胡徐勝 紀(jì) 萍

（河海大學(xué)文天學(xué)院 安徽馬鞍山 243031）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)利用電池組件將太陽(yáng)能輻射能轉(zhuǎn)換為電能。目前如何提高太陽(yáng)能的收集效率成為研究的熱點(diǎn)[1]。一般采用光電跟蹤和視日軌跡跟蹤兩種模式以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光照的跟蹤以提高跟蹤效果[2]。

一、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

控制系統(tǒng)總體控制框圖如圖1所示，電池板接收太陽(yáng)能后由光電傳感器檢測(cè)光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；角度編碼器檢測(cè)電池板實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度和理論轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的誤差，并把該數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)送至控制器[3]；控制器通過(guò)串行通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；當(dāng)遇到太陽(yáng)光線照射較差的天氣狀況時(shí)采用定時(shí)跟蹤控制策略，即采用算法計(jì)算出太陽(yáng)角度信息，在某些特定時(shí)刻驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)板的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)至相應(yīng)角度從而完成實(shí)時(shí)跟蹤[4]；限位開(kāi)關(guān)保證系統(tǒng)在安全角度范圍內(nèi)運(yùn)行；通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)-手動(dòng)模式的切換；手動(dòng)模式主要用于安裝調(diào)試階段和特殊情況下的手動(dòng)操作等[5]。

圖1 系統(tǒng)硬件控制框圖

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其主要組成部分有太陽(yáng)能接收裝置、光伏控制器、蓄電池、交流逆變器等[6]。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

（一）太陽(yáng)能電池組件。太陽(yáng)能電池組件在有陽(yáng)光的時(shí)候，可以吸收光能然后將其轉(zhuǎn)化為電能[7]。太陽(yáng)能電池組件的工作原理是通過(guò)電池組件吸收電能，在光生電壓的作用下，電池組件的兩端產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了光能到電能之間的轉(zhuǎn)換[8]。太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能，可以通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，也可以給負(fù)載提供電能。

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理圖

（二）蓄電池。蓄電池將電能儲(chǔ)存起來(lái)，在負(fù)載需要供電的時(shí)候，隨時(shí)可以對(duì)其提供電能，是太陽(yáng)能的儲(chǔ)能原件。

（三）光伏控制器。為了提高實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，使用太陽(yáng)能光伏控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的控制[9]?？刂葡凳拐麄€(gè)系統(tǒng)的核心，確保系統(tǒng)可靠正常的工作。光伏技術(shù)不斷的在提高，太陽(yáng)能光伏控制器的功能不斷得到強(qiáng)化，現(xiàn)如今的光伏控制器可以具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ茉跍夭畲蟮臅r(shí)候，也可以具有顯示功能即顯示蓄電池充放電是的的電量狀態(tài)，顯現(xiàn)集成的趨勢(shì)[10]。

（四）交流逆變器。交流逆變器的作用是將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)逆變后轉(zhuǎn)換成交流供給負(fù)載，它是電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換的中心[11]。

基于以上設(shè)計(jì)方案，擬結(jié)合單片機(jī)STC89C51的具體特性，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能面板對(duì)太陽(yáng)照射的跟蹤控制。

二、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角來(lái)標(biāo)定出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)照射的跟蹤，其系統(tǒng)原理框圖如圖3所示[12]。時(shí)鐘模塊為單片機(jī)提供時(shí)鐘信息，單片機(jī)通過(guò)控制系統(tǒng)檢測(cè)角度信號(hào)，并通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)控制角度驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行角度控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池的角度控制，以達(dá)到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制的目的[13]。

圖3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制原理圖

（一）主程序設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖4所示，主要處理實(shí)時(shí)性要求較低的功能，構(gòu)建了整個(gè)控制系統(tǒng)的框架，其中SPM波的生成和參數(shù)設(shè)定是控制系統(tǒng)的核心[14]。

圖4 主程序流程圖

（二）一種帶多路選擇的復(fù)合型PID角度跟蹤控制算法。為提高太陽(yáng)能角度跟蹤控制的穩(wěn)定性和控制精度，主要采用一種帶多路選擇的復(fù)合型PID控制[15]。其具體算法如下：

（1）根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定角度變化范圍ε和ε0，其中εt＞ε0＞0。

系統(tǒng)的控制算法流程圖如圖5所示。

圖5 一種帶多路選擇的復(fù)合型PID控制

三、實(shí)驗(yàn)與仿真

根據(jù)圖4的主流程圖和圖5的帶多路選擇的復(fù)合型PID角度跟蹤控制算法控制算法，可實(shí)現(xiàn)PWM波的輸出，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PWM細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)表

由表1可見(jiàn)，在每個(gè)象限內(nèi)，輸出的波形結(jié)果都很理想，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制目標(biāo)。

四、結(jié)語(yǔ)

在對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析和原理研究的基礎(chǔ)上，提出了一種帶多路選擇的復(fù)合型PID角度控制算法對(duì)太陽(yáng)能的角度進(jìn)行跟蹤控制。設(shè)計(jì)了主流程圖和控制算法，實(shí)現(xiàn)了SPWM波形的輸出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明控制效果良好。