光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计与应用

光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计与应用

冯星硕,谷宜静

国电投（天津）分布式能源有限公司 天津市300380

摘要：为了提高光伏阵列吸收太阳辐射能量的能力，目前国内外大多数研究主要集中在最佳倾角固定安装和传感器跟踪装置。光伏阵列最佳倾角固定安装成本最低，但由于太阳光入射角的变化，光伏阵列不能高效吸收太阳辐射能量，性价比较低。自动跟踪装置随时根据太阳的运行轨迹调整阵列表面角度，在相同的辐照条件下吸收比固定安装方式更多的太阳辐射能量。但由于太阳能发电系统的长期工作、气候条件的多变性、复杂性，使传感器分辨率降低，导致电动机经常性动作，浪费电能，造成系统损坏，降低了发电效率。

关键词：光伏发电；自动跟踪；控制

通常，光伏电池板用于捕获太阳辐照度。但是，从一个固定的面板中提取的能量，在一整天内，是不能达到最大的，这是由于光伏板的静态排列限制了能量利用。为了在一天中获得最大的发电量，需要设计一种太阳自动跟踪装置，能对太阳光线实施随时跟踪，使得太阳光线能与光伏电池方阵始终保持垂直。太阳能跟踪常用的方法有两种：视日跟踪和光电跟踪。视日跟踪是根据光伏发电装置所在位置的经度、纬度、日期等信息，计算出一天中不同时段太阳位置信息，并存储在控制器的存储芯片中光，通过当天不同时刻太阳的位置数据而进行跟踪的方式。光电跟踪则是利用光电传感器来采集太阳光信号，将光线传感器输出的模拟量电压信号通过模数转换， 使用单片机或 ＰＬＣ 等来驱动光伏电池板实现实时追踪太阳光。

一、光伏发电

1、光伏电池。太阳能光伏发电主要通过光伏电池进行光能和电能之间的转化，通过 PN 结的电场效应产生电能。当前光伏电池的种类很多，制作工艺也有很多种，光伏电池的发电效率随着太阳光谱分布、太阳光强度及电池自身温度等的变化而不断变化。

2、光伏发电的优点。光伏电池是以 PN 结半导体为主，在地球上拥有丰富的半导体制作原材料——硅，因此光伏发电与传统的发电设备相比，有以下优点：（1）太阳能非常丰富，取之不尽，用之不竭，在当前看来，太阳能是一种可以“无限”使用的可再生免费能源。（2）光伏发电不会产生噪声、有害气体、磁场、光等对人体造成影响的污染物，是真正的绿色环保能源。（3）适合于各种有太阳光照的环境，一旦安装调试成功，无需进行材料的运输。（4）当前的光伏设备的使用寿命一般长达 25 年以上，随着工艺和技术的提高，其使用寿命还会不断增长。

二、光伏发电自动跟踪控制系统的设计

目前，常用的跟踪方式是光电跟踪和视日跟踪。光电跟踪是利用传感器采集的信息实时计算太阳光的位置。视日跟踪是根据光伏电站所在的位置，通过计算方法得到该位置不同时间太阳光的方位角和高度角，进而参与整个系统的控制。

1、系统方案设计

（1）系统结构设计。新型光伏电池板双轴跟踪系统，其系统结构如图所示。

 图中电机控制电池板的水平方向转动，跟踪太阳光的方位角; 电机控制光伏电池板垂直方向转动，跟踪太阳光的高度角，最终使得电池板平面与太阳光实时保持垂直，提升光伏电站的发电量。该双轴跟踪支架结构设计简单、巧妙，具有控制灵活、精度高的优点。

2、系统工作原理。双轴跟踪装置的控制系统设计，该设计采用视日跟踪粗调与光电跟踪微调相结合的控制方式。 在系统开始工作时，首先根据所在地的经纬度、实时时间，得到预先存储在系统的太阳光初始高度角 γ0及方位角 τ0。该数据计算得到:

式中: γ0 为太阳光初始高度角; τ0 为太阳光初始方位角; φ 为系统所在位置的纬度; δ 为系统所在位置的经度; ω 为太阳时角。初始高度角和方位角作为系统控制策略的前馈量值，可以快速输出电机驱动电路的脉冲控制信号，使光伏电池板到达理想位置附近，完成系统的初步跟踪。但由于天气、地面坡度等情况不同，系统跟踪结果存在一定的偏差。紧接着，控制系统比较在光伏电池板不同位置和方向上布置的光电传感器模拟量值大小关系，对高度角和方位角作进一步微调。通过比较方位角给定值与反馈值的大小关系，产生电机的脉冲控制信号，控制电机 转动方向和转速。这表明电机到达理想的位置即停止转动，实现了跟踪系统的进一步精确调整，从而保证了整个光伏电池板在每个时刻都能获得最大的光照。

