基于嵌入式的光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計及應用效果分析

譚建斌

（佛山職業(yè)技術學院 電子信息學院，廣東 佛山 528137）

基于太陽運行軌跡的自動跟蹤控制系統(tǒng)，能夠通過實時數(shù)據(jù)采集及計算運行，得出太陽方位角及高度角曲線，并將二者與仿真曲線進行對比分析，可知實踐模型與理論模型在一定程度上達到契合，因此嵌入式光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，可進行推廣應用。

1 嵌入式光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計

1.1 自動跟蹤控制系統(tǒng)硬件設計

1.1.1 核心控制模塊設計

本文在進行自動跟蹤控制系統(tǒng)硬件設計時，為了考慮使用性能及可操作性，核心處理芯片選取了32 位ARM7TDMI-S 微控制器LPC2138，該核心處理芯片進行指令及譯碼過程比較簡單，方便后續(xù)模塊設計，核心控制模塊的具體設計流程如下。

1）核心處理芯片的片內(nèi)存儲為32 KB，F(xiàn)lash 程序存儲器片內(nèi)存儲為512 KB，其接口的寬度設置為128 位。

2）核心控制模塊的下載路徑要求兼容在系統(tǒng)中編程（IAP）及在應用中編程（ISP）2 種方式，在設計Flash編輯及擦除環(huán)節(jié)時要求反應速度在0.5 s 內(nèi)。

3）在設計嵌入式跟蹤接口時，要進行執(zhí)行代碼編寫，使其具備實時調試及高速跟蹤功能。

4）系統(tǒng)要設計出2 路UART、2 個運行速度較快的I2C 接口，同時配備SPI 及SSP 等串聯(lián)接口。

5）核心控制模塊要能滿足隨時更新擴容的要求，因此通用接口I/O 要達到47 個以上，而且電壓設置要達到5 V。

6）核心控制模塊在掉電或者不做功模式下，要設置出低耗電模式，如果存在意外掉電，進行外部中斷后要能夠喚醒，在進行單電源供電時，將CPU 的電壓設置在3.0～3.6 V。

7）核心控制模塊的模擬輸出要設置出不同檔位，通過2 個8 路A/D 轉換器及1 個D/A 轉換器可以滿足該要求。

1.1.2 電路設計

1）復位電路設計。復位電路設計需要配合核心處理芯片的性能，增加帶有I2C總線存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，該芯片具備低功耗特點，能夠將2 K的串行EEPROM及掉電保護電源監(jiān)控電路壓縮到一個芯片內(nèi)[1]。同時設置復位鍵（RST）進行復位信號的傳輸，CAT1025JI-30接收到信號后對I2C發(fā)出讀寫指令，此時對芯片SCL及SDA兩引腳設計連接到相應的接口，并在I2C電路上設計2個上拉電阻，具體復位電路設計如圖1所示。

圖1 復位電路設計圖

2）晶振電路設計。本設計主要采用外部晶振，結合核心處理芯片設計要求，晶振采用11.0592MHZ 的型號，并將其放置在微控制器LPC2138 的2 個時鐘引腳之間（XTAL1、XTAL2）。晶振電路設計要求接地，采用30 pF 的電容C1 及C2 在兩端處進行接地連接，具體設計如圖2 所示。

圖2 晶振電路原理圖

1.1.3 電源模塊設計

電源模塊為整個硬件系統(tǒng)提供動能，其設計要包含：輸出電流、電壓、功率、輸入電壓、電流、輸出紋波、電磁兼容及電磁干擾、體積限制及功耗限制、成本限制和安全因素。本設計中微控制器LPC2138 耗能較低，可以與I/O 設計連接一個電源，并采用3.3 V 單電源進行供電，結合市面上的電源型號，較為理想的為LDP芯片SPX1117M3-3.3，該芯片在輸出電流上能夠達到800 mA，而且輸出電壓的精度能夠控制在±1%以內(nèi)，在運行過程中能夠對系統(tǒng)進行電流限制及過熱保護[2]。電源連接的電路需要設計為5 V，并采用外部供電，設計瞬態(tài)電流限制功能時采用電感L1 來執(zhí)行，并配合電容C3 及C4 來達到濾波的目的。

