)算方法得到該位置不同時(shí)間太陽(yáng)光的方位角和高度角,進(jìn)而參與整個(gè)系統(tǒng)的控制。

本文設(shè)計(jì)了光電跟蹤和視日跟蹤[2-3]相結(jié)合的雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。首先,給出了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路;其次,給出了硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件算法程序的實(shí)現(xiàn)方法;最后,選取某個(gè)工程,將工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與PVsyst 軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明:該自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤效果良好,與預(yù)期結(jié)果一致。與固定安裝相比,雙軸跟蹤方式可將光伏發(fā)電量提升30%以上,有效提高了太陽(yáng)能的利用率,具有很好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的研究對(duì)象是新型光伏電池板雙軸跟蹤系統(tǒng)[4-5]。其系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system appearance structure

圖1 中:電機(jī)1 控制電池板的水平方向(東、西方向)轉(zhuǎn)動(dòng),跟蹤太陽(yáng)光的方位角;電機(jī)2 控制光伏電池板垂直方向(南、北方向)轉(zhuǎn)動(dòng),跟蹤太陽(yáng)光的高度角,最終使得電池板平面與太陽(yáng)光實(shí)時(shí)保持垂直,提升光伏電站的發(fā)電量。該雙軸跟蹤支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、巧妙,具有控制靈活、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

雙軸跟蹤裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。該設(shè)計(jì)采用視日跟蹤粗調(diào)與光電跟蹤微調(diào)相結(jié)合的控制方式。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Design principle of control system

在系統(tǒng)開始工作時(shí),首先根據(jù)所在地的經(jīng)緯度、實(shí)時(shí)時(shí)間,得到預(yù)先存儲(chǔ)在系統(tǒng)的太陽(yáng)光初始高度角γ0及方位角τ0。該數(shù)據(jù)值由天文算法[1,6]計(jì)算得到:

式中:γ0為太陽(yáng)光初始高度角;τ0為太陽(yáng)光初始方位角;φ為系統(tǒng)所在位置的緯度;δ為系統(tǒng)所在位置的經(jīng)度;ω為太陽(yáng)時(shí)角。

初始高度角和方位角作為系統(tǒng)控制策略的前饋量值,可以快速輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的脈沖控制信號(hào),使光伏電池板到達(dá)理想位置附近,完成系統(tǒng)的初步跟蹤。但由于天氣、地面坡度等情況不同,系統(tǒng)跟蹤結(jié)果存在一定的偏差。

緊接著,控制系統(tǒng)比較在光伏電池板不同位置和方向上布置的4 個(gè)光電傳感器模擬量值大小關(guān)系,對(duì)高度角和方位角作進(jìn)一步微調(diào)。通過比較方位角給定值與反饋值的大小關(guān)系,產(chǎn)生電機(jī)1 的脈沖控制信號(hào),控制電機(jī)1 轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過比較南北方向上的2 個(gè)模擬量值大小關(guān)系,比較高度角給定值與反饋值的大小關(guān)系,產(chǎn)生電機(jī)2 的脈沖控制信號(hào),控制電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速,直至誤差范圍在要求的范圍之內(nèi)。這表明電機(jī)到達(dá)理想的位置即停止轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了跟蹤系統(tǒng)的進(jìn)一步精確調(diào)整,從而保證了整個(gè)光伏電池板在每個(gè)時(shí)刻都能獲得最大的光照。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文提出的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。該電路包括電源板、模擬信號(hào)處理板、控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板[6-7]等。核心控制部分采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)實(shí)現(xiàn)[7-8]。相比傳統(tǒng)采用單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式,FPGA 是并行運(yùn)行的,程序運(yùn)行速度更快、更靈活,且可通過在程序中嵌入軟核系統(tǒng),使程序設(shè)計(jì)更加方便。整個(gè)系統(tǒng)因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hardware circuit

2.1 電源電路

電源電路原理如圖4 所示。

圖4 電源電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of power supply circuit

