光伏電站自動跟蹤集散控制系統的研究

新疆太陽能科技開發公司光電研發部 ■ 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主要分為獨立控制系統和集中控制系統[1]。獨立控制系統具有控制精度高、可實現閉環控制、成本較高的特點，多用于單立柱跟蹤控制系統；而集中控制系統均采用開環控制，不能實現精確控制，多用于斜單軸、平單軸、多組串跟蹤控制系統。由此，本文提出了將獨立控制與集中控制相結合的控制策略——自動跟蹤集散控制系統。該控制系統具有穩定、精準、可控性強的特點，既能完善現有光伏電站自動跟蹤控制系統的不足，又能為將要建設自動跟蹤控制系統的光伏電站提供參考。

1 自動跟蹤集散控制系統的架構

自2011年起，國內自動跟蹤式光伏電站相繼投入運營，但由于存在控制系統整體架構受限和前期施工等問題，導致現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據監控、總控系統和底層跟蹤執行系統進行了系統構設，優化了控制策略和通信方式。圖1為自動跟蹤集散控制系統架構圖。

圖1 自動跟蹤集散控制系統架構圖

用戶通過人機界面交互平臺可以查看數據服務器內所有支架的運行狀態，數據服務器與跟蹤控制系統采用GPRS方式進行數據傳輸，跟蹤控制系統為主控系統，通過無線方式發送數據給底層的若干跟蹤執行系統，跟蹤執行系統接收到數據后，與檢測裝置讀取的數據進行比對，根據比對結果進行驅動，使跟蹤裝置實現停止或轉向動作。

2 自動跟蹤集散控制系統的原理

圖2為自動跟蹤集散控制系統的原理圖，該控制系統主要由后臺監控系統PC機(也稱為“上位機”)、數據服務器、自動跟蹤控制系統、無線終端傳輸設備、傳感器、自動跟蹤執行系統和跟蹤裝置構成。

整個自動跟蹤集散控制系統是通過后臺監控系統PC機在線監控、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，以ZigBee無線傳輸的方式發送給底層若干個自動跟蹤執行系統；自動跟蹤執行系統讀取傳感器數據，并與來自自動跟蹤控制系統的無線數據進行比對，當兩組數據不相等時，驅動跟蹤裝置開始執行支架的轉向動作；同時傳感器實時讀取支架的角度狀態，并將數據傳輸給自動跟蹤執行系統；然后自動跟蹤執行系統依然將讀取的傳感器數據與接收到的無線數據進行比對，當兩組數據相等時，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的無線數據。

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

3 通信系統在自動跟蹤集散控制系統中的應用

3.1 通信系統架構

自動跟蹤集散控制系統在跟蹤、控制過程中，主要是進行數據采集、邏輯運算和數據傳輸。鑒于光伏電站的所在地一般都較為偏僻，若采用有線數據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中引入了ZigBee無線傳輸裝置進行數據傳輸，可彌補以往通信中存在的缺陷。圖3為通信系統架構圖。

3.2 自動跟蹤控制系統的通信方式

自動跟蹤控制系統作為ZigBee無線網絡(見圖4)中的主節點，覆蓋該片區內的多個子節點，進行固定地址的數據通信。將自動跟蹤控制系統計算的角度參數發送給底層的若干ZigBee無線收發單元，然后ZigBee無線收發單元將數據傳輸給自動跟蹤執行系統。

圖4 ZigBee無線組網圖

3.3 自動跟蹤執行系統的通信方式

以往大規模光伏電站的自動跟蹤項目都是以開環控制為主，自動跟蹤支架的狀態、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，當出現控制器故障或信號傳輸中斷時，整個片區的自動跟蹤支架均處于失向狀態。因此，亟需研發出一種性能穩定的自動跟蹤執行系統，其應具備可控制性高、模塊化強、施工布線少的特點，在規避以往控制缺陷的同時，可實現相對的閉環控制功能，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。

本文提到的自動跟蹤執行系統是采用基于CC2430芯片的ZigBee無線傳輸技術[3]進行數據的傳輸與采集，該技術依據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、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢。該自動跟蹤執行系統是以典型的8051微處理器為內核的無線單片機，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/數轉換器、4個定時器、AES-128協同處理器、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]，可滿足自動跟蹤執行系統的需求。

4 問題分析與解決

4.1 采用開環控制的斜單軸自動跟蹤控制系統的應用調研

2015年11月中旬，筆者對采用開環控制的斜單軸自動跟蹤控制系統的新疆某光伏電站進行了實地調研。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。此次現場調研與上次調研時隔一年。調研后發現，采用該控制系統的斜單軸的運行效果與去年相比較差，跟蹤失向的支架數量較多，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，已成為采用開環控制的斜單軸自動跟蹤系統的光伏電站業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

根據調研數據可知，首批已運營的采用開環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控制的跟蹤系統的弊端頻繁暴露。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轉化成支架驅動電機上電時間的周期，該數據是通過電機轉速和減速機比計算獲得。當減速機由于磨損失效后，實際的驅動時間不能使支架的姿態調整到預期的方位。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。而更換減速機、驅動齒輪等，從根本上杜絕不了此類問題的發生。

鑒于上述問題，光伏電站可采用自動跟蹤集散控制系統進行控制，通過安裝在支架上的角度傳感器讀取目前支架的狀態，同自動跟蹤控制系統發送的無線數據進行比對，進行選擇性的停止或轉向控制。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調整，只會延緩支架二次調整姿態的時間周期，并且能從根本上解決現有的自動跟蹤控制系統減速機大規模失效的問題。

由于光伏電站多規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，應在前期規劃設計時根據地貌、高差、有無遮擋等情況合理布置ZigBee主節點，使ZigBee無線信號覆蓋每一臺跟蹤支架。同時，充分結合后期調試及試運行過程，對ZigBee主節點進行調整與增加，以確保每一臺跟蹤支架的良好運行。

5 總結

光伏自動跟蹤集散控制系統基于成熟的ZigBee無線通信技術，可對自動跟蹤式光伏電站進行大規模自動跟蹤控制。鑒于一般MW級并網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，利用無線通信技術進行控制具備一定的可行性，可節約前期大量的施工布線和后期系統維護的工作量。光伏自動跟蹤集散控制系統利用底層光伏跟蹤執行系統閉環控制策略，從根源上解決了由于大規模減速機失效導致的自動跟蹤支架集中失向的并發性問題。