太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)定日鏡控制

方茂成，王 平

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

0 引 言

在太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)中，定日鏡是將太陽(yáng)光反射到反射塔上的裝置，是塔式熱發(fā)電系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，定日鏡性能是影響太陽(yáng)能電站發(fā)電能力的重要因素，也是制約塔式電站容量的關(guān)鍵因素。由于定日鏡距反射塔較遠(yuǎn)，因此要求其具備很高的精度。本系統(tǒng)通過(guò)將太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的計(jì)算算法融入永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服位置控制器中實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的實(shí)時(shí)跟蹤，通過(guò)精確調(diào)節(jié)定日鏡位置跟蹤精度獲得最大的太陽(yáng)光輻照利用效率。

1 定日鏡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為定日鏡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。塔式熱發(fā)電站的定日鏡控制系統(tǒng)以工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)PLC與Profibus現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制總線連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要由主控部分和功率驅(qū)動(dòng)部分組成，實(shí)現(xiàn)與Profibus通訊以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能。由圖1可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)即控制定日鏡頂點(diǎn)角與方位角兩個(gè)方向的電機(jī)，定日鏡連接在金屬桿件基材上，傳動(dòng)方式等多采用齒輪減速。

圖1 定日鏡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 定日鏡控制策略

根據(jù)太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)前所處的位置數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、經(jīng)度、緯度、年平均氣壓、海拔、年平均溫度等數(shù)據(jù)，通過(guò)太陽(yáng)運(yùn)行位置計(jì)算算法精確計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)所處位置的頂點(diǎn)角與方位角，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的輸入，以控制電機(jī)A、B，從而達(dá)到定日鏡精確、快速跟蹤太陽(yáng)位置，實(shí)現(xiàn)最大效率地利用太陽(yáng)光輻射利用效率。

本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制采用基于空間電壓矢量(SVPWM)的磁場(chǎng)定向控制，對(duì)電機(jī)位置、定子電流、母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)，電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)的調(diào)節(jié)均采用PI調(diào)節(jié)器。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2為定日鏡數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 定日鏡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2可以看出，該數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件部分包括TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器控制、IPM功率模塊、永磁同步電機(jī)、光電編碼器、整流電路、電流傳感器等，SPC3協(xié)議芯片用于實(shí)現(xiàn)Profibus協(xié)議與工控機(jī)通訊。

2.1 主控部分

主控部分的核心器件為TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器，通過(guò)SPC3協(xié)議芯片與上位機(jī)通訊，完成時(shí)鐘校準(zhǔn)、主控部分狀態(tài)檢測(cè)等功能;通過(guò)SUN位置算法得出當(dāng)前太陽(yáng)位置的頂點(diǎn)角與方位角，作為EPWM模塊的參數(shù)輸入，由EPWM模塊產(chǎn)生共2組6路帶死區(qū)控制的SVPWM信號(hào)控制電機(jī)A、B;EQEP模塊接收來(lái)自光電編碼器的正交編碼信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)位置信息;A/D模塊對(duì)來(lái)自電流傳感器的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)定子電流。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)部分

為實(shí)現(xiàn)與主控部分隔離，避免電磁干擾，功率驅(qū)動(dòng)部分包括與主控部分獨(dú)立的整流濾波模塊、逆變模塊、開(kāi)關(guān)電源模塊，還包括電機(jī)定子電流檢測(cè)模塊，電機(jī)位置檢測(cè)模塊等。

整流濾波模塊對(duì)380 V三相正弦電壓進(jìn)行整流濾波后得到513 V直流電壓，作為IPM單元的直流母線電壓。

開(kāi)關(guān)電源模塊提供給整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)部分需要的±15 V、+5 V直流電壓。

電流傳感器選用LEM公司的LA100－P，變流比為1∶2 000，具有優(yōu)良的線性與精度，輸出的電流信號(hào)經(jīng)外圍電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳輸至主控部分處理。

電機(jī)位置檢測(cè)選用的光電編碼器為NEMICON公司的Encoder SBY－25型編碼器，AB相每轉(zhuǎn)各輸出2 500個(gè)矩形脈沖，Z相為清零脈沖，每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖，可用于清除累積誤差，UVW相輸出電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置所處扇區(qū)，便于檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處初始位置及便于同步電機(jī)起動(dòng)處理。

逆變模塊選用的IPM單元為三菱公司的PM50RLA120，額定功率為5.5 kW。SVPWM信號(hào)需經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入IPM模塊，產(chǎn)生的逆變信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)A、B。該IPM單元具有短路、欠壓、過(guò)溫等一系列保護(hù)功能，由P－FO引腳輸出反饋給主控部分。

3 軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。主程序主要完成相關(guān)寄存器設(shè)定、中斷設(shè)定、參數(shù)初始化的工作，完成后執(zhí)行循環(huán)等待程序，并等待中斷事件的發(fā)生。中斷事件發(fā)生后由DSP響應(yīng)中斷事件，處理完畢后，中斷返回，程序繼續(xù)進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)。

圖3 主程序及中斷服務(wù)子程序流程圖

本系統(tǒng)涉及的中斷服務(wù)程序有兩個(gè):EPWM溢出中斷和光電編碼器Z脈沖中斷。其中EPWM溢出中斷為主要中斷，控制定日鏡兩個(gè)方向的電機(jī)。Z脈沖中斷完成對(duì)脈沖計(jì)數(shù)器清零，校驗(yàn)脈沖計(jì)數(shù)器等功能。

4 仿真結(jié)果

圖4是在Matlab 6.5及Simulink 5.0環(huán)境下建立的永磁同步電機(jī)A仿真模型圖。其中，速度調(diào)節(jié)器參數(shù):PI調(diào)節(jié)、比例因子為20，積分因子為2.6，輸出范圍限制為［100 rad/s，－100 rad/s］;電流調(diào)節(jié)器參數(shù):PI調(diào)節(jié)器，比例因子為50，積分因子為2.6，輸出范圍限制為［30 A，－30 A］;永磁同步電動(dòng)機(jī)A參數(shù):定子電阻rs=2.875 Ω、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=8×10－3kg·m2、定子電感 Ld=Lq=0.008 5 H、轉(zhuǎn)子磁鏈 ψf=0.175 Wb、極對(duì)數(shù) pm=4。

圖4 永磁同步電機(jī)A仿真模型圖

負(fù)載TL=5 N·m時(shí)的仿真波形如圖5～圖7所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)定日鏡的快速、精確控制直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。本文使用TI公司推出的新一代電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F28335，其強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力與增強(qiáng)型外圍接口電路，能夠很好地滿足系統(tǒng)的要求，并且使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程更加方便、高效，是一種比較理想的控制方法。