一種采用PLC控制的極軸跟蹤光伏發電陣列設計

王新,華永明,李小燕

(東南大學能源與環境學院,江蘇南京210096)

跟蹤式系統光伏發電系統能夠精確地跟蹤太陽輻照的角度,與固定式光伏發電系統相比,對太陽光的接收理論上可以提高37.7%,發電量也因此會得到增加[1]。當然,跟蹤式系統的控制方法復雜,結構設計要求高,其可靠性與固定式相比稍差一些,不過隨著跟蹤技術的不斷完善,目前跟蹤式系統的可靠性已經有了很大提高,因此各國競相發展采用跟蹤裝置的光伏發電系統,據統計,截止到2008年采用跟蹤裝置的光伏電站已經占總量的27%左右[2]。自動跟蹤光伏陣列可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤,其中單軸跟蹤只能圍繞一個旋轉軸旋轉跟蹤太陽運行的方位角或者高度角的變化,與雙軸跟蹤相比結構簡單但跟蹤的精度稍差,不過有資料指出,對于平板組件的跟蹤,跟蹤精度(如±10°)在一定的范圍內對光伏陣列效率的影響不大,因此設計合理的單軸跟蹤要比雙軸跟蹤有更高的性價比[3-4]。本文將設計一個極軸跟蹤光伏陣列,陣列采用西門子 S7-200PLC進行跟蹤控制,然后通過試驗對設計的極軸跟蹤光伏陣列和固定安裝的光伏陣列進行比較,驗證其效果。

1 自動跟蹤裝置的設計

極軸跟蹤要求旋轉軸與地球的極軸平行,它與水平面的夾角與安裝地的緯度有關,因此跟蹤裝置的設計首先要正確計算旋轉軸的角度。PLC是自動跟蹤系統的核心部件——本文的硬件配置和軟件設計都將圍繞所選擇的西門子S7-200進行。

1.1 機械機構設計

設計的極軸跟蹤光伏列陣的機械裝置旋轉軸及支柱部分見圖1。由于安裝地點北緯31°55′,為使旋轉軸與地球極軸平行,確定機械支撐機構旋轉軸與水平面的夾角為31°55′。斜軸由東向西旋轉跟蹤太陽的時角,如果以中午12:00為基準,那么斜軸向東旋轉15°為11:00,旋轉60°為8:00,斜軸向西旋轉60°為16:00。裝置帶有手動裝置用于用于校準,為了方便,在機械結構垂直于斜軸裝有類似表盤的刻度表。為了防止損壞電機和機械部分,在初始位置和終點位置都設有限位開關。

圖1 機械裝置旋轉軸及支柱部分

1.2 硬件設計

圖2為極軸跟蹤裝置系統組成框圖,系統由帶有實時時鐘的S7-200PLC(選用CPU222)模塊、繼電器、限位開關、帶齒輪減速的單相電容式可逆交流電機和機械傳動裝置組成。

圖2 極軸跟蹤系統裝置組成框圖

PLC是自動跟蹤系統的核心部件,系統采用西門子公司的S7-200系列PLC,該系列具有緊湊的結構、靈活的配置和強大的指令集,用戶程序包括位邏輯、計數器、定時器、復雜的數學運算以及與其他智能模塊通訊等指令內容,從而使S7-200能夠監視輸入狀態,改變輸出狀態以達到控制的目的。S7-200 CPU 222的特點有:主機集成8輸入/6輸出共14個數字量I/O點;6kB程序和數據存儲空間;可以連接2個擴展模塊,可擴展最多64個I/O點和8路模擬量;具有4個高速計數器;具有高速脈沖輸出接口;具有RS-485通訊結構。由于需要和繼電器配合使用,選擇輸出形式為繼電器輸出的PLC,由于需要用實時時間,因此,采用實時時鐘與CPU222配合。

PLC外圍電路圖如圖3所示,選用輸入I0.0作為自動和手動控制的切換開關,I0.1為初始位置限位開關,I0.2為終點位置限位開關,PLC輸出Q0.0接正轉繼電器的控制線圈,輸出Q0.1接反轉繼電器的控制線圈,為了保證驅動能力,在1L和兩個輸出間加24V開關電源。

考慮轉矩較大、過載能力強、用于低速傳動單元、簡單可靠等因素,跟蹤驅動選用齒輪減速單相電容交流可逆電動機,供電電源220 V/50 H z,功率為140W,該型電動機成本較低,有利用降低能耗,方便正反轉控制,接線方便且適合野外運行。

圖3 PLC外圍硬件電路

1.3 軟件設計

軟件開發工具使用STEP 7 M icroW IN SP6編程軟件,是西門子公司專門為SIMA TIC S7-200系列PLC設計開發的,該軟件功能強大,界面友好,并有方便的聯機功能。用戶可以利用該軟件開發PLC應用程序,同時也可以實現監視控制用戶程序的執行狀態。

