太陽能跟蹤系統的智能控制及系統設計

鄭益文，馬立新，魯 奕，余 濤，肖 川

(上海理工大學，上海200093)

0引 言

近年來，太陽能作為一種理想的新能源，開發、利用太陽能是解決能源危機和環境問題最具獨特優勢的重要途徑，成為人們研究和應用的熱點。其中，光伏發電作為太陽能利用重要方面，擁有廣闊應用前景［1］。由于太陽光具有間歇性以及日照強度和方向的不確定性，導致整個光伏發電系統呈非線性。目前太陽能跟蹤系統主要采用平板固定式架構和PI、PID等控制方法，其架構單一，控制系統簡單，跟蹤控制效果差，發電效率較低，太陽能利用率低。

因此本文以Altera CycloneII 2C70 FPGA為開發平臺，根據最大功率點跟蹤(以下簡稱MPPT)原理和模糊控制原理［2］，提出了一種新的太陽能跟蹤方式，研究設計了一種追日性能良好、智能型、雙軸跟蹤的太陽能追蹤系統，解決了系統非線性帶來的控制困難等問題，能夠準確跟蹤太陽，極大地提高了太陽能利用率。本系統也是未來太陽能控制系統的一種發展方向，具有廣闊的應用前景和現實意義。

1光伏發電和MPPT的概念、原理及特性

1．1光伏發電的概念、基本原理及特性

太陽能發電是指無需通過熱轉換過程直接將太陽光能轉化成電能的發電方式，包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用太陽能電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并將其轉化為電能，是當今太陽能發電的主流方式。

太陽能光伏發電基本原理為:利用太陽能電池的光生伏打效應，光被晶體硅吸收后，在PN結區域中產生一對正、負電荷，正、負電荷被分離，產生一個外電流場，電流從晶體硅片電池的底端經過負載流至電池的負端，將太陽光輻射能直接轉化成電能。一套基本的光伏發電系統一般由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池(組)構成。光伏發電的等效模型如圖1所示。

圖1 光伏發電的等效模型

圖1中，IS為與光照強度成正比的光電流;Id為二極管反向飽和電流;I為負載電流;Ra為PN結等效電阻，Rb為太陽能電池串聯等效電阻;R為負載電阻。

光伏發電系統的輸出功率特性如下:

式中:Id為二極管反向飽和電流;q為電子電荷;K為玻爾茲曼常數;T為絕對溫度;A為PN結理想因子。

1．2 MPPT的概念、基本原理及特性

MPPT控制即最大功率點跟蹤控制［3］，能夠實時偵測太陽能電池板的發電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使電池板具有最高的發電量。由于電池板的輸出功率受外部環境影響，因此，光伏發電系統普遍采用MPPT電路和相應的控制方法提高對光伏器件的利用效果。如果太陽能電池板的結溫不變，其功率和日光強度的特性曲線如圖2所示，當太陽能電池板接受的日光強度為Umax時，達到最大功率點Pmax。

圖2 太陽能電池板功率和日光強度的特性曲線

2基于MPPT的模糊控制器設計

2．1基于MPPT控制思想的太陽能跟蹤方式

由于太陽能電池板的發電量與太陽光入射角θ有關，即電池板在某時刻某溫度下的最大輸出功率與θ有關，當光線與電池板平面垂直時(θ=90°)，其發電量最大，改變入射角θ，發電量明顯下降。因此，可以通過控制入射角θ的大小，控制電池板的最大功率輸出Pmax。入射角θ與電池板最大功率點Pmax的關系曲線如圖3所示。

圖3 入射角θ與最大功率Pmax的關系曲線

本系統要求太陽能電池板能對太陽做雙軸跟蹤［4］，在水平方向上進行 360°旋轉跟蹤，垂直方向上進行180°俯仰角調節，以準確跟蹤太陽所在方位。因此，系統采用四個光電傳感器追蹤太陽光，負責偵測東西南北四個方向的光源強度，各方向上均有一個光敏電阻，以45°角朝向光源處，并于該方向設置擋板用以隔離其他方向的光線，以達到快速判別太陽位置的廣角式搜索。四個傳感器分為兩組，東西方向為一組，南北方向為一組，以東西方向為例:設uE為東向傳感器的電壓信號，uW為西向傳感器的電壓信號，△u為兩個光電傳感器輸出的電壓差信號，△u=uE-uW。當兩個傳感器接收到的光照強度不一致時，東西向傳感器會輸出兩個不同的電壓信號，也就是uE≠uW，此時△u越大，θ越偏離90°。uE、uW經過電壓型模數轉換器(ADC0804)轉換后，輸送給FPGA進行模糊控制算法處理，它根據兩個光電傳感器輸出的電壓差信號△u，計算出步進電動機步數n，并且驅動步進電動機做相應調整。當東西方向傳感器接受光照強度相同時，則△u為零，電機步數亦為零，此時θ=90°，即東西方向太陽光和電池板垂直，系統處于太陽能最佳接受狀態。

東西方向太陽光與電池板的入射角θ和光電傳感器輸出電壓差信號Δu構成一一對應關系，如圖4所示。南北向傳感器工作原理相同。本系統為了與后面設計模糊控制器的輸入變量區分，這里把Δu記作e。

由于太陽光具有間歇性，日照強度和方向的不確定性，系統是非線性的，故利用模糊控制算法上的智能性、自適應性來對非線性的太陽能跟蹤系統進行控制［5］，彌補傳統方法的缺點，實現對太陽的準確跟蹤。

