基于ZigBee的分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)設(shè)計

姚仲敏，柳希廣

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

責(zé)任編輯:魏雨博

目前，太陽能發(fā)電技術(shù)在世界各國的應(yīng)用，在一定程度上減少了人類對日益枯竭的化石能源的依賴［1－2］。我國為加快光伏屋頂電站的應(yīng)用建設(shè)，推出了金太陽屋頂計劃和財政補貼政策［3］。光伏樓宇電站目前主要分散地建在城市、企事業(yè)單位、場館等建筑屋頂上，而對這些分布在屋頂上的分散的分布式樓宇光伏電站進行太陽光跟蹤控制，可以提高分布式樓宇光伏電站的發(fā)電效率，達(dá)到充分利用太陽能資源的目的［4－5］。

隨著分布式樓宇光伏電站的應(yīng)用，采用Internet、485總線等有線網(wǎng)絡(luò)方式對其跟蹤控制［6－7］存在著布線復(fù)雜、設(shè)備靈活性差和成本高等問題，實現(xiàn)相對困難;借助GSM/GPRS無線移動通信技術(shù)來實現(xiàn)存在傳輸模塊功耗大、靈活性差等問題［8－9］。本文針對城市里相對分散的屋頂分布式樓宇光伏電站的特點，設(shè)計了一種低成本、高效的基于ZigBee無線技術(shù)的分布式樓宇光伏電站自動群跟蹤控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)光跟蹤變送器采集的太陽光高度角和方位角變化分發(fā)跟蹤控制命令，實現(xiàn)一點控制每個區(qū)域中的分布式樓宇光伏電站，進行太陽光自動群跟蹤。該系統(tǒng)不僅解決了有線網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜、成本高等問題，而且大大降低了自動跟蹤的成本和能耗，提高了分布式樓宇光伏電站系統(tǒng)群控的靈活性和效率。

1 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

ZigBee技術(shù)是一種新興的雙向無線通信技術(shù)，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低成本和低功耗和低數(shù)據(jù)速率［10］。其組網(wǎng)靈活方便，且性價比高，適用于工業(yè)、智能樓宇及分布式光伏電站監(jiān)控等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)不僅能夠進行數(shù)據(jù)收發(fā)，還具有微處理器芯片所具有的數(shù)據(jù)處理及控制功能。目前，大多數(shù)應(yīng)用研究集中在第1個功能，而對第2個功能的應(yīng)用研究較少［11］。本文把ZigBee技術(shù)這兩種功能結(jié)合起來應(yīng)用在分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)中，充分開發(fā)運用。

分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)主要是由光跟蹤變送器、ZigBee終端控制節(jié)點、ZigBee路由節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器組成的。網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的光跟蹤變送器進行光信號強度采集，并把其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂撇竭M電機轉(zhuǎn)動跟蹤控制命令，其利用4光敏傳感器(橫軸和縱軸各有2個，即步進電機橫軸與縱軸的旋轉(zhuǎn)的控制信息源)完成數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過閾值比較算法對數(shù)據(jù)判斷處理，并由ZigBee協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把跟蹤控制命令分發(fā)到其他ZigBee終端控制節(jié)點，實現(xiàn)一點控制每個區(qū)域中分布式光伏電站的目的，從而到達(dá)群跟蹤控制。

圖1 分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

光跟蹤變送器與ZigBee終端控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由于光跟蹤變送器和ZigBee終端控制節(jié)點結(jié)構(gòu)相似，這里僅以光跟蹤變送器硬件設(shè)計為例進行介紹。

光跟蹤變送器主要有4個光敏傳感器傳送光強度信息，根據(jù)自動群跟蹤控制程序算法實現(xiàn)群控，由光跟蹤旋轉(zhuǎn)平臺和硬件電路組成智能自動跟蹤裝置。其中光跟蹤旋轉(zhuǎn)平臺主要實現(xiàn)光強度信號采集、定位檢測、光跟蹤器隨太陽光高度角和方位角變化進行跟蹤旋轉(zhuǎn)。硬件電路主要實現(xiàn)群自動跟蹤控制程序算法、電機控制和群自動跟蹤控制信號傳輸?shù)取?/p>