跟蹤采用每隔一定時間開啟電機運轉固定時間的方式,早上8:00為初始位置,下午16:00停止轉動,運轉期間旋轉軸共轉過120°,根據電動機和減速器的減速比,電動機總運行時間為24 min,為此本文的方案采用的間隙驅動方式每隔采用19min讓電動機轉1m in,從起點到終點共轉24次。考慮到夏天日落較晚,因此裝置在轉到16:00位置處停止轉動后等待2 h,到18:00再讓電機連續反轉運行24 min回到初始位置,待第二天重新開始往復循環。相應的軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 極軸跟蹤程序運行流程圖

2 并網逆變電路

為了讓設計的極軸跟蹤光伏發電陣列能夠上網運行,光伏發電系統采用StecaGrid 2000+Master并網逆變器。該逆變器有兩路獨立的MPPT,直流電壓輸入范圍大,由于采用高頻變壓器進行隔離,因此既安全且重量輕,非常適合進行小型并網實驗。StecaGrid 2000+M aster性能參數為:最大直流輸入功率2 150W;輸入電壓范圍直流80～400 V;最大輸入電流2×5A(2個獨立的M PPT)或1×10A (1個MPPT);額定交流輸出功率2 000 W;額定交流輸出電壓230 V/50 H z;最大轉換效率95%;功率因數大于0.95;最大功率時的THD小于5%。

逆變器的并網狀態和數據可以由液晶顯示屏讀取,也可以通過StecaG rid Connect U ser或Steca-Grid Connect Service進行監控和采集,逆變器本身帶有通訊適配器StecaG rid Connect,PC和帶有通訊適配器的逆變器之間采用交叉線(Crossover Cab le)連接,這樣它們構成一個局域網,將PC機的IP地址與逆變器的IP地址設為一個網段,例如逆變器的IP為192.168.0.10,子網掩碼為255.255.255. 0,則PC的IP可以設為192.168.0.1到196.168. 0.254之間除192.168.0.10之外的任意地址。

3 并網試驗及其分析

為了驗證所研制極軸跟蹤系統裝置的有效性,采用了并網試驗的方法對采用極軸跟蹤和固定安裝(傾斜角度為35°)的光伏陣列的發電數據進行了比較。試驗選用的光伏組件(SDM 180/MONO)峰值功率P max為180W;開路電壓V oc為43.9 V;短路電流Isc為5.36 A;最大功率點電壓Ump為36.3 V;最大功率點電流I m p為4.96 A;功率波動容許范圍±3%。采用光伏組件組成2個光伏陣列,一個采用極軸跟蹤,一個按本地緯度傾角固定放置,每個陣列用4塊組件串聯。

發電實驗數據如圖5所示,由于離電站較遠,監控系統不太完善,導致數據采集不太方便,本實驗僅監測采集到10:00到下午15:25之間的發電數據。

由圖5可以看出,從10:00到11:30,兩個光伏陣列的差別指標縮小,極軸跟蹤優勢越來越小;到中午12:00左右兩組陣列發電功率大致相當,以后從12:30到15:30,兩個光伏陣列的差別指標不斷擴大,極軸跟蹤效果越來越明顯。這個結果表明,跟蹤的收益主要是在上午和下午,經過計算,采用極軸跟蹤后發電量大約提高20%,考慮到沒有采集到早上8:00～10:00和15:30～17:30之間的數據,這兩個時間段跟蹤效果會更明顯,因此,可以估算得出,采用開發的極軸跟蹤的光伏電站可以提高大約30%的發電量。如果采用每10m in電機動作一次,一次運轉0.5 min,會進一步提高發電收益。

4 結論

本文以PLC為控制系統核心設計了一個極軸式機械裝置,并利用Steca并網逆變器和監控軟件極軸式光伏陣列并網運行試驗裝置,對采用跟蹤裝置和固定安裝光伏陣列的發電數據比較,預計發電量可以提高近30%,該極軸跟蹤系統裝置具有簡單、成本低、開放性好(根據需要可以設計閉環控制策略)等特點,有較好的應用前景和推廣價值。

[1] 夏小燕.大范圍太陽光線跟蹤傳感器及跟蹤方法的研究[D].南京:河海大學,2006.

[2] STALTER O,BURGER B,BACHA S,et al.Integrated so lar tracker positioning unit in distributed gridfeeding inverters for CPV power p lants[C]//ICIT 2009.IEEE International Conference on,2009.

[3] 鄭小年,黃巧燕.太陽跟蹤方法及應用[J].能源技術, 2003,24(4):149-151.

[4] 伍春生,劉四洋,廖華,等.一個多種跟蹤方式的并網光伏電站[J].可再生能源,2008,26(3):63-65.

[5] 楊金煥,于化叢,葛亮編著.太陽能光伏發電應用技術[M].北京:電子工業出版社,2009:20-26.