自动跟踪太阳光伏发电设备控制器的设计

1 引言

能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。因而太阳能光伏发电是最有应用前景的太阳能利用方式。目前，光伏发电的成本太高，世界各国正在积极改进电池制造工艺。采用新技术以提高转换效率，降低光伏发电的成本。全自动跟踪太阳发电设备从控制技术出发，采用新的光伏发电装置技术，与固定式相比发电能力提高35％，成本下降25％。

全自动跟踪控制是控制器的核心任务。本文设计的这套控制装置是以工控计算机作为检测与控制的核心，利用其PCI总线插槽、插入采集卡和I／O卡，实现巡回检测多路模拟信号以及开关信号，可对检测信号进行采集、显示、查询、图形图像处理、打印输出，并且具有自校准、自诊断和自测试功能，同时可以根据测试的结果进行自动控制，形成智能化控制器。

2 全自动跟踪控制器硬件设计

2.1 硬件结构的基本组成

全自动跟踪太阳光伏发电控制器主要由各种传感器、转换电路、A／D采集卡、工控计算机、I／O卡、执行元件等组成。其硬件结构图如图1所示。



各种传感器检测到的参数信号通过转换电路，转换成标准的1 V～5 V电信号，传输到模-数(A／D) 采集卡，将采集的各参数信号转换为计算机可以处理的数字量，然后计算机对这些经过离散并量化的数字信号进行监测与处理，并通过输入／输出卡(I／O)输出控制信号，以控制执行元件的接通或断开。利用人机界面的系统监控软件。设置系统运行方式，选择控制算法，显示实时和历史的数据与图表、分析、保存、报警、打印、发送命令控制系统运行等功能。

2.2 传感器的选择和模拟输入电路设计

该装置可检测14路系统参数，分别是光伏阵列的输出电压／电流、跟踪光强、环境光强、蓄电池充电电流／电压、逆变器的输出交流电流、交流电压、环境温度、蓄电池温度、光伏阵列温度、太阳方位角、高度角和风速。

电流检测是采用北京中新康达电子有限公司生产的电流传感器CHT50A-S实现的。该电流互感器的主要传感器件是霍尔元件，采用磁平衡原理。检测精度高，线性度好，而且检测电路与被检测电路完全隔离。但电流互感器实际上是电流一电流变换器，即将被测电流转换为0 mA～50 mA标准电流，并以电流源方式输出，为了获得可供A／D采集卡采集的电压信号，还必须外加电压取样电路，将电流信号转变成电压信号。其检测电路原理如图2所示。

电压检测是采用北京中新康达电子有限公司生产电压传感器HT500VI实现的。该电压传感器利用霍尔元件，采用磁补偿原理，大功率电阻把电压输入变换为电压传感器的0 mA～10 mA标准输入电流，并以电流源方式输出，为了获得可供A／D采集卡采集的电压信号，还必须外加电压取样电路，将电流信号转变成电压信号。检测电路原理如图2所示。



环境温度检测是采用AD590温度传感器实现的，它具有较高的精度和重复性，相对于热敏电阻精度有所提高，且检测温度范围为：-55℃～+155℃。检测电瓶温度和光伏阵列温度采用PT100铂电阻。为了获得A/D采集卡采集的电压信号，还必须外加电压取样电路。取样电路采用高阻抗同相放大器。检测电路原理如图3所示。



太阳光强和太阳能电池组件表面光强的检测非常重要，是系统太阳能电池组件性能和聚光发电效率的一个重要参数。在太阳光的照射下，由于太阳电池的输出短路电流与太阳辐照度成正比，故选取一块经标准光强标定好的光电池作为光强传感器，只要测出其输出短路电流和表面温度即可推算出当时其表面所受的辐射光强。检测电路原理如图4所示。



风速检测是采用长春气象仪研究所生产的FC-1型风速风向传感器。风杯风速仪是用风杯旋转架作为感应元件，一个多齿转盘和光电断器用来将转子速度转换为与风速成正比的频率电信号，为了获得A／D采集卡采集的电压信号，还必须外加电压取样电路。将电频率信号转变成电压信号。把频率信号送入频率／电压转换器中，经过取样电路，就可以得到与风速成正比的标准电压信号。其检测电路原理如图5所示。



