基于永磁同步電機(jī)的太陽能跟蹤系統(tǒng)研究

潘三博，郝夏斐

PAN San-bo1,HAO Xia-fei2

（1. 上海交通大學(xué)，上海 200240；2. 安陽師范學(xué)院，安陽 455002）

0 引言

隨著可再生能源在節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化中起著越來越重要的作用，提高對太陽能的利用率成為重要的一項研究任務(wù)。單晶硅與多晶硅的效率一般在15%-18%，逆變器的效率在95%左右，要提高它們的效率非常困難。而采用太陽能跟蹤技術(shù)，可以使得能太陽能板支架主動接收太陽光照射，隨著太陽不斷移動，調(diào)整接收太陽照射的最佳角度[1]。相比目前主要采用的被動式接受太陽能照射，不調(diào)整接受角度的應(yīng)用，采用跟蹤技術(shù)的要提高20%-40%的利用效率。永磁同步電動機(jī)具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點。用來作為跟蹤系統(tǒng)的伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)，符合國家發(fā)改委推廣高效節(jié)能電機(jī)的政策。

本文在原有太陽能支架的基礎(chǔ)上，增加光傳感器、轉(zhuǎn)向伺服裝置和控制器。以永磁同步電動機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過滑模控制，減小系統(tǒng)受參數(shù)變化和外部擾動的影響，使伺服跟蹤系統(tǒng)具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性，增加了自動追蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該技術(shù)使得太陽能板自動跟蹤太陽照射最大的方向，提高了太陽能板接收太陽能照射的強(qiáng)度，從而提升太陽能的利用效率。這項技術(shù)可廣泛應(yīng)用于光伏應(yīng)用裝置，對提高系統(tǒng)太陽能的效率有較大意義。

1 跟蹤系統(tǒng)的原理

一般的光伏系統(tǒng)是太陽能電池板安裝于支架上。支架根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥燃皻夂蚪y(tǒng)計情況，以一定的角度固定，這樣太陽能板可以接受全年平均太陽輻射能量最大。但是太陽能板不能實時跟蹤接受最大太陽輻射能量。采用圖1所示的太陽能板自動跟蹤系統(tǒng)就能通過安裝在太陽能板上的光傳感器，采集光照強(qiáng)度信號。為了實驗驗證，特采集電池板的輸出電壓、電流，通過對照實驗，驗證是否跟蹤系統(tǒng)朝著輻射功率變大的方向追蹤。傳感器的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，送給微處理器，微處理器控制永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動，拖動執(zhí)行機(jī)械來調(diào)整太陽能支架的角度，使之實時跟蹤接收最大的太陽輻射能量。

圖1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

2 自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)是永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)。其中保證準(zhǔn)確位置追蹤的關(guān)鍵是永磁同步電機(jī)的驅(qū)動以及系統(tǒng)控制模型的建立。在諸如系統(tǒng)的非線性、耦合性和粘滯摩擦系數(shù)以及負(fù)載擾動、永磁體充磁的不均勻性、電源的波動、動子磁鏈分布的非正弦性等變化時，特別是端部效應(yīng)和齒槽效應(yīng)引起的推力變化等，都將使電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)性能變壞，難以滿足高精度要求。傳統(tǒng)的PID 控制面臨這些問題的挑戰(zhàn)，無法完全滿足高精度性能的要求。滑模控制技術(shù)是非常有效的一種非線性魯棒控制方法，其最大優(yōu)點就是一旦系統(tǒng)動態(tài)處于滑動模態(tài)時，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移就不再受原有參數(shù)變化和外部擾動的影響，具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性

2.1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)永磁同步電機(jī)的氣隙磁場呈正弦分布，則次級永磁體在初級繞組中產(chǎn)生的磁鏈波形也應(yīng)為正弦波，反電勢波形為正弦波；假設(shè)參數(shù)不隨溫度等外界因素變化，且忽略端部效應(yīng)以及飽和效應(yīng)等等，可以得到永磁同步電機(jī)在d-q 坐標(biāo)系的電壓方程[2]：