圖4 入射角θ和電壓差信號Δu關系曲線

2．2模糊控制器的設計

本系統采用模糊控制理論作為步進電動機驅動的控制基礎，模糊控制算法主要是設計一個模糊邏輯控制器［6］，結構如圖5所示。

圖5 模糊邏輯控制器結構

2．2．1 模糊化

由圖5所示，在采樣間隔K時，設變量e(k)為東西向兩個傳感器信號差，△e(k)為信號差的變化率，則系統取e(k)，△e(k)為模糊控制器的輸入變量，步進電動機的運轉步數n為輸出變量。當e(k)為零時，表明電池板與太陽光垂直，已經工作在最大功率點上。每個變量都定義PB(正大)、PS(正小)、ZO(零)、NS(負小)、NB(負大)五個語言值，即 e(k)，△e(k)，n={NB，NS，ZE，PS，PB}，每個語言值都采用了五個均勻分布的三角形隸屬度函數，如圖6所示。

圖 6 e，Δe，n 的隸屬度函數

2．2．2 模糊規則推理

在地球自轉過程中，太陽光和電池板的角度關系也在不斷變化，有步進電動機控制步數n和傳感器電壓差信號e特性曲線，如圖7所示。

特性曲線中包含了步進電動機步數n隨e(k)、△e(k)的四種變化過程:①當e(k)＞0、△e(k)＜0時，n由右側靠近原點(Pmax)，即電機向東前進;②當e(k)＞0、△e(k) ＞0時，n由右側遠離原點(Pmax)，即電機向西前進;③當e(k)＜0、△e(k)＞0時，n由左側靠近原點(Pmax)，即電機向西前進;④當 e(k)＜0、△e(k)＜0時，n從左側遠離 Pmax，即電機向東前進。

因此，當輸入變量e(k)和△e(k)不同時，系統調整n的大小使輸入變量e(k)始終趨于零。把所有的這些變化規則總結起來，就形成了模糊規則推理表，如表1所示。

圖7 電機步數n和傳感器電壓差信號e特性曲線

表1 模糊規則推理表

2．2．3 反模糊化

本系統模糊邏輯控制器的仿真選擇Mamdani型控制器，反模糊方法為重心法，其計算為:

式中:△n為第k次采樣時模糊控制器輸出的校正值;ri為第i條模糊規則推論的結果;u(ri)為第i條模糊規則的控制力度。

2．2．4 仿真結果

仿真結果如圖8所示。通過模糊控制器控制傳感器電壓差信號e時，系統能夠迅速調整步進電動機，并使e趨于零，即電池板與太陽垂直，跟蹤到最大功率點上。

圖8 仿真結果

3太陽能跟蹤系統的系統設計

根據上文介紹的太陽能跟蹤方式和智能控制方法，設計了系統控制流程圖，如圖9所示。

最后，系統基于Altera公司的 CycloneII 2C70 FPGA 開發板［7］，采用 SOPC 系統開發技術［8］，設計了系統智能跟蹤控制器。系統采用GL5528光電傳感器、863HB69-583步進電動機、ADC0804模數轉換芯片、Altera CycloneII2C70FPGA等硬件搭建了太陽能跟蹤控制系統，如圖10所示。

圖9 系統控制流程圖

圖10 太陽能跟蹤控制系統

本系統采用300 W燈泡作為光源，通過改變光源的亮度來模擬太陽光的強弱，通過改變光源的位置來模擬太陽的轉動，把光電傳感器采集到的信號輸入FPGA作相應的處理來控制步進電動機的轉動。實驗結果表明，步進電動機能夠依據兩側的光照強弱作正、反轉運動，當兩側的光強差值較大時，步進電動機轉動的角度也較大;當兩側光強的差值較小時，電機轉動的角度也較小，初步認定系統能夠準確跟蹤太陽，跟圖8的仿真結果相符合。

4總 結

基于MPPT原理和步進電動機的特性，本文提出了n-θ太陽能跟蹤方式，并采用模糊控制算法和FPGA設計了智能跟蹤控制器，解決了系統非線性帶來的控制困難等問題。這種基于FPGA的智能控制系統設計方式，不僅是本控制系統設計的創新，也是未來太陽能控制系統的一種發展方向，具有廣闊的應用前景。

［1］ 趙爭鳴．太陽能光伏發電及其應用［M］．北京:科學出版社，2005．

［2］ Choi J S，Kim D Y，Park K T，et al．Design of Fuzzy Controller based on PC for Solar Tracking System，Smart Manufacturing Application［C］//ICSMA．2008:508-513

［3］ Rodriguez C，Amaratunga G A J．Analytic Solution to the Photo-Voltaic Maximum Power Point Problem［J］．IEEE Transactions on Circuit and Systems，2007，54(9):2054-2060．

［4］ Lwin O，Kaythi H N．Microcontroller-based two-axis solar tracking system［C］//2nd International Conference on Computer Research and Development．2010:436-440．

［5］ Tanvir Arafat Khan Md，Shahrear Tanzil S M，Rahman R，et al．Design and construction of an automatic solar tracking system［C］//The 6th International Conference on Electrical and Computer Engineering．2010:326-329．

［6］ 石辛民，郝整清．模糊控制及其MATLAB仿真［M］．北京:清華大學出版社，2008．

［7］ 劉福奇．FPGA嵌入式項目開發實踐［M］．北京:電子工業出版社，2009．

［8］ 李蘭英．NiosⅡ嵌入式軟核SOPC設計原理及應用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2008．