基于PLC光伏发电自动跟踪控制方法在酒泉应用.pdf

2 0 1 4 年第 4 期 工业仪表与自动化装置 8 3 基 于 P LC 光 伏 发 电 自 动 跟 踪 控 制 方 法 在 酒 泉 应 用 秦天像 酒泉职业技术学院 甘肃省光伏发电系统工程重点实验 室， 甘肃 酒泉 7 3 5 0 0 0 摘要 由于太阳位置随时间而变化 ， 使光伏发 电系统的太阳能 电池阵列受光照强度不稳定 ， 从 而降低 了光伏 电池的效率 ， 因此 ， 设计太阳 自动跟踪 器是提 高光伏发 电系统工作效率的有效措施。 该文针对已有的光伏跟踪控制方法的缺陷与不足 ， 考虑到执行 电机在转动时间内对太阳位置角度 的变化与跟踪误差范围的预测与控制 ， 提 出了一种采用 P L C的跟踪控制方法 ， 并通过理论分析 与 M a t l a b ／ S i m u l i n k仿真结果验证 了其可行性 ， 具有很 高的推广应用价值。 关键词 光伏发 电系统 ； 自动跟踪 ； 仿真 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 4 0 4 0 0 8 3 0 4 Th e a ppl i c a t i o n o f a ut o ma t i c t r a c ki ng c o nt r o l me t ho d b a s e d o n P LC p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o n i n J i u q u a n Q I N T i a n x i a n g J i u q u a n V o c a t io n a l a n d T e c h n i c a l C o Z l e g ， K e y L a b o r a t o r y f o r P h o t o v o h a i c P o w e r E n g i n e e r i n g跏 把 m ofG a n s u P r o v i n c e ， G a n s u J i u q u a n 7 3 5 0 0 0 ， C h i na Abs t r a c t As t h e p o s i t i o n o f t he s u n c ha n g e s wi t h t i me，t h e l i g h t i n t e ns i t y o f t h e s o l a r c e l l a r r a y o f p h o t o v o l t a i c po we r g e ne r a t i o n s y s t e m i s n o t s t a b l e，t h e r e f o r e t he e ffic i e n c y o f p h o t o v o l t a i c b a t t e r y i s r e d u c e d．S o，t h e d e s i g n o f a u t o ma t i c s o l a r t r a c k e r i s t h e e f f e c t i v e me a s u r e s t o i mp r o v e t he e ffi c i e n c y o f p h o t o v o l t a i c p o we r g e ne r a t i o n s y s t e m．Ai mi n g a t t h e e x i s t i n g d e f e c t s a n d s h o r t c o mi n g s o f t h e p h o t o v o l t a i c t r a c k i n g c o n t r o l me t h o d，t h e a u t h o r t a k e s i n t o a c c o u n t t h e p r e d i c t i o n a n d c o n t r o l o f mo t o r s i n t he r o t a t i o n t i me v a r i a t i o n o f s o l a r p o s i t i o n a n g l e a nd t r a c ki n g e rro r r a n g e，p r o po s e s a t r a c k i n g c o n t r o l me t ho d u s i ng PL C，a n d h a s t e s t e d i t s f e