光伏發電雙軸自動跟蹤控制系統的設計與應用

孫 婷,趙子涵,趙永彬

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

0 引言

太陽電池板有多種安裝方式。工程上使用何種安裝方式,決定了項目的投資、收益以及后期的運行、維護。實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電池方陣按照固定的對地角度和方向安裝。單軸跟蹤安裝方式是將太陽電池板安裝在1 個旋轉軸上,運行時方陣只能跟蹤太陽運行的方位角或者高度角中的1 個方向。雙軸跟蹤太陽電池方陣沿著兩個旋轉軸運動,能夠同時跟蹤太陽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的運行軌跡,以實現太陽光線始終垂直于光伏電池板平面。

自動跟蹤系統能良好工作的前提是準確得到太陽光位置。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時計算太陽光的位置。視日跟蹤是根據光伏電站所在的位置,通過天文學計算方法得到該位置不同時間太陽光的方位角和高度角,進而參與整個系統的控制。

本文設計了光電跟蹤和視日跟蹤[2-3]相結合的雙軸自動跟蹤控制系統。首先,給出了該系統的整體設計思路;其次,給出了硬件電路的設計和軟件算法程序的實現方法;最后,選取某個工程,將工程實測數據與PVsyst 軟件的仿真結果進行對比和驗證。驗證結果表明:該自動跟蹤控制系統跟蹤效果良好,與預期結果一致。與固定安裝相比,雙軸跟蹤方式可將光伏發電量提升30%以上,有效提高了太陽能的利用率,具有很好的推廣價值和市場前景。

1 系統方案設計

1.1 系統結構設計

本文的研究對象是新型光伏電池板雙軸跟蹤系統[4-5]。其系統外觀結構如圖1 所示。

圖1 系統外觀結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system appearance structure

圖1 中:電機1 控制電池板的水平方向(東、西方向)轉動,跟蹤太陽光的方位角;電機2 控制光伏電池板垂直方向(南、北方向)轉動,跟蹤太陽光的高度角,最終使得電池板平面與太陽光實時保持垂直,提升光伏電站的發電量。該雙軸跟蹤支架結構設計簡單、巧妙,具有控制靈活、精度高的優點。

1.2 系統工作原理

雙軸跟蹤裝置的控制系統設計原理如圖2 所示。該設計采用視日跟蹤粗調與光電跟蹤微調相結合的控制方式。

圖2 控制系統設計原理圖Fig.2 Design principle of control system

在系統開始工作時,首先根據所在地的經緯度、實時時間,得到預先存儲在系統的太陽光初始高度角γ0及方位角τ0。該數據值由天文算法[1,6]計算得到:

式中:γ0為太陽光初始高度角;τ0為太陽光初始方位角;φ為系統所在位置的緯度;δ為系統所在位置的經度;ω為太陽時角。

初始高度角和方位角作為系統控制策略的前饋量值,可以快速輸出電機驅動電路的脈沖控制信號,使光伏電池板到達理想位置附近,完成系統的初步跟蹤。但由于天氣、地面坡度等情況不同,系統跟蹤結果存在一定的偏差。

緊接著,控制系統比較在光伏電池板不同位置和方向上布置的4 個光電傳感器模擬量值大小關系,對高度角和方位角作進一步微調。通過比較方位角給定值與反饋值的大小關系,產生電機1 的脈沖控制信號,控制電機1 轉動方向和轉速。通過比較南北方向上的2 個模擬量值大小關系,比較高度角給定值與反饋值的大小關系,產生電機2 的脈沖控制信號,控制電機2轉動方向和轉速,直至誤差范圍在要求的范圍之內。這表明電機到達理想的位置即停止轉動,實現了跟蹤系統的進一步精確調整,從而保證了整個光伏電池板在每個時刻都能獲得最大的光照。

2 硬件電路設計

本文提出的雙軸自動跟蹤系統硬件電路結構原理如圖3 所示。該電路包括電源板、模擬信號處理板、控制板和電機驅動板[6-7]等。核心控制部分采用現場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)實現[7-8]。相比傳統采用單片機的實現方式,FPGA 是并行運行的,程序運行速度更快、更靈活,且可通過在程序中嵌入軟核系統,使程序設計更加方便。整個系統因此具有很強的抗干擾能力。

圖3 硬件電路結構原理圖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

整個雙軸跟蹤系統的電源采用直流供電,同時檢測逆變器交流并網側電源。當交流側失電時,轉軸不執行任何操作;當交流側滿足條件時,轉軸啟動。直流電源從光伏組串輸出的直流側取電,利用直流轉直流(direct current to direct current,DC/DC)變換電路得到整個控制系統所需的各電壓等級的電源。DC/DC 變換電路輸入電壓的范圍是200～1 000 V。整個電路主要包括直流輸入濾波保護電路、電源芯片及外圍保護電路、脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)信號驅動電路、高頻變壓器、輸出電壓采樣保護電路、輸出穩壓電路等。電源芯片采用UCC28C44,整個電路的輸出電源有+24 V、±15 V 和+5 V。

