基于PAC的光伏发电太阳能最大功率跟踪系统设计

《 》 2012 年第 1 期摘 要 ： 为提高太阳能的转换效率 ， 保证太阳能输出的功率值达到最大 。 文章采用了基于 GE 的 PAC 控制系统 ， 以触摸屏CPU 为控制器 ， Genius 总线通讯的控制方式 。 通过选取双轴太阳能自动跟踪方式 ， 用传感器检测光源实现太阳能板的自动追踪 ， PAC 控制步进电机作为执行机构 ， 来提高追踪精度 。 通过实验已经证明 ， 此方法能提高太阳能转换效率 。关键词 ： 触摸屏 ； Genius 总线 ； PAC； 太阳能板中图分类号 ： TP29 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1672-0547 （ 2012） 01-0102- 03基 于 PAC 的光伏发电太阳能最大功率跟踪系统设计宋洪儒 杨 凡 周松林 杨锐敏（ 铜陵学院 ， 安徽 铜陵 244000 ）收稿日期 ： 2011-12-15作者简介 ： 宋洪儒 （ 1980- ）， 男 ， 河南周口人 ， 铜陵学院电气工程系助教 ， 硕士 ， 研究方向 ： 嵌入式系统 PLC 控制系统 ；杨 凡 （ 1978- ）， 女 ， 辽宁营口人 ， 铜陵学院数学与计算机系讲师 ， 硕士 ， 研究方向 ： 计算机控制技术 。基金项目 ： 安徽省高等学校省级自然科学研究项目 《 细菌群体趋药性算法的改进与应用 》（ 编号 ： KJ2010B458 ）， 铜陵学院自然科学基金项目 《 基于免疫原理的控制算法在嵌入式系统中应用研究 》（ 编号 ： 2010tlxy15 ） 成果 。随着现今科技产业的蓬勃发展 ， 能源危机以及生态环境的恶化 ， 太阳能作为一种清洁无污染和可持续的能源 ， 有着矿物能源不可比拟的优越性 ， 发展前景非常广阔 [1]。 尽管太阳能已有许多学者积极的研究和发展 ， 但还是无法将其普及化 ， 主要原因是太阳能的光电转化效率低 ， 其次太阳能板的价格昂贵 ， 所花费的成本给带来的效率有一定的差异 ， 目前只有 20%-35% 的转换效率 。 如何提高太阳能的转换效率成为研究热点 ， 太阳自动追踪系统为解决这一难题提供一种新途径 ， 同时太阳能自动追踪装置的精度直接影响设备利用太阳能的效率 。1. 光伏发电系统概述主动式追踪系统的工作原理是利用光电传感器来感测太阳的位置 ， 光电传感器可以测量目前方位是否正确 ， 并启动追踪机械部分来修正 ， 使任何时刻皆能接收最大的光照强度 ， 进而提升发电效率 ， 达到自动追踪的目的 。太阳追踪系统通常分为单轴太阳能追踪系统和双轴太阳能追踪系统两种 。 单轴太阳能自动追踪系统主要是指通过依东 - 西方向移动或方位角来自动追踪太阳 ， 使太阳能电池板保持较大的发电功率 。 双轴太阳能追踪系统是指东 - 西与南 - 北两个方向转动 ， 或是倾仰角与方位角转动来追踪太阳 ， 方位角和倾仰角依靠相同原理自动实施调整 [2]。 实现方位角和倾仰角方向的移动 ， 两运动方向用 GE PAC Motion 电机驱动在驱涡轮蜗杆驱动方式下带动太阳能板运动 ， 用光电传感器检测到光信号 。 自动追踪系统结构图如图 1 所示 。图 1 自动追踪系统结构图2. 控制模块的功能2.1 太阳能自动追踪系统太阳能自动追踪系统分为机械部分和太阳自动追踪控制部分 ， 机械部分主要有硅光电池板 、 双轴机械追踪系统和太阳能光照 ； 太阳自动追踪控制部分主要有光电传感器 、 通讯模块和 GE QUICKPANEL CONTROLCPU。 追踪系统采用双轴机械追踪定位系统 ， 可以同时在水平和垂直两个方向上追踪 ， 利用光电传感器来检测太阳的方位角和高度角 ， 通过 CPU 控制机械部分在驱动控制电路下使太阳能板在水平方向上的 0～ 180 度和垂直方向上的 0～ 90 度进行自由旋转 ， 使太阳能板始终工作在与太阳光成 90 度的最大入射角度 。2.2 光源追踪系统通过光电传感器对光照强度的检测 ， 告知触摸屏工 程 科 技102- -《 》 2012 年第 1 期CPU 控制器光强的方向 ， 双轴控制系统追踪最强光照 ，并采集数据 ， 达到最强光照采集点追踪完毕 。 另外 ， 在光源的 “ 东升西落 ” 的运动轨迹模拟下 ,动态追踪光源最强点 。 当灯光通过系统控制模拟运行时 ， 光感传感器感应灯光信号进而控制双轴追踪系统做水平和仰俯运动 ， 使太阳能电池板实时的能够跟踪灯光做相对运动 。2.3 GE 控制系统控 制 系 统 采 用 的 是 GE 公 司 15 寸 QuickPanelControl 内部的 CPU 控制器 ， 主要功能是运行程序控制外部元器件 ， 以及进行外部执行键的控制操作 ， 并在触摸屏上显示出实时采集到太阳能板产生的电压值和电流值 。QuickPanel Control 的控制总线采用 GENIUS 总线控制 ， 传输速率采用 153.6STD， 通过 GBI001 通讯模块与触摸屏专用 Genius 接口卡 IC754GEN001 之间的通讯 ， 将远程 VersaMax 的 I/O 信号采集及应用高速输出模块进行步进电机双轴运动控制 ， 从而实现远程控制 。数 据 采 集 采 用 的 是 VERSAMAX 通 讯 模 块IC200CMM020， 太阳能光照产生的电压和电流在光伏电表上显示出来 ， VERSAMAX 通讯模块 IC200CMM020通过采集光伏电表上电流和电压值 ， 传送到 Genius 通讯模块的 GBI001 ， 然后通过与触摸屏专用 Genius 接口卡 IC754GEN001 之间的通讯 ， 使实时数据在触摸屏上显示出来电流值和电压值 。3. 控制系统设计3.1 硬件配置选用 GE15 寸 QuickPanel Control 内部的控制器作为控制系统的核心 ， 通讯采用 Genius 通讯网络中的接口单元 GBI001 模块 ， 触摸屏专用 Genius 接口卡 ， 数据采集模块是 VERSAMAX 通讯模块 IC200CMM020 ， 远程 I/O 模 块 采 用 的 是 VERSAMAX 高 速 混 合 模 块 -IC200MDD841 。 