開-閉環(huán)結(jié)合控制方式的定日鏡跟蹤控制策略

郝曉弘，郭鐵鍔，汪寧渤，丁 坤

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

定日鏡是塔式光熱電站中用于收集太陽能并將其聚集到吸熱器的裝置。其在電站中數(shù)量較多、占據(jù)場地較大。其控制方式、跟蹤精度和穩(wěn)定性等性能的優(yōu)劣，將直接影響電站的運(yùn)行效率。

常見的定日鏡跟蹤控制方式有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種[1]。國外已建塔式電站大多采用開環(huán)控制方式。開環(huán)控制(即程序控制)具有跟蹤快速、適用于大型鏡場集中調(diào)度方便的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是控制算法復(fù)雜、存在累積誤差[2-5]且較難校正。閉環(huán)控制(即傳感器控制)通過光電傳感器檢測定日鏡與太陽光線的相對(duì)位置，根據(jù)偏差控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到精準(zhǔn)聚集太陽光的目的[1,6-8]。這類控制可有效克服累積誤差以及鏡面偏心導(dǎo)致的跟蹤角度修正問題。但其缺點(diǎn)也顯而易見：當(dāng)陰天時(shí)，光電傳感器無法檢測到太陽光，可能導(dǎo)致控制失效；不適用于鏡場的集中監(jiān)控和調(diào)度；光電傳感器較難實(shí)施定日鏡的大范圍跟蹤，并且跟蹤的精度受傳感器結(jié)構(gòu)、光電池的靈敏度等因素的影響。

由于以上兩種控制方式存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著塔式電站對(duì)定日鏡跟蹤精度要求的不斷提高，本文提出一種兼具這兩種控制方式優(yōu)點(diǎn)的開-閉環(huán)結(jié)合的控制方式，并通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 定日鏡結(jié)構(gòu)

根據(jù)定日鏡設(shè)計(jì)要求及控制方式，本文研究的定日鏡采用雙軸結(jié)構(gòu)，即方位角-高度角跟蹤。定日鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定日鏡結(jié)構(gòu)圖

部分入射太陽光線經(jīng)過定日鏡鏡面幾何中心(幾何中心處放置一塊小型平面鏡)反射后，反射太陽光線穿過閉環(huán)光電傳感器，投射到吸熱器內(nèi)。當(dāng)太陽相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟蹤控制系統(tǒng)通過控制定日鏡的鏡面角度，使定日鏡鏡面中心、閉環(huán)光電傳感器與吸熱器接收面中心點(diǎn)(或其他指定目標(biāo)點(diǎn))始終成“三點(diǎn)一線”。

2 跟蹤控制策略

跟蹤控制系統(tǒng)采用開-閉環(huán)結(jié)合的控制方式。開環(huán)進(jìn)行鏡場集中控制，快速調(diào)整各定日鏡光斑位置。閉環(huán)進(jìn)行跟蹤微調(diào)，校正和消除定日鏡累積誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤。對(duì)于因陰雨天或光照強(qiáng)度過低而導(dǎo)致的光電傳感器失效、鏡場能量的優(yōu)化調(diào)度等情況，系統(tǒng)將只進(jìn)行開環(huán)控制，所以開環(huán)控制方式也應(yīng)具有較高的跟蹤精度。

根據(jù)太陽運(yùn)行規(guī)律和定日鏡場經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算入射太陽光的方位角和高度角，并將定日鏡旋轉(zhuǎn)目標(biāo)值發(fā)送至定日鏡控制器，控制器輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)方位角、高度角電機(jī)按設(shè)定的方向、位置轉(zhuǎn)動(dòng)。

在一個(gè)控制周期內(nèi)，當(dāng)定日鏡角度反饋值與目標(biāo)值的偏差大于Emax時(shí)，定日鏡以快速運(yùn)行速度Vmax進(jìn)行快速定位(即開環(huán)粗調(diào))；當(dāng)偏差小于Emax時(shí)，定日鏡進(jìn)行開環(huán)細(xì)調(diào)，采用增量式PID算法繼續(xù)跟蹤，至此實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制；當(dāng)定日鏡跟蹤偏差進(jìn)一步減小至Emin，達(dá)到光電傳感器的工作范圍內(nèi)，并且光照強(qiáng)度高于傳感器正常工作限制，則切換至閉環(huán)控制。閉環(huán)微調(diào)過程采用閉環(huán)跟蹤速度Vmin。整個(gè)控制周期內(nèi)采用復(fù)合式控制算法，如式(1)所示。當(dāng)下一次反射太陽光偏離誤差產(chǎn)生后，重復(fù)以上控制過程，實(shí)現(xiàn)定日鏡精準(zhǔn)跟蹤。此外，在閉環(huán)控制過程中，如果出現(xiàn)光電傳感器失效、鏡場需要優(yōu)化調(diào)度等情況，即切換至開環(huán)控制。

