太陽能塔式熱發電系統定日鏡控制

方茂成，王 平

(中國科學院電工研究所，北京100190)

0 引 言

在太陽能塔式熱發電系統中，定日鏡是將太陽光反射到反射塔上的裝置，是塔式熱發電系統最關鍵的部件，定日鏡性能是影響太陽能電站發電能力的重要因素，也是制約塔式電站容量的關鍵因素。由于定日鏡距反射塔較遠，因此要求其具備很高的精度。本系統通過將太陽運行軌跡的計算算法融入永磁同步電動機的伺服位置控制器中實現對太陽位置的實時跟蹤，通過精確調節定日鏡位置跟蹤精度獲得最大的太陽光輻照利用效率。

1 定日鏡控制系統結構

圖1為定日鏡控制系統結構示意圖。塔式熱發電站的定日鏡控制系統以工控機作為上位機，通過PLC與Profibus現場工業控制總線連接。電機驅動部分主要由主控部分和功率驅動部分組成，實現與Profibus通訊以及驅動電機的功能。由圖1可見，驅動電機即控制定日鏡頂點角與方位角兩個方向的電機，定日鏡連接在金屬桿件基材上，傳動方式等多采用齒輪減速。

圖1 定日鏡控制系統結構示意圖

2 定日鏡控制策略

根據太陽能塔式熱發電系統當前所處的位置數據，包括時間、經度、緯度、年平均氣壓、海拔、年平均溫度等數據，通過太陽運行位置計算算法精確計算出當前太陽所處位置的頂點角與方位角，作為電機驅動部分的輸入，以控制電機A、B，從而達到定日鏡精確、快速跟蹤太陽位置，實現最大效率地利用太陽光輻射利用效率。

本系統對電機的控制采用基于空間電壓矢量(SVPWM)的磁場定向控制，對電機位置、定子電流、母線電壓進行實時跟蹤檢測，電流環、位置環、速度環的調節均采用PI調節器。

2 硬件設計

圖2為定日鏡數字控制系統結構示意圖。

圖2 定日鏡控制系統結構示意圖

從圖2可以看出，該數字控制系統的硬件部分包括TMS320F28335數字信號處理器控制、IPM功率模塊、永磁同步電機、光電編碼器、整流電路、電流傳感器等，SPC3協議芯片用于實現Profibus協議與工控機通訊。

2.1 主控部分

主控部分的核心器件為TMS320F28335數字信號處理器，通過SPC3協議芯片與上位機通訊，完成時鐘校準、主控部分狀態檢測等功能;通過SUN位置算法得出當前太陽位置的頂點角與方位角，作為EPWM模塊的參數輸入，由EPWM模塊產生共2組6路帶死區控制的SVPWM信號控制電機A、B;EQEP模塊接收來自光電編碼器的正交編碼信號，實時檢測電機位置信息;A/D模塊對來自電流傳感器的信號進行模數轉換，實時檢測電機定子電流。

2.2 功率驅動部分

為實現與主控部分隔離，避免電磁干擾，功率驅動部分包括與主控部分獨立的整流濾波模塊、逆變模塊、開關電源模塊，還包括電機定子電流檢測模塊，電機位置檢測模塊等。

整流濾波模塊對380 V三相正弦電壓進行整流濾波后得到513 V直流電壓，作為IPM單元的直流母線電壓。

開關電源模塊提供給整個功率驅動部分需要的±15 V、+5 V直流電壓。

電流傳感器選用LEM公司的LA100－P，變流比為1∶2 000，具有優良的線性與精度，輸出的電流信號經外圍電路轉換為電壓信號傳輸至主控部分處理。

電機位置檢測選用的光電編碼器為NEMICON公司的Encoder SBY－25型編碼器，AB相每轉各輸出2 500個矩形脈沖，Z相為清零脈沖，每轉輸出一個脈沖，可用于清除累積誤差，UVW相輸出電機轉子初始位置所處扇區，便于檢測轉子所處初始位置及便于同步電機起動處理。

逆變模塊選用的IPM單元為三菱公司的PM50RLA120，額定功率為5.5 kW。SVPWM信號需經過光耦隔離后輸入IPM模塊，產生的逆變信號用于驅動電機A、B。該IPM單元具有短路、欠壓、過溫等一系列保護功能，由P－FO引腳輸出反饋給主控部分。

3 軟件設計

該控制系統的軟件流程圖如圖3所示。主程序主要完成相關寄存器設定、中斷設定、參數初始化的工作，完成后執行循環等待程序，并等待中斷事件的發生。中斷事件發生后由DSP響應中斷事件，處理完畢后，中斷返回，程序繼續進入循環等待狀態。

圖3 主程序及中斷服務子程序流程圖

本系統涉及的中斷服務程序有兩個:EPWM溢出中斷和光電編碼器Z脈沖中斷。其中EPWM溢出中斷為主要中斷，控制定日鏡兩個方向的電機。Z脈沖中斷完成對脈沖計數器清零，校驗脈沖計數器等功能。

4 仿真結果

圖4是在Matlab 6.5及Simulink 5.0環境下建立的永磁同步電機A仿真模型圖。其中，速度調節器參數:PI調節、比例因子為20，積分因子為2.6，輸出范圍限制為［100 rad/s，－100 rad/s］;電流調節器參數:PI調節器，比例因子為50，積分因子為2.6，輸出范圍限制為［30 A，－30 A］;永磁同步電動機A參數:定子電阻rs=2.875 Ω、轉動慣量J=8×10－3kg·m2、定子電感 Ld=Lq=0.008 5 H、轉子磁鏈 ψf=0.175 Wb、極對數 pm=4。

圖4 永磁同步電機A仿真模型圖

負載TL=5 N·m時的仿真波形如圖5～圖7所示。

5 結 語

太陽能塔式熱發電系統中，對定日鏡的快速、精確控制直接影響整個系統的效率。本文使用TI公司推出的新一代電機控制專用數字信號處理芯片TMS320F28335，其強大的浮點運算能力與增強型外圍接口電路，能夠很好地滿足系統的要求，并且使系統開發過程更加方便、高效，是一種比較理想的控制方法。