2.2 滑模控制模型

滑模控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略。該控制預(yù)先在狀態(tài)空間中設(shè)計一個特殊的控制系統(tǒng)滑動面，狀態(tài)軌跡沿著滑動面作小幅度，高頻率的運(yùn)動，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)沿著這個特定的滑動面向平衡點滑動，最后漸進(jìn)穩(wěn)定于平衡點或平衡點的某個允許的領(lǐng)域內(nèi)，即滑動模態(tài)運(yùn)動。

根據(jù)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，將初級電壓作為控制系統(tǒng)的輸入。利用反饋線性化的思想，經(jīng)過變換，得到了一個準(zhǔn)線性化的并解耦的模型，此模型中包含不確定因素。然后通過帶有msat 函數(shù)的固定邊界層的滑模控制控制此非線性模型[3]，得到如圖3所示的永磁同步電機(jī)滑模控制框圖。圖中，Scmd為給定位置。該方法可以確保系統(tǒng)的魯棒性，優(yōu)點在于滑模邊界寬度是固定的，在邊界內(nèi)和區(qū)域外使用的開關(guān)函數(shù)不同，可以有效地消除系統(tǒng)的“抖振”問題。此方法有較好的實用性。

圖2 永磁同步電機(jī)滑模控制框圖

3 實驗數(shù)據(jù)

為驗證上述原理，制作了實驗樣機(jī)。光強(qiáng)的檢測采用光敏電阻光強(qiáng)比較法[4]，當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時,接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小,驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動,直至兩個光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，都為最大光強(qiáng)。光敏電阻光強(qiáng)比較法的優(yōu)點在于控制精確,電路設(shè)計比較容易。微處理器采用德州儀器公司高性能處理器TMS320F2812。采用1kw的永磁同步電機(jī)及驅(qū)動器。圖3為滑模控制的永磁同步電機(jī)的位置響應(yīng)圖以及交軸電路波形。可以看出，傳動機(jī)構(gòu)響應(yīng)快，無超調(diào)。

圖3 滑模控制的位置響應(yīng)與交軸電流圖

把一塊采用最大功率跟蹤系統(tǒng)的太陽能板與一塊固定傾角的太陽能板并聯(lián)給蓄電池充電，表1為它們在不同的光輻射強(qiáng)度下的輸出電壓、電流值。從結(jié)果看，采用跟蹤技術(shù)，能使太陽能板輸出功率平均增加20%左右。

表1 實驗對比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了太陽自動跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)一方面采樣太陽輻射強(qiáng)度，一方面采樣太陽能板的輸出電功率信號。兩者相對照,使該系統(tǒng)跟蹤的準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下,系統(tǒng)也能正常工作。采用滑模控制，使伺服跟蹤系統(tǒng)具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性，增加了自動追蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用永磁同步電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)械來進(jìn)行太陽能最大輻射強(qiáng)度跟蹤。有利于新型節(jié)能永磁同步電動機(jī)的推廣。

實驗證明，采用自動追蹤技術(shù)可以提高太陽能的利用效率達(dá)20%左右。系統(tǒng)如果應(yīng)用于太陽能光伏系統(tǒng),則可從電池板直接獲取電能,而無需另外輸入能量。系統(tǒng)也可用于太陽能光熱系統(tǒng)，以提高太陽能板的熱功率輸出。

[1] 汪臨偉.太陽電池方陣自動全追蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2010,33(12)：149-151.

[2] 李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] 張希,陳宗祥,潘俊民,王杰.永磁直線同步電機(jī)的固定邊界層滑模控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2006,26(22)：115-121.

[4] 舒志兵,施煒,湯世松.高精度伺服跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)床與液壓,2010,38(10)：73-74.