(1)

式中:U為算法輸出值，即步進(jìn)電機(jī)PWM脈沖頻率控制量；Vmax為定日鏡快速移動(dòng)速度輸出；f(PID)為增量式數(shù)字PID算法；Vmin為定日鏡閉環(huán)跟蹤速度輸出；E為反饋值與目標(biāo)值的偏差；Emax和Emin為偏差絕對(duì)值的兩個(gè)設(shè)定閾值。

3 開環(huán)控制

開環(huán)控制依據(jù)反饋值與目標(biāo)值偏差的絕對(duì)值大小分成兩段進(jìn)行，如式(2)所示。

(2)

當(dāng)偏差E大于26 mrad時(shí)，定日鏡以開環(huán)速度Vmax快速達(dá)到等待點(diǎn)；當(dāng)偏差E小于26 mrad時(shí)，定日鏡轉(zhuǎn)換為開環(huán)細(xì)調(diào)，進(jìn)行變速運(yùn)行。此時(shí)，跟蹤精度成為關(guān)鍵指標(biāo)，采用增量式數(shù)字PID算法。

定日鏡跟蹤控制時(shí)，采用主從方式，以Modbus遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit,RTU)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信，通信波特率為9 600 bit/s。監(jiān)控計(jì)算機(jī)每隔一定的時(shí)間向各定日鏡ID發(fā)送命令。命令串中包含定日鏡角度目標(biāo)值。時(shí)間間隔的設(shè)置與吸熱器接收靶大小、由定日鏡間歇式運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的最大允許漂移誤差以及太陽周日運(yùn)動(dòng)角度變化率等因素有關(guān)。本文將間隔設(shè)置為12 s。

當(dāng)定日鏡接收到狀態(tài)查詢命令時(shí)，采用應(yīng)答方式將定日鏡的運(yùn)行狀態(tài)返回至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，方便監(jiān)控計(jì)算機(jī)分析和處理數(shù)據(jù)，觀察跟蹤效果。對(duì)于定日鏡臺(tái)數(shù)眾多的鏡場，為方便分組集中管理，可將每20臺(tái)定日鏡分為一組，由網(wǎng)絡(luò)中繼器連接構(gòu)成子網(wǎng)。各子網(wǎng)再通過各自的網(wǎng)絡(luò)中繼器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連。

4 閉環(huán)控制

光電傳感器主要由凸透鏡、鏡筒、光電池、金屬外殼等部件組成[9]。

4.1 光電傳感器設(shè)計(jì)

光電池布置采用四象限法則[10]。將四片性能、參數(shù)相同的光電池分別安裝在鏡筒底部的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四個(gè)象限內(nèi)，如圖2所示。光電池Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ由隔板隔開，分別代表東、北、西、南四個(gè)方向。

圖2 光電池布置圖

在光電池前放置長度可調(diào)的鏡筒，并將凸透鏡放置在鏡筒前端。當(dāng)光線平行于光軸(透鏡法線方向)射入凸透鏡時(shí)，合理調(diào)節(jié)鏡筒的長度，使光斑均勻落在四片光電池上，則此時(shí)各光電池輸出電流大小相等。當(dāng)光線與光軸成φ角入射時(shí)，在四片光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移。光線與光軸不平行時(shí)的光斑如圖3所示。光線照到的地方用陰影部分表示。此時(shí)光斑不再等面積地覆蓋在四片光電池上，各光電池產(chǎn)生的光電流也不再相等。這時(shí)，控制器經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化模塊采樣經(jīng)過信號(hào)放大的光電壓信號(hào)[11-12]，并經(jīng)過比較算法，驅(qū)動(dòng)方位角電機(jī)和高度角電機(jī)動(dòng)作，直到Ⅰ、Ⅲ象限和Ⅱ、Ⅳ象限光電池輸出的光電壓相等或電壓差在誤差范圍內(nèi)，即太陽光線與透鏡光軸平行，電機(jī)停止運(yùn)行。Ⅰ、Ⅲ象限電壓差控制方位角電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，Ⅱ、Ⅳ象限電壓差控制高度角電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 光線與光軸不平行時(shí)的光斑圖

