太陽能跟蹤系統(tǒng)的智能控制及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭益文，馬立新，魯 奕，余 濤，肖 川

(上海理工大學(xué)，上海200093)

0引 言

近年來，太陽能作為一種理想的新能源，開發(fā)、利用太陽能是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題最具獨(dú)特優(yōu)勢的重要途徑，成為人們研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。其中，光伏發(fā)電作為太陽能利用重要方面，擁有廣闊應(yīng)用前景［1］。由于太陽光具有間歇性以及日照強(qiáng)度和方向的不確定性，導(dǎo)致整個光伏發(fā)電系統(tǒng)呈非線性。目前太陽能跟蹤系統(tǒng)主要采用平板固定式架構(gòu)和PI、PID等控制方法，其架構(gòu)單一，控制系統(tǒng)簡單，跟蹤控制效果差，發(fā)電效率較低，太陽能利用率低。

因此本文以Altera CycloneII 2C70 FPGA為開發(fā)平臺，根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤(以下簡稱MPPT)原理和模糊控制原理［2］，提出了一種新的太陽能跟蹤方式，研究設(shè)計(jì)了一種追日性能良好、智能型、雙軸跟蹤的太陽能追蹤系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)非線性帶來的控制困難等問題，能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽，極大地提高了太陽能利用率。本系統(tǒng)也是未來太陽能控制系統(tǒng)的一種發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

1光伏發(fā)電和MPPT的概念、原理及特性

1．1光伏發(fā)電的概念、基本原理及特性

太陽能發(fā)電是指無需通過熱轉(zhuǎn)換過程直接將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電方式，包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能電池這種半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，是當(dāng)今太陽能發(fā)電的主流方式。

太陽能光伏發(fā)電基本原理為:利用太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)區(qū)域中產(chǎn)生一對正、負(fù)電荷，正、負(fù)電荷被分離，產(chǎn)生一個外電流場，電流從晶體硅片電池的底端經(jīng)過負(fù)載流至電池的負(fù)端，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)化成電能。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池(組)構(gòu)成。光伏發(fā)電的等效模型如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電的等效模型

圖1中，IS為與光照強(qiáng)度成正比的光電流;Id為二極管反向飽和電流;I為負(fù)載電流;Ra為PN結(jié)等效電阻，Rb為太陽能電池串聯(lián)等效電阻;R為負(fù)載電阻。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率特性如下:

式中:Id為二極管反向飽和電流;q為電子電荷;K為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;A為PN結(jié)理想因子。

1．2 MPPT的概念、基本原理及特性

MPPT控制即最大功率點(diǎn)跟蹤控制［3］，能夠?qū)崟r偵測太陽能電池板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使電池板具有最高的發(fā)電量。由于電池板的輸出功率受外部環(huán)境影響，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用MPPT電路和相應(yīng)的控制方法提高對光伏器件的利用效果。如果太陽能電池板的結(jié)溫不變，其功率和日光強(qiáng)度的特性曲線如圖2所示，當(dāng)太陽能電池板接受的日光強(qiáng)度為Umax時，達(dá)到最大功率點(diǎn)Pmax。

圖2 太陽能電池板功率和日光強(qiáng)度的特性曲線

2基于MPPT的模糊控制器設(shè)計(jì)

2．1基于MPPT控制思想的太陽能跟蹤方式

由于太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角θ有關(guān)，即電池板在某時刻某溫度下的最大輸出功率與θ有關(guān)，當(dāng)光線與電池板平面垂直時(θ=90°)，其發(fā)電量最大，改變?nèi)肷浣铅龋l(fā)電量明顯下降。因此，可以通過控制入射角θ的大小，控制電池板的最大功率輸出Pmax。入射角θ與電池板最大功率點(diǎn)Pmax的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 入射角θ與最大功率Pmax的關(guān)系曲線

本系統(tǒng)要求太陽能電池板能對太陽做雙軸跟蹤［4］，在水平方向上進(jìn)行 360°旋轉(zhuǎn)跟蹤，垂直方向上進(jìn)行180°俯仰角調(diào)節(jié)，以準(zhǔn)確跟蹤太陽所在方位。因此，系統(tǒng)采用四個光電傳感器追蹤太陽光，負(fù)責(zé)偵測東西南北四個方向的光源強(qiáng)度，各方向上均有一個光敏電阻，以45°角朝向光源處，并于該方向設(shè)置擋板用以隔離其他方向的光線，以達(dá)到快速判別太陽位置的廣角式搜索。四個傳感器分為兩組，東西方向?yàn)橐唤M，南北方向?yàn)橐唤M，以東西方向?yàn)槔?設(shè)uE為東向傳感器的電壓信號，uW為西向傳感器的電壓信號，△u為兩個光電傳感器輸出的電壓差信號，△u=uE-uW。當(dāng)兩個傳感器接收到的光照強(qiáng)度不一致時，東西向傳感器會輸出兩個不同的電壓信號，也就是uE≠uW，此時△u越大，θ越偏離90°。uE、uW經(jīng)過電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC0804)轉(zhuǎn)換后，輸送給FPGA進(jìn)行模糊控制算法處理，它根據(jù)兩個光電傳感器輸出的電壓差信號△u，計(jì)算出步進(jìn)電動機(jī)步數(shù)n，并且驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)做相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)東西方向傳感器接受光照強(qiáng)度相同時，則△u為零，電機(jī)步數(shù)亦為零，此時θ=90°，即東西方向太陽光和電池板垂直，系統(tǒng)處于太陽能最佳接受狀態(tài)。

