基于嵌入式的光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析

譚建斌

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，廣東 佛山 528137）

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

1 嵌入式光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 核心控制模塊設(shè)計(jì)

本文在進(jìn)行自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)行指令及譯碼過程比較簡單，方便后續(xù)模塊設(shè)計(jì)，核心控制模塊的具體設(shè)計(jì)流程如下。

1）核心處理芯片的片內(nèi)存儲(chǔ)為32 KB，F(xiàn)lash 程序存儲(chǔ)器片內(nèi)存儲(chǔ)為512 KB，其接口的寬度設(shè)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(yīng)用中編程（ISP）2 種方式，在設(shè)計(jì)Flash編輯及擦除環(huán)節(jié)時(shí)要求反應(yīng)速度在0.5 s 內(nèi)。

3）在設(shè)計(jì)嵌入式跟蹤接口時(shí)，要進(jìn)行執(zhí)行代碼編寫，使其具備實(shí)時(shí)調(diào)試及高速跟蹤功能。

4）系統(tǒng)要設(shè)計(jì)出2 路UART、2 個(gè)運(yùn)行速度較快的I2C 接口，同時(shí)配備SPI 及SSP 等串聯(lián)接口。

5）核心控制模塊要能滿足隨時(shí)更新擴(kuò)容的要求，因此通用接口I/O 要達(dá)到47 個(gè)以上，而且電壓設(shè)置要達(dá)到5 V。

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

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

1.1.2 電路設(shè)計(jì)

1）復(fù)位電路設(shè)計(jì)。復(fù)位電路設(shè)計(jì)需要配合核心處理芯片的性能，增加帶有I2C總線存儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，該芯片具備低功耗特點(diǎn)，能夠?qū)? K的串行EEPROM及掉電保護(hù)電源監(jiān)控電路壓縮到一個(gè)芯片內(nèi)[1]。同時(shí)設(shè)置復(fù)位鍵（RST）進(jìn)行復(fù)位信號(hào)的傳輸，CAT1025JI-30接收到信號(hào)后對(duì)I2C發(fā)出讀寫指令，此時(shí)對(duì)芯片SCL及SDA兩引腳設(shè)計(jì)連接到相應(yīng)的接口，并在I2C電路上設(shè)計(jì)2個(gè)上拉電阻，具體復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖

2）晶振電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要采用外部晶振，結(jié)合核心處理芯片設(shè)計(jì)要求，晶振采用11.0592MHZ 的型號(hào)，并將其放置在微控制器LPC2138 的2 個(gè)時(shí)鐘引腳之間（XTAL1、XTAL2）。晶振電路設(shè)計(jì)要求接地，采用30 pF 的電容C1 及C2 在兩端處進(jìn)行接地連接，具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 晶振電路原理圖

1.1.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊為整個(gè)硬件系統(tǒng)提供動(dòng)能，其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中微控制器LPC2138 耗能較低，可以與I/O 設(shè)計(jì)連接一個(gè)電源，并采用3.3 V 單電源進(jìn)行供電，結(jié)合市面上的電源型號(hào)，較為理想的為LDP芯片SPX1117M3-3.3，該芯片在輸出電流上能夠達(dá)到800 mA，而且輸出電壓的精度能夠控制在±1%以內(nèi)，在運(yùn)行過程中能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行電流限制及過熱保護(hù)[2]。電源連接的電路需要設(shè)計(jì)為5 V，并采用外部供電，設(shè)計(jì)瞬態(tài)電流限制功能時(shí)采用電感L1 來執(zhí)行，并配合電容C3 及C4 來達(dá)到濾波的目的。

1.1.4 通信接口設(shè)計(jì)

嵌入式光伏發(fā)電工程中應(yīng)用的自動(dòng)跟蹤控制器的通信接口需要在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)電路，采用DC-DC電路即可滿足要求。通信接口設(shè)計(jì)采用RSM485 型號(hào)的芯片，核心模塊中微控制器LPC2138 型號(hào)具有2 路UART，因此與之連接的RSM485 也要設(shè)計(jì)2 個(gè)，分別用UART0 和UART1 來表示，前者實(shí)現(xiàn)了軸控制器及跟蹤控制器之間的通信，后者實(shí)現(xiàn)了跟蹤控制器及監(jiān)控上位機(jī)之間的通信。配合RSM485 芯片設(shè)計(jì)還需配置一個(gè)專門的I/O 接口，負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 RSM485 通信電路設(shè)計(jì)圖

1.1.5 調(diào)試接口設(shè)計(jì)

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

圖4 JTAG 接口電路設(shè)計(jì)圖

1.2 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 跟蹤控制任務(wù)主程序設(shè)計(jì)

跟蹤控制任務(wù)主程序設(shè)計(jì)主要是在軸控制器與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸、指令下達(dá)及任務(wù)執(zhí)行，具體的設(shè)計(jì)流程如下。

1）系統(tǒng)初始化。設(shè)計(jì)時(shí)需要按照順序進(jìn)行引腳功能、串口的初始化，并進(jìn)行串口模式的設(shè)置，接著進(jìn)行I2C 的初始化設(shè)置及I2C 模式設(shè)置，再有需要設(shè)置PCF8563 的時(shí)間初始化設(shè)置。