硬件配置图如下 ：图 2 硬件配置图3.2 软件设计具体设计步骤为 ： 当系统通电后 ， 先检测各控制单元是否已经复位 。 若没有复位 ， 进行自动的复位 ； 若已经复位 ， 开始启动光源 ， 进行手动运行或自动运行 。 若启动自动追踪系统 ， 通过光电传感器检测到的光源 ， 发出信号通过 Genius 网络接口单元 GBI001 传送到触摸屏控制器 CPU， 控制器 CPU 会根据要求发出指令来控制执行机构的运行 ， 使控制太阳能板的电机转动 ， 太阳能板向光源强的方向运动 。 其次 ， 自动改变光源的位置 ， 通过传感器反应的信号 ， CPU 就会控制电机做相应的运动 ， 一直使太阳能板追踪光源 ， 随着光源的运动而旋转 。 这样就能保证太阳能板接收的光源最强 ， 产生的光伏电压值和电流值最大 ， 太阳能板输出的功率达到最大 。 最后 ， 太阳能板接收的光能最强时 ， 电机停止转动 ， 太阳能板停止旋转 。图 3 软件设计流程图通电检测各单元是否到位 ？各单元复位启动光源选择自动控制方式 ？手动控制启动控制光源位置系统手动改变光源位置启动追踪系统太阳板自动追踪光源是否功率达到最大值 ？停止追踪NNNYYY103- -《 》 2012 年第 1 期若启动手动控制追踪系统 ， 需要手动改变光源的位置 ， 来调节传感器接收到的光度强度 ， 从而使传感器发出信号给控制器 ， 在启动追踪系统后 ， 追踪系统就会根据控制器的指令改变太阳能板的位置向光源强的方向运动 ， 达到功率最大值后 ， 太阳能板就停止旋转 。 当再次改变光源位置后 ， 太阳能板就会继续追踪光源 ， 保障输出的功率最大 。3.3 采集数据系统设计数据采集采用的是 VERSAMAX 通 讯 采 集 模 块IC200CM-M020 ， 为保证采集到正确的数据 ， 需要对IC200CMM020 进行正确的通讯配置 ， 采集数据的程序如下图 4 所示 ：4. 结论本控制系统采用 PAC+ 触摸屏 + Genius 总线的控制方法 ， 该方法是以 GE 公司的 PAC 为核心设计的自动追踪系统 ， 系统使用触摸屏 CPU 作为控制器 ， 以 Ge-nius 总线实现通讯远程控制 ； 为提高自动追踪的精度 ，用步进电机来控制太阳能板的运动 。 通过实验证明该系统有效的提高了太阳能的转换效率 ， 有效的增加了太阳能板的输出功率 。参考文献 ：［ 1］ 罗运俊 ， 何梓年 .太阳能利用技术 [M].北京 ： 化学工业出版社 ，2005.［ 2］ 张文涛 . 基于 PLC 的太阳自动跟踪系统的设计与设计 [J].制造业自动化 ， 2010， (3):127-130.［ 3］ 任碧莹 ， 钟彦儒等 .基于模糊控制的最大功率点跟踪方法研究[J].电力电子技术 ， 2008， (11):47-48.［ 4］ 王建强 .太阳能发电技术与应用 [J].电力电子 ， 2009， (2):48-51.［ 5］ 张宝剑 ， 高国红 .双踪太阳能光伏发电系统研究 [J].安徽农业科技 ， 2010 ， (3):1446-1447.［ 6］ 许龙飞 .太阳能光伏发电系统控制器的研究 [D].西华大学 ， 2011.［ 7］ 程军照 ， 张腾飞 .多路并网光伏发电系统的仿真与分析 [J].电力系统及其自动化学报 ， 2009， (8):58-62.［ 8］ Roman E, Martinez V, Jimeno J C,et al. Experi-mental results ofcontrolled PV module for building integrated PV systems [J].Solar Energy, 2008, 82(5): 471-480.Design of Maximum Power Point Fracking of Photovoltaic Solar Energy Power System Based on PACSong Hong-ru,Yang Fan， Zhou Song-lin ， Yang Rui-min( Tongling University, Tongling Anhui 244000, China)Abstract ： In order to improve the conversion efficiency of solar energy, and ensure the output efficiency of solar energy to maximumvalue. This paper adopts the PAC control system of GE, the controller of the touchscreen CPU ,and the control methods of Genius bus.The system takes the dual -axis solar tracking mode automatically, dectects the light sources by means of the sensor to achieve theautomatic tracking of solar panels, uses stepper motor controlled by PAC as the executing agency to improve tracking accuracy. Theexperiments have shown that this approach can improve the solar conversion efficiency.Key words ： quickPanel; genius bus; programmable automation controller; solar panel图 4 数据采集程序104- -