3、硬件电路设计。该电路包括电源板、模拟信号处理板、控制板和电机驱动板等。核心控制部分采用现场可编程逻辑门阵列( field programmable gate array，FPGA)实现。相比传统采用单片机的实现方式，FPGA 是并行运行的，程序运行速度更快、更灵活，且可通过在程序中嵌入软核系统，使程序设计更加方便。整个系统因此具有很强的抗干扰能力。

（1）电源电路。电源电路原理整个双轴跟踪系统的电源采用直流供电，同时检测逆变器交流并网侧电源。当交流侧失电时，转轴不执行任何操作; 当交流侧满足条件时，转轴启动。直流电源从光伏组串输出的直流侧取电，利用直流转直流DC/DC变换电路得到整个控制系统所需的各电压等级的电源。DC/DC 变换电路输入电压的范围是 200 ～ 1 000 V。整个电路主要包括直流输入滤波保护电路、电源芯片及外围保护电路、脉冲宽度调制PWM信号驱动电路、高频变压器、输出电压采样保护电路、输出稳压电路等。电源芯片采用 UCC28C44，整个电路的输出电源有+24 V、±15 V 和+5 V。

（2）控制板。控制板以 FPGA 芯片为核心。FPGA 完成整个系统算法的逻辑实现，包括控制外部 A/D 芯片的工作与外部数据存储芯片的数据读取，以及产生电机脉冲控制信号等。FPGA 芯片采用 CycloneII 系列 EP2C8Q208，工作频率为 50 MHz。A/D 芯片采用 AD7656，16 位 A/D，转换电压范围为－10～ +10 V，转换率最高为 800 kS /s，可实现模拟量信号的同步转换。存储芯片采用24LCO4B，低功耗，采用I2C 通信协议，存储空间 2 ×256 B，用于存放预先计算的方位角和高度角值。定时芯片采用 DS3231SN，用于系统定时。FPGA 控制器根据系统时钟，从存储芯片中读取数据。

4、软件算法设计。整个控制系统的软件程序设计是基于 FPGA 实现的，采用系统嵌软核和 Verilog HDL 共同完成。程序功能设计主要包括两大部分: 一是控制外部 A/D 采样转换，完成对光电传感器模拟量信号的采集; 二是基于比例积分PI控制算法和预先存储的前馈量值计算太阳光的最终高度角和方位角，控制脉冲产生模块，进而产生电机的脉冲控制信号。

（1）A/D 采样程序设计。该设计由 FPGA 实现 A/D 采样，基于状态机设计思路完成 A/D 采样程序的设计，产生 A/D 芯片工作所需的 CONVST、/CS、/RD 信号，并在/RD 上升沿读取转换后的 16 位数据。

（2）控制策略。根据 A/D 采样程序得到各光电传感器的数字量信号，基于 PI 控制器和前馈量相叠加的算法得到太阳光的方位角和高度角值，并以此作为脉冲信号产生模块的输入量值，产生响应的脉冲信号，进而控制电机的转动。首先，利用太阳光的方位角和高度角作为给定值，计算得到光伏电池板的高度角和方位角的给定值。然后，利用角度检测电位器检测光伏电池板的实际高度角和方位角作为反馈。当两者误差值在误差要求范围内时，输出使能信号为低，无脉冲信号输出，不进行任何方向的调整; 若误差范围超出要求范围，为正误差时输出正序的 3 个调制波信号，为负误差时输出负序的3 个调制波信号。最后，与三角波信号比较产生 PWM信号，通过控制开关器件的通断，控制电机转向和速度。南北方向的电机控制逻辑同东西方向相同，控制光伏电池板与太阳光始终保持垂直。

基于 FPGA 实现的双轴自动跟踪控制系统。该系统采用 FPGA 作为控制核心，具有电路结构简单、工作频率高等优点。首先，采用粗调和微调相结合，可以快速、准确定位太阳光的位置。然后，利用数字逻辑判断得到各电机供电回路的脉冲信号。最后，提出采用工作过程分时控制，减少了硬件电路，降低了成本。双轴自动跟踪系统方式相比固定支架方式，可提升发电量达到 30% 以上，适合进一步推广和应用。               

参考文献：

[1]王雪文，壬洋．太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计[J]．西北大学学报，2018，34(2)：163一164．

[2] 张常年，赵红怡，昌原 .太阳能电池自动追踪系统的研制 [J]. 计算机应用，2019，27 （12）：26-27.