a s i b i l i t y b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s i n Ma t l a b ／S i mu l i n k． Ke y wor ds PV po we r g e ne r a t i o n s y s t e m ；a u t o ma t i c t r a c k i n g；s i mu l a t i o n 0 引言 太阳能是未来最清洁 、 安全和可靠的能源 ， 我国 正在把太 阳能的开发利用作为能源主要内容的长期 规划 ， 光伏产业正 日益成为国际上继 I T 、 微 电子产 业之后又一 爆炸式发展的行业 。研究发现 ， 在光伏 发电系统设计 中， 光伏组件 的安装形式与放置角度 对其接收太阳辐射有很大的影响。 光伏电池组件能量转换效率一定的情况下， 提 高光伏发电效率的一种重要可行 的途径是设计光伏 组件的自动跟踪 。太 阳能跟踪系统能够保持太阳能 电池板随时正对太 阳， 使太阳光的光线随时垂直照 射太阳能电池板 ， 能够提高太 阳能光伏组件 的发 电 收稿 E t 期 2 0 1 4 0 41 8 作者简介 秦天像 1 9 7 3 ， 男， 甘肃秦安人， 本科， 讲师， 研究方 向为电力系统运行与控制。 量 2 0 ％以上 ， 可以显著降低光伏发电系统 的投资成 本 ， 提高太 阳能光伏组件 的利用率 。 1 阳光 随动控 制的基本原 理 阳光随动控制器 ， 其基本功能就是使光伏 阵列 随着 阳光而转动 ， 基本原理框图如图 1所示 。 图 I 光伏阵列阳光随动系统原理框 图 该系统时刻检测太 阳与光伏阵列 的位置并将其 输人到控制单元， 控制单元对这 2 个信号进行比较 并产生相应的输出信号来驱动旋转机构， 使阳光时 刻垂直入射到光伏阵列的表面上， 使光伏阵列始终 处于最佳光照条件下， 发挥最大光伏转换效率。 8 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第4期 虽然太阳在天空中的位置时刻都在变化， 但其 运行却具有严格的规律性 ， 在地平坐标系中， 太阳的 位置可 由高度角 O l 和方位角 0来确定。 2 太阳位置计算 太 阳能跟踪系统有 多种形式， 根据跟踪方式的 不 同可以分为视 日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方 式 ， 在光伏发电跟踪系统中， 一般采用视 日运动轨迹 跟踪 。视 日运动轨迹是指根据地理位置与时间信息 就可以确定 此时此刻的太 阳位置。通过 P L C控制 电机转动 ， 驱动跟踪装置进行轨迹跟踪。太 阳位置 可以由高度角和方位角 2个量进行描述 。 2 ． 1 太阳方位角 太阳方位角是太阳光线在地面上的投影线与南 北方向线之间的夹角， 记为 ， 可以用式 1 进行计算 0 a r c s i n c o s 6 s i n t o 1 COS 式中 为太 阳高度 角， 0 9为太 阳时角 ； 6为太 阳赤 纬角。 2 ． 2 太 阳高度角 太 阳高度 角是太阳光线与地平面之间的夹角 ， 记为 O L ， 可 以用式 2 进行计算 O t a r c s i n s i n q s i n C O S q c o s 6 c o s ∞ 2 式 中 为纬度角。 由式 1 、 式 2 可以看 出， 太阳角度的变化 规 律与安装地地理纬度 和所处时间有关 ， 一年之中不 同 13 期及一天之 中不同时间， 变化规律都有所不同， 具有较强非线性 。使光伏 电池在不同经度 、 纬度地 区， 每个时刻都能跟踪太阳光直射方 向， 提高光伏电 池 的运行效率。 3 跟踪 系统 实施方案 3 ． 1 系统组成框图 光伏发电系统基本组成框图如图 2所示。主要 由上位机、 面板 、 方位驱动电机、 俯仰驱动 电机 、 方位 限位信号、 俯仰限位信号、 方位俯仰位置传感器组成 可以根据需要增加风速传感器等 。 3 ． 2 跟踪控制原理 跟踪控制原理如 图 3所示 ， O i 代表跟踪 系统在 前一时间所处 的位置角度 ， 0 ⋯ 代表跟踪 系统转 动 之后在下一时间所处的位置角度 ， 与 川 代表转 动前和转动后太 阳所处的 2个位置角度 ， A O为跟踪 系统双轴驱动电机转动 的一个触发条件 ， 当某一 时 刻太阳处在的位角与跟踪系统的位角差值 ≥A O时 ， 就代表驱动电机开始了转动从而带动跟踪器跟踪太 阳。