1.1.4 通信接口設計

嵌入式光伏發(fā)電工程中應用的自動跟蹤控制器的通信接口需要在每一個節(jié)點上設計電路，采用DC-DC電路即可滿足要求。通信接口設計采用RSM485 型號的芯片，核心模塊中微控制器LPC2138 型號具有2 路UART，因此與之連接的RSM485 也要設計2 個，分別用UART0 和UART1 來表示，前者實現(xiàn)了軸控制器及跟蹤控制器之間的通信，后者實現(xiàn)了跟蹤控制器及監(jiān)控上位機之間的通信。配合RSM485 芯片設計還需配置一個專門的I/O 接口，負責控制訪問，I/O 與UART0連接的接口為P0.31，I/O 與UART1 連接的接口為P0.10，通信接口具體設計如圖3 所示。

圖3 RSM485 通信電路設計圖

1.1.5 調試接口設計

自動跟蹤控制系統(tǒng)需要在使用前進行調試及試運行，為了滿足軟件系統(tǒng)調試要求，在硬件設計環(huán)節(jié)要安裝一個調試接口。接口選擇要考慮核心微控制器LPC2138的兼容性，本設計選用了20 腳JTAG 仿真調試接口電路，具備嵌入式調試功能，其接口連接4 條線路：TMS 線路設計為測試模式選擇、TCK 線路設計為測試時鐘、TDI線路設計為測試數(shù)據(jù)輸入和TDO 線路設計為測試數(shù)據(jù)輸出，通過以上程序進行接口調試操作，如圖4 所示。

圖4 JTAG 接口電路設計圖

1.2 自動跟蹤控制系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 跟蹤控制任務主程序設計

跟蹤控制任務主程序設計主要是在軸控制器與計算機之間進行信息傳輸、指令下達及任務執(zhí)行，具體的設計流程如下。

1）系統(tǒng)初始化。設計時需要按照順序進行引腳功能、串口的初始化，并進行串口模式的設置，接著進行I2C 的初始化設置及I2C 模式設置，再有需要設置PCF8563 的時間初始化設置。

2）跟蹤條件判定。跟蹤條件判定需要滿足2 個要求，先計算出實時的太陽高度角及方位角，將數(shù)據(jù)代入函數(shù)pcf8563GetTime（），運用I2C 讀取數(shù)據(jù)，看太陽高度角是否大于等于20°，再結合實時風速值，看是否小于20 m/s，如果同時滿足以上2 個條件，可以判定為正常跟蹤模式，如果沒有同時滿足以上2 個條件需要進入跟蹤保護模式。

3）正常跟蹤程序。在第2）步判定為正常跟蹤模式后，系統(tǒng)需要設計太陽高度角及方位角的跟蹤功能，本設計中采用EleAngelTrack（）及AziAngelTrack（）2 個函數(shù)實現(xiàn)跟蹤控制函數(shù)的設計，程序進入設計階段時應用串口UART0 來讀取軸控制器上的太陽高度角及方位角。

方位角正常跟蹤。其中方位角跟蹤器設計時要配置增量式光電編碼器，并對編碼器進行軟件四分頻，將每度對應的脈沖值設置為4 096/360，此時需要計算組件實際方位角與實時方位角的差值脈沖，計算公式如下

根據(jù)式（1）計算得出的角度差脈沖如果大于11，需要檢查RS485 總線下的電機狀態(tài)是否為正行程限位，如果沒有處于該狀態(tài)需要重新計算跟蹤指令；如果式（1）中計算得出的角度差脈沖小于-11，需要檢查RS485 總線下的電機狀態(tài)是否為負限位，如果為負限位則表示電機狀態(tài)正常，能夠進行方位角的跟蹤控制[3]。

高度角正常跟蹤。該環(huán)節(jié)采用絕對式角度傳感器進行測量，計算高度角高度差時，運用組件實際高度－實時高度角公式，如果差值的絕對值大于1°，而且電機狀態(tài)正常，則表示能夠滿足高度角的跟蹤控制。

4）跟蹤保護程序。在第2）步判定為跟蹤保護模式后，將軟件系統(tǒng)設置為保護程序，并進一步細化保護程序為夜晚放平保護及避風保護后，如果太陽高度角小于20°，計算機下達指令，控制發(fā)電機的轉速，減緩轉速后進入夜晚放平保護模式。如果風速大于等于20 m/s，計算機發(fā)出指令控制驅動電機，放緩電機轉速后進入避風保護模式。