東西方向太陽光與電池板的入射角θ和光電傳感器輸出電壓差信號Δu構(gòu)成一一對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。南北向傳感器工作原理相同。本系統(tǒng)為了與后面設(shè)計(jì)模糊控制器的輸入變量區(qū)分，這里把Δu記作e。

由于太陽光具有間歇性，日照強(qiáng)度和方向的不確定性，系統(tǒng)是非線性的，故利用模糊控制算法上的智能性、自適應(yīng)性來對非線性的太陽能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行控制［5］，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對太陽的準(zhǔn)確跟蹤。

圖4 入射角θ和電壓差信號Δu關(guān)系曲線

2．2模糊控制器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模糊控制理論作為步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的控制基礎(chǔ)，模糊控制算法主要是設(shè)計(jì)一個模糊邏輯控制器［6］，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)

2．2．1 模糊化

由圖5所示，在采樣間隔K時，設(shè)變量e(k)為東西向兩個傳感器信號差，△e(k)為信號差的變化率，則系統(tǒng)取e(k)，△e(k)為模糊控制器的輸入變量，步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)n為輸出變量。當(dāng)e(k)為零時，表明電池板與太陽光垂直，已經(jīng)工作在最大功率點(diǎn)上。每個變量都定義PB(正大)、PS(正小)、ZO(零)、NS(負(fù)小)、NB(負(fù)大)五個語言值，即 e(k)，△e(k)，n={NB，NS，ZE，PS，PB}，每個語言值都采用了五個均勻分布的三角形隸屬度函數(shù)，如圖6所示。

圖 6 e，Δe，n 的隸屬度函數(shù)

2．2．2 模糊規(guī)則推理

在地球自轉(zhuǎn)過程中，太陽光和電池板的角度關(guān)系也在不斷變化，有步進(jìn)電動機(jī)控制步數(shù)n和傳感器電壓差信號e特性曲線，如圖7所示。

特性曲線中包含了步進(jìn)電動機(jī)步數(shù)n隨e(k)、△e(k)的四種變化過程:①當(dāng)e(k)＞0、△e(k)＜0時，n由右側(cè)靠近原點(diǎn)(Pmax)，即電機(jī)向東前進(jìn);②當(dāng)e(k)＞0、△e(k) ＞0時，n由右側(cè)遠(yuǎn)離原點(diǎn)(Pmax)，即電機(jī)向西前進(jìn);③當(dāng)e(k)＜0、△e(k)＞0時，n由左側(cè)靠近原點(diǎn)(Pmax)，即電機(jī)向西前進(jìn);④當(dāng) e(k)＜0、△e(k)＜0時，n從左側(cè)遠(yuǎn)離 Pmax，即電機(jī)向東前進(jìn)。

因此，當(dāng)輸入變量e(k)和△e(k)不同時，系統(tǒng)調(diào)整n的大小使輸入變量e(k)始終趨于零。把所有的這些變化規(guī)則總結(jié)起來，就形成了模糊規(guī)則推理表，如表1所示。

圖7 電機(jī)步數(shù)n和傳感器電壓差信號e特性曲線

表1 模糊規(guī)則推理表

2．2．3 反模糊化

本系統(tǒng)模糊邏輯控制器的仿真選擇Mamdani型控制器，反模糊方法為重心法，其計(jì)算為:

式中:△n為第k次采樣時模糊控制器輸出的校正值;ri為第i條模糊規(guī)則推論的結(jié)果;u(ri)為第i條模糊規(guī)則的控制力度。

2．2．4 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖8所示。通過模糊控制器控制傳感器電壓差信號e時，系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整步進(jìn)電動機(jī)，并使e趨于零，即電池板與太陽垂直，跟蹤到最大功率點(diǎn)上。

圖8 仿真結(jié)果

3太陽能跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文介紹的太陽能跟蹤方式和智能控制方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制流程圖，如圖9所示。

最后，系統(tǒng)基于Altera公司的 CycloneII 2C70 FPGA 開發(fā)板［7］，采用 SOPC 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)［8］，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)智能跟蹤控制器。系統(tǒng)采用GL5528光電傳感器、863HB69-583步進(jìn)電動機(jī)、ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、Altera CycloneII2C70FPGA等硬件搭建了太陽能跟蹤控制系統(tǒng)，如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)控制流程圖

圖10 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用300 W燈泡作為光源，通過改變光源的亮度來模擬太陽光的強(qiáng)弱，通過改變光源的位置來模擬太陽的轉(zhuǎn)動，把光電傳感器采集到的信號輸入FPGA作相應(yīng)的處理來控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，步進(jìn)電動機(jī)能夠依據(jù)兩側(cè)的光照強(qiáng)弱作正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)兩側(cè)的光強(qiáng)差值較大時，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動的角度也較大;當(dāng)兩側(cè)光強(qiáng)的差值較小時，電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度也較小，初步認(rèn)定系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽，跟圖8的仿真結(jié)果相符合。

4總 結(jié)

基于MPPT原理和步進(jìn)電動機(jī)的特性，本文提出了n-θ太陽能跟蹤方式，并采用模糊控制算法和FPGA設(shè)計(jì)了智能跟蹤控制器，解決了系統(tǒng)非線性帶來的控制困難等問題。這種基于FPGA的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，不僅是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，也是未來太陽能控制系統(tǒng)的一種發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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