整個(gè)雙軸跟蹤系統(tǒng)的電源采用直流供電,同時(shí)檢測(cè)逆變器交流并網(wǎng)側(cè)電源。當(dāng)交流側(cè)失電時(shí),轉(zhuǎn)軸不執(zhí)行任何操作;當(dāng)交流側(cè)滿足條件時(shí),轉(zhuǎn)軸啟動(dòng)。直流電源從光伏組串輸出的直流側(cè)取電,利用直流轉(zhuǎn)直流(direct current to direct current,DC/DC)變換電路得到整個(gè)控制系統(tǒng)所需的各電壓等級(jí)的電源。DC/DC 變換電路輸入電壓的范圍是200～1 000 V。整個(gè)電路主要包括直流輸入濾波保護(hù)電路、電源芯片及外圍保護(hù)電路、脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、高頻變壓器、輸出電壓采樣保護(hù)電路、輸出穩(wěn)壓電路等。電源芯片采用UCC28C44,整個(gè)電路的輸出電源有+24 V、±15 V 和+5 V。

2.2 模擬量信號(hào)處理電路

模擬量信號(hào)處理電路原理如圖5 所示。

圖5 模擬量信號(hào)處理電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of analog signal processing circuit

光電傳感器模擬量輸出的電流信號(hào)4～20 mA,輸出電壓范圍0～10 V。為了增加整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性,在外部輸入信號(hào)和信號(hào)處理電路之間增加隔離電路。隔離芯片采用ISO124,再經(jīng)跟隨、放大電路處理后輸入到A/D 芯片。運(yùn)放采用LF353。它具有輸入電壓范圍寬、輸入阻抗大、線性工作等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 控制板

控制板以FPGA 芯片為核心。FPGA 完成整個(gè)系統(tǒng)算法的邏輯實(shí)現(xiàn),包括控制外部A/D 芯片的工作與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)讀取,以及產(chǎn)生電機(jī)脈沖控制信號(hào)等。FPGA 芯片采用CycloneII 系列EP2C8Q208,工作頻率為50 MHz。A/D 芯片采用AD7656,16 位A/D,轉(zhuǎn)換電壓范圍為-10～+10 V,轉(zhuǎn)換率最高為800 kS/s,可實(shí)現(xiàn)對(duì)6 路模擬量信號(hào)的同步轉(zhuǎn)換。存儲(chǔ)芯片采用24LCO4B,低功耗,采用I2C 通信協(xié)議,存儲(chǔ)空間2×256 B,用于存放預(yù)先計(jì)算的方位角和高度角值。定時(shí)芯片采用DS3231SN,用于系統(tǒng)定時(shí)。FPGA 控制器根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘,從存儲(chǔ)芯片中讀取數(shù)據(jù)。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

由FPGA 控制器控制產(chǎn)生2 個(gè)電機(jī)所需的脈沖信號(hào),但該脈沖信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本方案采用CONCEPT 公司一體化驅(qū)動(dòng)核2SC0108T。該驅(qū)動(dòng)核可以實(shí)現(xiàn)3 路PWM 信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換,得到相反的2 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平為+15 V,低電平為-8 V。

電機(jī)的供電回路如圖6 所示。該供電回路采用三相全橋電路結(jié)構(gòu)。2 個(gè)方向的電機(jī)可以采用同一個(gè)供電電路和驅(qū)動(dòng)電路;通過控制接觸器KM1和KM2的通斷,選擇其中的1 個(gè)電機(jī)工作;通過A、B、C 三相之間的相位關(guān)系,控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn);通過脈沖信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速;通過脈沖信號(hào)的有效時(shí)間,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角值。

圖6 供電回路示意圖Fig.6 Power supply circuit

3 軟件算法設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)是基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的[9-11],采用系統(tǒng)嵌軟核和Verilog HDL 共同完成。程序功能設(shè)計(jì)主要包括兩大部分:一是控制外部A/D 采樣轉(zhuǎn)換,完成對(duì)光電傳感器模擬量信號(hào)的采集;二是基于比例積分(proportional integral,PI)控制算法和預(yù)先存儲(chǔ)的前饋量值計(jì)算太陽(yáng)光的最終高度角和方位角,控制脈沖產(chǎn)生模塊,進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的脈沖控制信號(hào)。

3.1 A/D 采樣程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)由FPGA 實(shí)現(xiàn)A/D 采樣,基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)思路完成A/D 采樣程序的設(shè)計(jì),產(chǎn)生A/D 芯片工作所需的CONVST、/CS、/RD 信號(hào),并在/RD 上升沿讀取轉(zhuǎn)換后的16 位數(shù)據(jù)?；跔顟B(tài)機(jī)的A/D 采樣流程如圖7 所示。

