基于永磁同步電機的太陽能跟蹤系統研究

潘三博，郝夏斐

PAN San-bo1,HAO Xia-fei2

（1. 上海交通大學，上海 200240；2. 安陽師范學院，安陽 455002）

0 引言

隨著可再生能源在節能減排、應對氣候變化中起著越來越重要的作用，提高對太陽能的利用率成為重要的一項研究任務。單晶硅與多晶硅的效率一般在15%-18%，逆變器的效率在95%左右，要提高它們的效率非常困難。而采用太陽能跟蹤技術，可以使得能太陽能板支架主動接收太陽光照射，隨著太陽不斷移動，調整接收太陽照射的最佳角度[1]。相比目前主要采用的被動式接受太陽能照射，不調整接受角度的應用，采用跟蹤技術的要提高20%-40%的利用效率。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高等優點。用來作為跟蹤系統的伺服驅動機構，符合國家發改委推廣高效節能電機的政策。

本文在原有太陽能支架的基礎上，增加光傳感器、轉向伺服裝置和控制器。以永磁同步電動機為執行機構，通過滑模控制，減小系統受參數變化和外部擾動的影響，使伺服跟蹤系統具有完全的自適應性和魯棒性，增加了自動追蹤系統的穩定性。該技術使得太陽能板自動跟蹤太陽照射最大的方向，提高了太陽能板接收太陽能照射的強度，從而提升太陽能的利用效率。這項技術可廣泛應用于光伏應用裝置，對提高系統太陽能的效率有較大意義。

1 跟蹤系統的原理

一般的光伏系統是太陽能電池板安裝于支架上。支架根據當地的緯度及氣候統計情況，以一定的角度固定，這樣太陽能板可以接受全年平均太陽輻射能量最大。但是太陽能板不能實時跟蹤接受最大太陽輻射能量。采用圖1所示的太陽能板自動跟蹤系統就能通過安裝在太陽能板上的光傳感器，采集光照強度信號。為了實驗驗證，特采集電池板的輸出電壓、電流，通過對照實驗，驗證是否跟蹤系統朝著輻射功率變大的方向追蹤。傳感器的信號經過A/D轉換后，送給微處理器，微處理器控制永磁同步電機轉動，拖動執行機械來調整太陽能支架的角度，使之實時跟蹤接收最大的太陽輻射能量。

圖1 太陽能自動跟蹤系統

2 自動跟蹤系統設計

太陽能自動跟蹤系統的主要執行機構是永磁同步電機伺服系統。其中保證準確位置追蹤的關鍵是永磁同步電機的驅動以及系統控制模型的建立。在諸如系統的非線性、耦合性和粘滯摩擦系數以及負載擾動、永磁體充磁的不均勻性、電源的波動、動子磁鏈分布的非正弦性等變化時，特別是端部效應和齒槽效應引起的推力變化等，都將使電機驅動系統性能變壞，難以滿足高精度要求。傳統的PID 控制面臨這些問題的挑戰，無法完全滿足高精度性能的要求。滑模控制技術是非常有效的一種非線性魯棒控制方法，其最大優點就是一旦系統動態處于滑動模態時，系統狀態的轉移就不再受原有參數變化和外部擾動的影響，具有完全的自適應性和魯棒性

2.1 永磁同步電機的數學模型

假設永磁同步電機的氣隙磁場呈正弦分布，則次級永磁體在初級繞組中產生的磁鏈波形也應為正弦波，反電勢波形為正弦波；假設參數不隨溫度等外界因素變化，且忽略端部效應以及飽和效應等等，可以得到永磁同步電機在d-q 坐標系的電壓方程[2]：

2.2 滑模控制模型

滑模控制是變結構控制系統的一種控制策略。該控制預先在狀態空間中設計一個特殊的控制系統滑動面，狀態軌跡沿著滑動面作小幅度，高頻率的運動，迫使系統的狀態沿著這個特定的滑動面向平衡點滑動，最后漸進穩定于平衡點或平衡點的某個允許的領域內，即滑動模態運動。

根據永磁同步電機數學模型，將初級電壓作為控制系統的輸入。利用反饋線性化的思想，經過變換，得到了一個準線性化的并解耦的模型，此模型中包含不確定因素。然后通過帶有msat 函數的固定邊界層的滑模控制控制此非線性模型[3]，得到如圖3所示的永磁同步電機滑模控制框圖。圖中，Scmd為給定位置。該方法可以確保系統的魯棒性，優點在于滑模邊界寬度是固定的，在邊界內和區域外使用的開關函數不同，可以有效地消除系統的“抖振”問題。此方法有較好的實用性。

圖2 永磁同步電機滑模控制框圖

3 實驗數據

為驗證上述原理，制作了實驗樣機。光強的檢測采用光敏電阻光強比較法[4]，當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時,接收光強多的光敏電阻阻值減小,驅動電動機轉動,直至兩個光敏電阻上的光照強度相同，都為最大光強。光敏電阻光強比較法的優點在于控制精確,電路設計比較容易。微處理器采用德州儀器公司高性能處理器TMS320F2812。采用1kw的永磁同步電機及驅動器。圖3為滑模控制的永磁同步電機的位置響應圖以及交軸電路波形。可以看出，傳動機構響應快，無超調。

圖3 滑模控制的位置響應與交軸電流圖

把一塊采用最大功率跟蹤系統的太陽能板與一塊固定傾角的太陽能板并聯給蓄電池充電，表1為它們在不同的光輻射強度下的輸出電壓、電流值。從結果看，采用跟蹤技術，能使太陽能板輸出功率平均增加20%左右。

表1 實驗對比結果

4 結束語

本文介紹了太陽自動跟蹤系統,該系統一方面采樣太陽輻射強度，一方面采樣太陽能板的輸出電功率信號。兩者相對照,使該系統跟蹤的準確性高、可靠性強。即使是在天氣變化比較復雜的情況下,系統也能正常工作。采用滑模控制，使伺服跟蹤系統具有完全的自適應性和魯棒性，增加了自動追蹤系統的穩定性。采用永磁同步電動機作為執行機械來進行太陽能最大輻射強度跟蹤。有利于新型節能永磁同步電動機的推廣。

實驗證明，采用自動追蹤技術可以提高太陽能的利用效率達20%左右。系統如果應用于太陽能光伏系統,則可從電池板直接獲取電能,而無需另外輸入能量。系統也可用于太陽能光熱系統，以提高太陽能板的熱功率輸出。

[1] 汪臨偉.太陽電池方陣自動全追蹤系統設計[J].制造業自動化,2010,33(12)：149-151.

[2] 李永東.交流電機數字控制系統[M].北京：機械工業出版社,2002.

[3] 張希,陳宗祥,潘俊民,王杰.永磁直線同步電機的固定邊界層滑模控制[J].中國電機工程學報,2006,26(22)：115-121.

[4] 舒志兵,施煒,湯世松.高精度伺服跟蹤發電系統的設計[J].機床與液壓,2010,38(10)：73-74.