2.2 模擬量信號處理電路

模擬量信號處理電路原理如圖5 所示。

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

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

2.3 控制板

控制板以FPGA 芯片為核心。FPGA 完成整個系統算法的邏輯實現,包括控制外部A/D 芯片的工作與外部數據存儲芯片的數據讀取,以及產生電機脈沖控制信號等。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,轉換電壓范圍為-10～+10 V,轉換率最高為800 kS/s,可實現對6 路模擬量信號的同步轉換。存儲芯片采用24LCO4B,低功耗,采用I2C 通信協議,存儲空間2×256 B,用于存放預先計算的方位角和高度角值。定時芯片采用DS3231SN,用于系統定時。FPGA 控制器根據系統時鐘,從存儲芯片中讀取數據。

2.4 驅動電路

由FPGA 控制器控制產生2 個電機所需的脈沖信號,但該脈沖信號無法直接驅動電機。本方案采用CONCEPT 公司一體化驅動核2SC0108T。該驅動核可以實現3 路PWM 信號的電平轉換,得到相反的2 路驅動信號。驅動信號高電平為+15 V,低電平為-8 V。

電機的供電回路如圖6 所示。該供電回路采用三相全橋電路結構。2 個方向的電機可以采用同一個供電電路和驅動電路;通過控制接觸器KM1和KM2的通斷,選擇其中的1 個電機工作;通過A、B、C 三相之間的相位關系,控制電機的正轉或反轉;通過脈沖信號的占空比調節轉速;通過脈沖信號的有效時間,控制電機的轉角值。

圖6 供電回路示意圖Fig.6 Power supply circuit

3 軟件算法設計

整個控制系統的軟件程序設計是基于FPGA 實現的[9-11],采用系統嵌軟核和Verilog HDL 共同完成。程序功能設計主要包括兩大部分:一是控制外部A/D 采樣轉換,完成對光電傳感器模擬量信號的采集;二是基于比例積分(proportional integral,PI)控制算法和預先存儲的前饋量值計算太陽光的最終高度角和方位角,控制脈沖產生模塊,進而產生電機的脈沖控制信號。

3.1 A/D 采樣程序設計

該設計由FPGA 實現A/D 采樣,基于狀態機設計思路完成A/D 采樣程序的設計,產生A/D 芯片工作所需的CONVST、/CS、/RD 信號,并在/RD 上升沿讀取轉換后的16 位數據。基于狀態機的A/D 采樣流程如圖7 所示。

圖7 基于狀態機的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A/D 采樣程序得到各光電傳感器的數字量信號,基于PI 控制器和前饋量相疊加的算法得到太陽光的方位角和高度角值,并以此作為脈沖信號產生模塊的輸入量值,產生響應的脈沖信號,進而控制電機的轉動。本文給出的高度角和方位角計算如圖8所示。

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

脈沖控制信號控制策略如圖9 所示。

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

首先,利用太陽光的方位角和高度角作為給定值,計算得到光伏電池板的高度角和方位角的給定值。然后,利用角度檢測電位器檢測光伏電池板的實際高度角和方位角作為反饋。當兩者誤差值在誤差要求范圍內時,輸出使能信號為低,無脈沖信號輸出,不進行任何方向的調整;若誤差范圍超出要求范圍,為正誤差時輸出正序的3 個調制波信號,為負誤差時輸出負序的3 個調制波信號。最后,與三角波信號比較產生PWM信號,通過控制開關器件的通斷,控制電機轉向和速度。南北方向的電機控制邏輯同東西方向相同,控制光伏電池板與太陽光始終保持垂直。

4 仿真與實測分析

4.1 仿真設計

為了進一步驗證本系統方案設計的有效性,以新疆某地區的光伏項目為例,利用PVsyst 軟件分別對采用固定支架和雙軸跟蹤方式的電池板接收到的太陽輻射值進行仿真[12]。將測試得到的數據進行描點,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比圖Fig.10 Comparison of irradiance curves based on Pvsyst simulation

4.2 實測分析

將本文設計控制方案應用到新疆某工程項目中。為了方便測試和對比,本文直接采用逆變器不同時刻的并網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輻照度值。該逆變器額定功率為136 kW。其中一臺逆變器對應采用固定支架的光伏電池板,另一臺逆變器對應采用雙軸跟蹤系統的光伏電池板。觀察后臺監控系統,得到這2 臺逆變器的功率數據值。實際工程采用雙軸跟蹤系統與固定支架的光伏逆變器并網功率值曲線如圖11 所示。

圖11 光伏逆變器并網功率值曲線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發電量之比。由此可以發現,采用雙軸自動跟蹤系統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,且兩者的仿真結果一致。因此,采用雙軸自動跟蹤系統可以提高發電量達30%以上。

5 結論

本文給出了一種基于FPGA 實現的雙軸自動跟蹤控制系統。該系統采用FPGA 作為控制核心,具有電路結構簡單、工作頻率高等優點。首先,采用粗調和微調相結合,可以快速、準確定位太陽光的位置。然后,利用數字邏輯判斷得到各電機供電回路的脈沖信號。最后,提出采用工作過程分時控制,減少了硬件電路,降低了成本。將現場實測數據與PVsyst 仿真結果對比,驗證了本系統設計的有效性。雙軸自動跟蹤系統方式相比固定支架方式,可提升發電量達到30%以上,適合進一步推廣和應用。