1.2.2 跟蹤控制器通信程序設計

軟件系統(tǒng)中RS485 總線負責軸控制器及跟蹤控制器、跟蹤控制器及監(jiān)控上位機之間的通信，通信過程要求數(shù)據(jù)傳輸遵循相應的通信協(xié)議，本設計采用Modbus 協(xié)議，后續(xù)設計環(huán)節(jié)中各種控制器使用的公共語言必須遵守該協(xié)議，并要將設備節(jié)點地址也轉換為Modbus 設備地址。Modbus 協(xié)議運行過程中會應用到ASCⅡ及RTU 兩種傳輸模式，第一種模式傳輸1 個數(shù)據(jù)幀中的1 個字節(jié)，要應用2 個ASCⅡ字符來實現(xiàn)；第二種模式進行相同字節(jié)的傳輸則只需要2 個16 進制字符，因此在實際設計時要選用RTU 模式完成主機和相關設備之間的通信[4]。

2 嵌入式的光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)應用 效果

2.1 調試軟件設計

試運行前的調試需要檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采用串行通信方式進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳送至計算機，設置可視化設備后可以實時觀測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時存入關系數(shù)據(jù)庫。本項目中運用Basic 語言來設計上位機調試軟件，首先應用可視化程序設計語言（Visual Basic）進行編程，該過程依據(jù)事件驅動機制，程序設計要具備跟蹤器通信功能，以及風速、風向、高度角和方位角的運行狀態(tài)的實時跟蹤功能，并將以上功能設計出相應的顯示界面[5]。實際操作時需要上位機讀取串口UART1 的信息，并通過RS485 總線反饋至上位機，期間獲取的數(shù)據(jù)需要運用Microsoft Access 連接到數(shù)據(jù)庫中：

cnn.Open"provider=microsoft.jet.oledb.4.0;data source= database.mdb;persist security info=false;"

rsl.CursorLocation=adUseClient

rsl.Open"selsct*from ARM1"，cnn，ad OpenDynamic，adLockPessimistic...

上位機調試軟件的編程設計屬于計算機頂層的軟件監(jiān)控設計，此種設計能夠連接多個跟蹤控制器，相應的控制器需要賦予唯一的地址編碼，以便后續(xù)跟蹤識別，而且每個跟蹤控制器在數(shù)據(jù)庫中都有唯一一個表相對應。

2.2 工程應用

本文設計的嵌入式光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)實際運行時應用于10 MW 光伏并網(wǎng)電站，實際應用所采用的具體技術參數(shù)見表1。

表1 某光伏并網(wǎng)電站跟蹤控制系統(tǒng)器主要技術參數(shù)

考慮周圍環(huán)境及惡劣氣候條件，需要將跟蹤控制系統(tǒng)模塊及電氣控制模塊放置在具有特殊功能的電氣柜中，保證電氣柜的各個功能器件連接到主機部分。

2.3 應用結果分析

選取12：50—13：50 時間段的太陽方位角與跟蹤器組間方位角的數(shù)據(jù)進行對比分析（圖5（a）），并選取12：00—13：00 時間段的太陽高度角與跟蹤器組間高度角的數(shù)據(jù)進行對比分析（圖5（b））。

圖5 跟蹤曲線圖

結合圖5 可知，在選取的跟蹤時間段內(nèi)，跟蹤取得的數(shù)據(jù)曲線中圖5（a）方位角曲線變化及趨勢與仿真曲線相近似，角度差曲線與太陽位置曲線趨于重合，達到了預期要求。而圖5（b）的高度角跟蹤曲線的變化范圍及趨勢與仿真曲線存在偏差，分析現(xiàn)場運行環(huán)境可知，跟蹤系統(tǒng)在風力較大的情況下，組件會發(fā)生晃動的情況，使得高度角測量存在誤差，為了提升運行效果，可以在風速較小的情況下，采用多次測量計算得出平均值的方法來降低誤差。

3 結束語

光伏發(fā)電優(yōu)勢較為明顯，不僅儲量豐富，而且應用范圍廣泛，通過嵌入式光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)了將太陽能轉換成電能，進一步解決了能源緊張的問題。跟蹤系統(tǒng)操作方便、結構簡單，降低了工程成本，是電能行業(yè)未來應用的主要趨勢。