鏡筒的長度決定了閉環(huán)控制運(yùn)行時(shí)的角度范圍，即跟蹤系統(tǒng)切入閉環(huán)控制的角度閾值。光電傳感器的精度決定了閉環(huán)跟蹤運(yùn)行時(shí)的位置精度。因此，當(dāng)閉環(huán)控制時(shí)，能夠比較容易地提高跟蹤系統(tǒng)的精確度。

本文設(shè)計(jì)的光電傳感器，鏡筒長200 mm，光電池直徑為24 mm；凸透鏡參數(shù)為厚度5 mm，直徑為24 mm，焦距為800 mm。當(dāng)太陽光線平行于光軸入射時(shí)，形成的光斑直徑d為：

(3)

為了克服云遮工況或者早晨太陽升起以及太陽落山等工況造成的光照強(qiáng)度過低、閉環(huán)控制失效等情況，控制器在采樣電壓信號(hào)的同時(shí)，對(duì)光電流強(qiáng)度進(jìn)行測量。當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值，控制系統(tǒng)切入開環(huán)控制。

4.2 跟蹤精度分析

圓形光斑移動(dòng)圖如圖4所示[9]。當(dāng)太陽光斑圓心落在光電池中心O點(diǎn)時(shí)，Ⅰ、Ⅲ象限面積之差為零，Ⅱ、Ⅳ象限面積之差為零，則東西方向和南北方向電壓差為零。

假設(shè)光斑隨著太陽光線的偏移以近似圓形移動(dòng)，并且圓形光斑半徑為r。當(dāng)光斑移動(dòng)Δx時(shí)(如圖4所示)，光斑落在第Ⅰ象限的面積為扇形SCOD，光斑落在第Ⅲ象限的面積為扇形SAOB。

圖4 圓形光斑移動(dòng)圖

圖4中，點(diǎn)A、B、C、D為光斑移動(dòng)后與各象限邊界的交點(diǎn)。設(shè)∠OAO′=θ，則根據(jù)圖中對(duì)應(yīng)關(guān)系，∠BCO′=∠O′BC=∠OAO′=θ。由圖4可得出以下公式：

(5)

(6)

所以，扇形SCOD和SAOB的面積之差y可表示為：

(7)

(8)

則面積變化率表示為：

(9)

(10)

光電池的半徑r0=12 mm。在此選擇光電池的開路電壓U0=650 mV，則Ⅰ、Ⅲ象限的電壓差ΔU變化最大值為：

(11)

5 定日鏡控制程序設(shè)計(jì)

跟蹤流程如圖5所示。圖5中，E(k)為定日鏡角度目標(biāo)值和反饋值之間的偏差。控制切換條件為：當(dāng)光電傳感器失效、鏡場優(yōu)化調(diào)度時(shí)，閉環(huán)控制切換至開環(huán)控制。

圖5 跟蹤流程圖

6 跟蹤精度測量

對(duì)所設(shè)計(jì)的定日鏡跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了測試。首先，測量定日鏡對(duì)應(yīng)焦距f，選定測試時(shí)間段，繪制接收靶刻度。然后，設(shè)置定日鏡為接收靶跟蹤狀態(tài)，每隔5 min利用光斑采集系統(tǒng)捕捉對(duì)應(yīng)時(shí)刻的光斑圖像，利用軟件確定光斑中心點(diǎn)。光斑直徑以90%能量集中范圍來限定。

測試選址在南京江寧(北緯31.98°，東經(jīng)118.83°)，時(shí)間為2016年8月20日，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?5.5℃，年平均大氣壓為1 015.4 hPa，海拔高度為8.9 m[12]。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)天當(dāng)?shù)氐奶柛叨冉呛头轿唤?。?duì)應(yīng)的開環(huán)控制和閉環(huán)控制測試的結(jié)果如表1所示。檢測條件為：風(fēng)速<4 m/s，f=50 m。由表1可知，本文設(shè)計(jì)的定日鏡控制系統(tǒng)開環(huán)控制精度優(yōu)于3.5 mrad，閉環(huán)跟蹤精度優(yōu)于1 mrad。

表1 控制精度測試結(jié)果

7 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于開-閉環(huán)結(jié)合控制方式的定日鏡跟蹤裝置，提出了復(fù)合控制策略，有效克服了開環(huán)、閉環(huán)單獨(dú)控制方式的各自缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了定日鏡的高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定跟蹤。在試驗(yàn)測試中，該定日鏡控制不僅開環(huán)精度優(yōu)于3.5 mrad，閉環(huán)跟蹤精度優(yōu)于1 mrad，而且定日鏡與監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了開、閉環(huán)方式的自動(dòng)、無擾切換，達(dá)到了預(yù)期研究效果，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。