圖7 基于狀態(tài)機(jī)的A/D 采樣流程圖Fig.7 Flowchart of A/D sampling based on state machine

3.2 控制策略

本文根據(jù)A/D 采樣程序得到各光電傳感器的數(shù)字量信號(hào),基于PI 控制器和前饋量相疊加的算法得到太陽(yáng)光的方位角和高度角值,并以此作為脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊的輸入量值,產(chǎn)生響應(yīng)的脈沖信號(hào),進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。本文給出的高度角和方位角計(jì)算如圖8所示。

圖8 高度角和方位角計(jì)算示意圖Fig.8 Calculation diagram of altitude angle and azimuth angle

脈沖控制信號(hào)控制策略如圖9 所示。

圖9 脈沖控制信號(hào)控制策略示意圖Fig.9 Schematic diagram of pulse signal control strategy

首先,利用太陽(yáng)光的方位角和高度角作為給定值,計(jì)算得到光伏電池板的高度角和方位角的給定值。然后,利用角度檢測(cè)電位器檢測(cè)光伏電池板的實(shí)際高度角和方位角作為反饋。當(dāng)兩者誤差值在誤差要求范圍內(nèi)時(shí),輸出使能信號(hào)為低,無脈沖信號(hào)輸出,不進(jìn)行任何方向的調(diào)整;若誤差范圍超出要求范圍,為正誤差時(shí)輸出正序的3 個(gè)調(diào)制波信號(hào),為負(fù)誤差時(shí)輸出負(fù)序的3 個(gè)調(diào)制波信號(hào)。最后,與三角波信號(hào)比較產(chǎn)生PWM信號(hào),通過控制開關(guān)器件的通斷,控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度。南北方向的電機(jī)控制邏輯同東西方向相同,控制光伏電池板與太陽(yáng)光始終保持垂直。

4 仿真與實(shí)測(cè)分析

4.1 仿真設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的有效性,以新疆某地區(qū)的光伏項(xiàng)目為例,利用PVsyst 軟件分別對(duì)采用固定支架和雙軸跟蹤方式的電池板接收到的太陽(yáng)輻射值進(jìn)行仿真[12]。將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn),得到基于PVsyst 仿真的2 種支架跟蹤方式電池板輻照度曲線對(duì)比圖,如圖10 所示。固定支架不考慮組件之間的遮擋,支架傾角為38°。

圖10 基于PVsyst 仿真的輻照度曲線對(duì)比圖Fig.10 Comparison of irradiance curves based on Pvsyst simulation

4.2 實(shí)測(cè)分析

將本文設(shè)計(jì)控制方案應(yīng)用到新疆某工程項(xiàng)目中。為了方便測(cè)試和對(duì)比,本文直接采用逆變器不同時(shí)刻的并網(wǎng)功率值近似為光伏電池板的功率輸出,即等效為接收到的太陽(yáng)輻照度值。該逆變器額定功率為136 kW。其中一臺(tái)逆變器對(duì)應(yīng)采用固定支架的光伏電池板,另一臺(tái)逆變器對(duì)應(yīng)采用雙軸跟蹤系統(tǒng)的光伏電池板。觀察后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),得到這2 臺(tái)逆變器的功率數(shù)據(jù)值。實(shí)際工程采用雙軸跟蹤系統(tǒng)與固定支架的光伏逆變器并網(wǎng)功率值曲線如圖11 所示。

圖11 光伏逆變器并網(wǎng)功率值曲線Fig.11 Grid connected power value curve of PV inverter

分析圖10 和圖11,均可利用2 條曲線下的面積之比代表相應(yīng)發(fā)電量之比。由此可以發(fā)現(xiàn),采用雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)所包圍的面積均大于固定支架方式,超出比例值分別為31.2%和31.6%,均超出30%以上,且兩者的仿真結(jié)果一致。因此,采用雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以提高發(fā)電量達(dá)30%以上。

5 結(jié)論

本文給出了一種基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA 作為控制核心,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。首先,采用粗調(diào)和微調(diào)相結(jié)合,可以快速、準(zhǔn)確定位太陽(yáng)光的位置。然后,利用數(shù)字邏輯判斷得到各電機(jī)供電回路的脈沖信號(hào)。最后,提出采用工作過程分時(shí)控制,減少了硬件電路,降低了成本。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與PVsyst 仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方式相比固定支架方式,可提升發(fā)電量達(dá)到30%以上,適合進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。