太阳能电池阵列角度检测是采用北京天海科科技公司DWQ-360-BZ-V型角度传感器实现的，该传感器具有分辨率高、温度稳定性好等突出优点。

2.3 自动跟踪太阳与蓄电池充放电控制

太阳位置的变化会引起照射在平面镜镜面光强的变化，要使平面镜接收到最大的光强，应使镜面与太阳光线照射垂直，因此必须使平面镜跟踪太阳。太阳位置由高度角和方位角确定，可利用两个步进电机驱动平面镜作两轴运动，达到跟踪太阳的目的。在高度角和方位角跟踪时分别利用两只2CU型光电二极管作为太阳位置的敏感元件。4只光电二极管安装在同一个半球形的传感器壳内。每对二极管被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。传感器俯视结构如图6(a)所示。当镜面对准太阳时，太阳光平行于隔板，两只二极管的感光量相等，输出电压相同。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只二极管上，使两只二极管的感光量不等，输出电压也不相等。根据输出电压确定步进电机的转向，控制相关的继电器动作，接通步进电机使其转动。当转到太阳光重新平行于隔板时，两只二极管输出相同电压，继电器断开，电机停转。光电二极管信号放大电路如图6(b)所示。



蓄电池作为光伏发电系统的重要元件，延长其使用寿命是关键问题。蓄电池在充电过程中过量充电或是在放电过程中过量放电都会对蓄电池的性能造成不良影响，所以采用计算机实时检测蓄电池的端电压，根据充放电要求，控制充放电电子开关的导通和截止，从而延长蓄电池的使用寿命。确保系统的正常运行。蓄电池放电即负载用电可以采用两点控制方式，当蓄电池电压下降到一定值时报警，提醒工作人员节约用电，减少负荷；当电压下降到更低的下限值时，系统切断负载，从而防止蓄电池过放电造成的损坏。

为了提高系统运行的可靠性，还设有自动防风保护功能，当风力达到8级以上时，通过风速传感器检测到风速报警信号后，由计算机系统的继电器输出放翻控制动作，使太阳能电池组件和多平面镜阵快速收平，当风力降下来时，延迟10分钟，解除防风状态，恢复平面镜阵的跟踪过程。

此系统还设有夜晚自动恢复原始排放状态功能，当系统采集的实时环境光强和实时时间都小于设定的最小经济发电光强和傍晚时间时，平面镜阵恢复到原始位置，等待第二天的运行。

2.4 采集卡与I／O卡的选择

数据采集选用中泰研创科技有限公司生产的PC-6330模拟量输入采集卡，单端16路12位A／D转换输入和PS-003通用接线端子板配合使用完成现场数据采集与处理；开关量输出输入输出采用PC-6408光隔离开关量输入输出接口卡，DI为16路，DO也为16路，与PS-002继电器板配合使用完成现场信号输出控制。

3 全自动跟踪控制器的软件设计

系统运行流程图如图7所示。本软件设计采用Windows操作系统作为工作平台，以采集卡和I／O卡的驱动程序作为编程语言，主要包括主程序、采集数据子程序、监控子程序、跟踪子 程序、蓄电池充放电子程序等。此系统中数据采集量巨大，数据的处理要求高，随着时间的推移，数据的统计、保存、查询都会变的更加复杂。因此，必须采用先进的数据库管理技术。系统采用Visual Basic6.0软件平台。



4 结束语

光伏发电系统输出电压为75 V，功率为3 kW。只要对控制器的部分软硬件作适当的改动，即可适用于更大或更小容量的光伏系统。

该控制器是集光、机、电于一体的多功能智能控制器，系统经过长时间的实验模拟运行，具有精度高、操作方便、运行稳定等特点，提高了太阳能发电设备的利用率，大幅度降低了太阳能发电的成本。