考虑到电机在转 动时间 内太 阳位 置角度 的变 化 ， 随机引入一个跟踪修正量 m， 当跟踪的触发条件 得到满足后 ， 跟踪控制系统就驱 动电机带动角度轴 在 △ 时间内转动了 A Om 的角度量行程 ， 并 能一 直保持到下一次误差 ≥A O ， 然后跟踪一直重复前面 过程 ， 进而实现了跟踪系统的有效的控制方法 。 俯仰 角位 簧反馈 方位 限位信 号 ， 方位 角 方 位 I 竺 竺 I 匣褒 控 制 ri 面 板 图2 系统基本组成框图 t i t i 1 t i 2 时 间 图3 跟踪控制原理示意图 根据电机运动到确定位置时太 阳位角与跟踪 系 统的位角差值之间的关 系， 可列出如式 3 所示 的 等式 △ 0 1 0 f 1 O L ， t m一 ， t A t 3 在计算 的过程中， 如果忽略电机的转动时问， 考 虑其极限情况 ， 即 △ 趋近于零时 ， 太 阳位角与跟踪 系统的位角差值之 间的关 系可用极 限方式列 出式 4 所示的等式 △ m i ， t 一 O l ， t A t m ． 0 △卜 0 一 ‘ ‘ 4 2 0 1 4年第 4期 工业仪表与自动化装置 8 5 3 ． 3跟踪控制方法 光伏发电跟踪系统可以采用 P L C控制， P L C选 用的配置包括 L M 3 1 0 8 C P U模块和 L M3 3 1 0扩展模 块。L M3 1 0 8集成为数字量 2 4 D I 和 1 6 D O， 能满足要 求， 通信集成有 R S 2 3 2和 R S 4 8 5两个通信接 口， R S 2 3 2 用于与上位文本显示器通信， R S 4 8 5 可用于组 网。L M 3 3 1 0为四通 模块 ， 可用于采集风速等保护 数据。配合和利时H D 2 4 0 0 L文本显示器使用， 能够监 视运行状态， 改变参数设置 ， 以达到控制 目的。 该文所设计太阳能跟踪 系统装置 由 P L C系统、 传感器信号处理电路、 电机驱动电路等几部分组成， 电机驱动电路由底座、 立轴、 横轴、 2台旋转电机、 传 动齿轮等组成。其 中旋转 电机 l驱动横轴 ， 支撑太 阳能电池板绕横轴运动， 跟踪高度角运行。旋转电机2 驱动水平轴， 以跟踪方位角变化。具体如图4 所示。 图 4 太 阳能跟踪控 制系统结 构图 在一天 的整个过程 中， 跟踪器能够获得最优 的 高度角和方位角 ， 电池板能够接收到最大太阳 日辐 射量。系统用一套公式 由 P L C计算 出实际时刻太 阳所在 的高度角和方位角 见表 1 ， 根据 实时太 阳 高度角和方位角与跟踪装置实际的高度角和方位角 的差值 ， 以及驱动装置的运转速度 ， 计算出执行机构 的跟踪运行时间。最后通过程序执行驱动电机达到 要求的位置 ， 实现对高度角和方位角的跟踪 ， 可以让 采光面板始终正对着太 阳， 实现最大化利用光能。 表 1 实际时刻太阳所在的高度角和方位角 4系统软件简易流程 跟踪模式 的判断过程完全 由软件实现 ， 灵活度 很高， 可以针对不同的地区和不同的气候进行调整， 尽量提高光伏电站的发电效率。可根据需要增加光 强传感器、 风力传感器等多种传感装置。系统软件 简易流程如图 5所示。 上 电初始化 系统 自检， 自检状态调用 计算当地真太阳时 卜 _ 显示 通过真太阳时， 计算太阳极板位置角度 检测当前太阳能极板位罱 计算电机的调节量 根据调节量， 控制电机运转， 实时检测限位开关 图5 系统软件简易流程 5 跟踪控制规律仿真分析 为了验证跟踪方法的可行性， 直观 自动跟踪系统 的控制效果 ， 根据式 4 选取典型 日期某一天时采用该 跟踪控制方法的跟踪效果进行仿真， 仿真过程中忽略 电机转动所耗用的时间， 即假设 A t O ， 并且修正值也 取得m A 0 的极限状态， 仿真的采样间隔为5 m i n ， 得 到某一天的高度角和方位角的跟踪仿真曲线如图 6 、 图 7所示。从图中仿真曲线还可以明显地看出， 跟踪系统 的运动轨迹始终围绕着太阳的运动轨迹变化， 并且在 跟踪的这段时间内， 电机运动到指定位置后 ， 等待下一 个触发条件的到来时 ， 跟踪系统的位置与太阳位置有 完全重合的状态点。可以看出， 在跟踪时间内， 跟踪系 统双轴的位置角度与太阳位置角度的误差保持在 一 △ ～ A 0 之间， 并且误差曲线经过 0 。 线。 6 0 5 6 5 2 s 谴 甚4 4 4 0 3 6 3 2 0 8 2 0 o 8 45 0 9 1 0 0 9 3 5 电机跟踪时间 图6 太阳高度角跟踪仿真曲线 8 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第 4期 按 医 Of } 2 0 0 8 4 5 0 9 l 0 0 9 3 5 电机转动时间 图7 太阳方位角跟踪仿真曲线 通过分析上述跟踪测试 ， 验证 了该文设计 的太 阳能跟踪控制计算的太阳高度角和方位角精确度满 足一定要求时 ， 通过跟踪控制器发送 的控制信号来 驱动步进电机 ， 带动太 阳能接收板转动， 使其可以精 确地跟踪太 阳的高度角和方位角 。