光跟蹤變送器的硬件電路設(shè)計主要包括電源電路、JN5139射頻、TH6560步進電機驅(qū)動電路和光照強度采集電路等。

圖2 光跟蹤變送器與ZigBee終端控制節(jié)點電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

1)JN5139射頻微處理器集成了32 bit高性能微處理器、4路12位 ADC、2路 UART、2個應(yīng)用計時器、21通用I/O和SPI端口、優(yōu)越的2.4 GHz IEEE 802.15.4射頻、192 kbyte的ROM和96 kbyte的RAM等，提供了低成本的無線網(wǎng)雙向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案，用于完成光敏傳感器信號的獲取和傳輸、AD采樣轉(zhuǎn)換、雙軸步進電機的控制、PWM脈沖和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2)TLP521－4隔離電路是對控制步進電機工作的CLK，CW，ENABLE 3個輸入端信號采用輸入端和負(fù)載完全隔離的方法，確保步進電機穩(wěn)定和安全工作，不受滯后、畸變等干擾影響。

3)TH6560步進電機驅(qū)動的OUT_AP，OUT_AM，OUT_BP，OUT_BM4引腳為步進電機兩相輸出接口，直接控制步進電機的轉(zhuǎn)動。引腳M1=0，M2=1實現(xiàn)步進電機的1/16細(xì)分方式運轉(zhuǎn)。步進電機的3個輸入控制信號CLK，CW，ENABLE通過光耦隔離芯片TLP521－4隔離后送到驅(qū)動芯片，保證步進電機運行的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。JN5139與TH6560驅(qū)動芯片電路引腳連接圖如圖3所示。

4)電源和光照強度采集電路。系統(tǒng)硬件電路工作電源為12 V，12 V電源為步進電機驅(qū)動芯片THB6560供電;12 V電源通過7805濾波和整流輸出5 V直流電源，5 V直流電源可為隔離電路芯片、步進電機驅(qū)動芯片THB6560邏輯控制電路等供電;5 V電源再通過AS2830濾波和整流產(chǎn)生3.3 V電源，為JN5139射頻微處理芯片供電。光照強度采集電路負(fù)責(zé)光照強度的檢測，并把檢測的光強度信號送到JN5139射頻模塊進行處理。

圖3 JN5139與TH6560驅(qū)動芯片電路引腳連接圖(截圖)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)自動群跟蹤系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，包括光強度采集處理、閾值比較判斷和跟蹤控制命令傳輸?shù)取?/p>

1)光強度采集利用JN5139內(nèi)部4路11位AD轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。4路AD通道函數(shù)設(shè)置通過PRIVATE void vAdc_Config(uint8 channel)來實現(xiàn)，初始化AD函數(shù)vAdc_Config(E_AHI_ADC_SRC_ADC_1/2/3/4)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)sPresaSensor.u16PresaReading=(uint32)(u16Adc1Reading*586)/1000。

2)跟蹤控制命令發(fā)送與接收。控制命令的發(fā)送利用函數(shù)PRIVATE void vSendData(void)通過定義數(shù)組AF_Transaction_sasTransaction［1］，asTransaction［0］.u8SequenceNum=u8AfGetTransactionSequence(TRUE)，asTransaction［0］.uFrame.sMsg.u8TransactionDataLen=10實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。PUBLICbool_t JZA_bAfMsgObject(void)是數(shù)據(jù)接收函數(shù)定義，uint16u16Presa，uint16 u16Presb，uint16 u16Presc和uint16 u16Presd為4路AD采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)接收變量。

3)步進電機控制設(shè)置。函數(shù)vTimerConfig()產(chǎn)生PWM脈沖，vAHI_DioSetOutput(E_AHI_DIO8_INT，0)是正反轉(zhuǎn)控制引腳CW 函數(shù)，vAHI_Dio SetOutput(E_AHI_DIO7_INT，0)控制步進電機的使能引腳ENABLE。