2）跟蹤條件判定。跟蹤條件判定需要滿足2 個(gè)要求，先計(jì)算出實(shí)時(shí)的太陽高度角及方位角，將數(shù)據(jù)代入函數(shù)pcf8563GetTime（），運(yùn)用I2C 讀取數(shù)據(jù)，看太陽高度角是否大于等于20°，再結(jié)合實(shí)時(shí)風(fēng)速值，看是否小于20 m/s，如果同時(shí)滿足以上2 個(gè)條件，可以判定為正常跟蹤模式，如果沒有同時(shí)滿足以上2 個(gè)條件需要進(jìn)入跟蹤保護(hù)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(shè)計(jì)太陽高度角及方位角的跟蹤功能，本設(shè)計(jì)中采用EleAngelTrack（）及AziAngelTrack（）2 個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)跟蹤控制函數(shù)的設(shè)計(jì)，程序進(jìn)入設(shè)計(jì)階段時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)要配置增量式光電編碼器，并對(duì)編碼器進(jìn)行軟件四分頻，將每度對(duì)應(yīng)的脈沖值設(shè)置為4 096/360，此時(shí)需要計(jì)算組件實(shí)際方位角與實(shí)時(shí)方位角的差值脈沖，計(jì)算公式如下

根據(jù)式（1）計(jì)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(jī)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(jì)算跟蹤指令；如果式（1）中計(jì)算得出的角度差脈沖小于-11，需要檢查RS485 總線下的電機(jī)狀態(tài)是否為負(fù)限位，如果為負(fù)限位則表示電機(jī)狀態(tài)正常，能夠進(jìn)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(duì)式角度傳感器進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算高度角高度差時(shí)，運(yùn)用組件實(shí)際高度－實(shí)時(shí)高度角公式，如果差值的絕對(duì)值大于1°，而且電機(jī)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(hù)程序。在第2）步判定為跟蹤保護(hù)模式后，將軟件系統(tǒng)設(shè)置為保護(hù)程序，并進(jìn)一步細(xì)化保護(hù)程序?yàn)橐雇矸牌奖Ｗo(hù)及避風(fēng)保護(hù)后，如果太陽高度角小于20°，計(jì)算機(jī)下達(dá)指令，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減緩轉(zhuǎn)速后進(jìn)入夜晚放平保護(hù)模式。如果風(fēng)速大于等于20 m/s，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，放緩電機(jī)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入避風(fēng)保護(hù)模式。

1.2.2 跟蹤控制器通信程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)中RS485 總線負(fù)責(zé)軸控制器及跟蹤控制器、跟蹤控制器及監(jiān)控上位機(jī)之間的通信，通信過程要求數(shù)據(jù)傳輸遵循相應(yīng)的通信協(xié)議，本設(shè)計(jì)采用Modbus 協(xié)議，后續(xù)設(shè)計(jì)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(shè)備節(jié)點(diǎn)地址也轉(zhuǎn)換為Modbus 設(shè)備地址。Modbus 協(xié)議運(yùn)行過程中會(huì)應(yīng)用到ASCⅡ及RTU 兩種傳輸模式，第一種模式傳輸1 個(gè)數(shù)據(jù)幀中的1 個(gè)字節(jié)，要應(yīng)用2 個(gè)ASCⅡ字符來實(shí)現(xiàn)；第二種模式進(jìn)行相同字節(jié)的傳輸則只需要2 個(gè)16 進(jìn)制字符，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要選用RTU 模式完成主機(jī)和相關(guān)設(shè)備之間的通信[4]。

2 嵌入式的光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)應(yīng)用 效果

2.1 調(diào)試軟件設(shè)計(jì)

試運(yùn)行前的調(diào)試需要檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，采用串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，設(shè)置可視化設(shè)備后可以實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫。本項(xiàng)目中運(yùn)用Basic 語言來設(shè)計(jì)上位機(jī)調(diào)試軟件，首先應(yīng)用可視化程序設(shè)計(jì)語言（Visual Basic）進(jìn)行編程，該過程依據(jù)事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，程序設(shè)計(jì)要具備跟蹤器通信功能，以及風(fēng)速、風(fēng)向、高度角和方位角的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤功能，并將以上功能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的顯示界面[5]。實(shí)際操作時(shí)需要上位機(jī)讀取串口UART1 的信息，并通過RS485 總線反饋至上位機(jī)，期間獲取的數(shù)據(jù)需要運(yùn)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(jī)調(diào)試軟件的編程設(shè)計(jì)屬于計(jì)算機(jī)頂層的軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)能夠連接多個(gè)跟蹤控制器，相應(yīng)的控制器需要賦予唯一的地址編碼，以便后續(xù)跟蹤識(shí)別，而且每個(gè)跟蹤控制器在數(shù)據(jù)庫中都有唯一一個(gè)表相對(duì)應(yīng)。

2.2 工程應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的嵌入式光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)用于10 MW 光伏并網(wǎng)電站，實(shí)際應(yīng)用所采用的具體技術(shù)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(shù)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(gè)功能器件連接到主機(jī)部分。

2.3 應(yīng)用結(jié)果分析

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

圖5 跟蹤曲線圖

結(jié)合圖5 可知，在選取的跟蹤時(shí)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(shì)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(dá)到了預(yù)期要求。而圖5（b）的高度角跟蹤曲線的變化范圍及趨勢(shì)與仿真曲線存在偏差，分析現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境可知，跟蹤系統(tǒng)在風(fēng)力較大的情況下，組件會(huì)發(fā)生晃動(dòng)的情況，使得高度角測(cè)量存在誤差，為了提升運(yùn)行效果，可以在風(fēng)速較小的情況下，采用多次測(cè)量計(jì)算得出平均值的方法來降低誤差。

3 結(jié)束語

光伏發(fā)電優(yōu)勢(shì)較為明顯，不僅儲(chǔ)量豐富，而且應(yīng)用范圍廣泛，通過嵌入式光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，進(jìn)一步解決了能源緊張的問題。跟蹤系統(tǒng)操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，降低了工程成本，是電能行業(yè)未來應(yīng)用的主要趨勢(shì)。