总之， 利用 这种 跟踪控制策略 ， 在保证跟踪控制精度的基础上 ， 可以 极大地提高系统 的可靠性和抗干扰性 。 6 结论 该文以 P L C为控制核心 ， 通过 P L C跟踪控制系 统来判断太阳的方 向， 以此驱动电机来调节太 阳能 板的方向， 设计 了一种 自动跟踪太阳高度角与方位 角转动的 自动跟踪控制器 ， 该跟踪控制器 的机械部 分采用的是水平方 向和垂直方 向的双向跟踪设计 ， 是对太阳高度角和方位角的双向跟踪调节。通过对 该跟踪方法的跟踪轨迹仿真曲线与误差仿真曲线的 分析 ， 跟踪系统的轨迹曲线与太 阳的运动轨迹 曲线 基本吻合 ， 试验运行结果表明该系统跟踪准确 、 能耗 低 、 可靠性高、 系统性能稳定 ， 发 电效率提高 2 0 ％以 上， 具有较大的应用价值。 参考文献 [ 1 ] 王炳忠． 太阳辐射能的测量与标准[ M] ． 北京 科学出 版社 ， 1 9 9 3 ． 余海． 太阳能利用综述及提高其利用率的途径[ J ] ． 新 能源研究与利用， 2 0 0 4 ， 7 3 3 43 7 ． 吴小雨， 王开宝． 光伏发电跟踪控制系统设计 [ J ] ． 机 械工程师 ， 2 0 0 9 1 1 2 91 3 0 ． 薛建国． 基于 H Y M8 5 6 3和单片机 的低功耗太阳电池 自动跟踪系统设计[ J ] ． 沈阳工程学院学报 自然科学 版 ， 2 0 0 5 2 1 1 31 1 6 ． 王雪文． 太阳能电池板 自动跟踪控制系统设计[ J ] ． 西 北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 4 2 1 6 31 6 4 ． We n j a m S R， G r e e n M A．A p p l i e d p h o t o v o l t a i c s[ M] ． S h a n g h a i S h a n g h m j i a o t o n g u n i v e r s i t y p r e s s ， 2 0 0 8 8 5 1 00． 赵建钊， 马健． 智能型太阳能跟踪系统设计与实现 [ J ] ． 电网技术， 2 0 0 8 ， 3 2 2 4 9 3 9 7 ． 郭文川， 周超超． 基于 A R M9 2 0 T的太阳能电池板 自动 追光系统[ J ] ． 实验技术与管理， 2 0 1 2 1 5 6 5 8 ． 袁志国， 厥沛文， 黄作英． 一种太阳自动跟踪装置的设 计[ J ] ． 仪器仪表装置， 2 0 0 7 2 3 0 3 3 ． 赵丽伟． 太阳自动追踪系统的研究[ D] ． 吉林 吉林大 学 ， 2 0 0 6 ． 上接第 5 8页 4 结语 低温余热发电的供电成本在 0 ． 1 2～ 0 ． 1 6 k Wh之间 ， 1 t 水泥成本可降低 1 2～l 5元 。据测算 ， 一 条 日产 5 0 0 0 t 水泥熟料生产线 ， 投资建设发 电功 率达 9 0 0 0 k W 的余热发 电项 目， 总投资约为 6 0 0 0 多万元 ， 两年便可以收回投资。该余热发 电监控 系 统 已经在登封宏 昌水泥有 限公 司投入运行 ， 提高了 余热发电控制系统的自动化运行水平， 降低了操作 人员的工作强度， 取得了良好的经济效益和社会 效益 。 参考文献 [ 1 ] 仇乐乐， 胡观利． 水泥窑纯低温余热发电系统热工 自 动化典型设计[ J ] ．水泥工程， 2 0 1 1 1 6 06 2 ． [ 2 ] 黄曙． 水泥窑纯低温余热发 电控制系统 [ J ] ． 水泥工 程 ， 2 0 1 0 3 6 06 3 ． [ 3 ] 尹训彦． 水泥窑低温余热发电热力系统分析与设计 [ D] ．大连 大连理工大学 ， 2 0 1 3 ． [ 4 ] 陆艳平． 水泥窑纯低温余热发电系统优化研究[ D] ． 广 州 华南理工大学， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 郁汉琪， 王华． 可编程 自动化控制器 P A C 技术及应 用[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． [ 6 ] 徐永模． 水泥窑纯低温余热发电技术大全 [ M] ． 北京 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 9 ． ] ] ] ] ] i O _卜_ m ∞ ∞ g ∞ 鳃 ％