群控自動跟蹤程序流程圖如圖4所示。群控程序算法先進行不同的天氣情況判斷，如果光強度數(shù)據(jù)大于閾值，則表示白天正常光照，比較橫軸及縱軸光強度大小，直接通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)分發(fā)控制命令到其他ZigBee終端控制節(jié)點，進行步進電機的橫軸和縱軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)整;如果小于閾值，則表示陰天、夜晚等情況，直接不分發(fā)控制命令，不進行電機調(diào)整，有利于減少能源損耗;如果為0，停止工作進入休眠狀態(tài)。由于同一局部區(qū)域內(nèi)太陽的入射角基本一致，所以完全可以做到同步群自動跟蹤控制。程序算法的具體描述如下:

1)陰天、夜晚等光照強度弱的情況

(1)光跟蹤變送器檢測光強度并進行比較。

(2)光強度≤光強度閾值，不分發(fā)數(shù)據(jù)。

(3)判斷光強度大小。

①如果大于閾值，則比較光強度大小，分發(fā)跟蹤控制命令，進行群控;

②如果小于閾值，當(dāng)其值不為0，等待，數(shù)據(jù)比較，否則，系統(tǒng)結(jié)束工作。

2)白天等光照正常的情況

(1)光跟蹤變送器檢測光強度并進行比較。

(2)光強度＞光強度閾值，則比較光跟蹤變送器橫軸及縱軸光強度數(shù)據(jù)，進而控制調(diào)整光跟蹤變送器橫軸及縱軸角度并分發(fā)群跟蹤控制命令，直至所檢測的光強度值趨于相等時，不再調(diào)整，進入保持狀態(tài)。

(3)各光伏電站的ZigBee終端控制節(jié)點接收群跟蹤控制命令后，群自動跟蹤器進行橫軸和縱軸自動調(diào)整。

(4)重復(fù)算法1)中的(3)步驟。

4 實驗測試

圖4 群控自動跟蹤程序流程圖

實驗取光跟蹤變送器自動跟蹤裝置、ZigBee協(xié)調(diào)器和2個ZigBee終端控制節(jié)點自動跟蹤。光跟蹤變送器負(fù)責(zé)采集光強度并發(fā)送步進電機旋轉(zhuǎn)控制命令，由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee終端控制節(jié)點進行自動跟蹤控制，實驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期跟蹤控制的要求。同時對群跟蹤控制的發(fā)電效率進行了實驗，如圖5所示，曲線2和曲線3分別記錄了跟蹤控制的兩節(jié)點的發(fā)電效率和時間的關(guān)系，曲線1是不跟蹤的情況下發(fā)電效率和時間的關(guān)系。結(jié)果是在跟蹤的情況下發(fā)電效率提高30%以上，不但能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站群控跟蹤，而且提高了光伏電站的發(fā)電效率。

圖5 3種情況下發(fā)電量與時間關(guān)系

5 小結(jié)

本文在現(xiàn)有的獨立式太陽光自動跟蹤器和群自動跟蹤器研究的基礎(chǔ)上，以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了低功耗、低成本的分布式樓宇光伏電站的自動群跟蹤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)一點對每個區(qū)域中的分布式樓宇光伏電站進行自動群跟蹤控制。群跟蹤系統(tǒng)測試的結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有實際的推廣和應(yīng)用價值。

［1］郝國強，李洪波，陳明波.光伏建筑一體化(BIPV)并網(wǎng)電站的應(yīng)用與發(fā)展［J］.上海節(jié)能，2006(6):66－70.

［2］施韜，沈佳燕，蔣金洋.光伏建筑一體化研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.新型建筑材料，2011(11):38－41.

［3］肖瀟，李德英.太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.節(jié)能，2010(2):12－18.

［4］田衛(wèi)娟.基于FPGA的太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］關(guān)繼文.基于DSP的高精度太陽能跟蹤控制器設(shè)計與實現(xiàn)［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

［6］舒杰，彭宏，沈輝，等.光伏系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與實現(xiàn)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，33(5):43－47.

［7］羅存.太陽能分布式發(fā)電站遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計［J］.東北電力技術(shù)，2009(8):50－52.

［8］張明光，吳明永，楊素娟.基于GPRS－Intemet的換熱站無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.自動化儀表，2009，30(9):46－45.

［9］陳瓊.基于無線網(wǎng)絡(luò)的自動跟蹤式光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.

［10］楊鵬偉.基于ZigBee的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安:西安工業(yè)大學(xué)，2009.

［11］常波.基于ZigBee的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(11):41－46.