【正文】 MPPT 控制基本原理 ................................................................................. 16 擾動(dòng)觀察法 (Perturbation and Observation— Pamp。0) .............. 18 MPPT 技術(shù)的硬件電路支持 ........................................................... 20 電流采樣電路 ........................................................................................... 20 電壓采樣電路 .......................................................................................... 21 本章小結(jié) ................................................................................................... 23 第 6 章 總結(jié)及展望 .............................................................................................. 24 總結(jié) .......................................................................................................... 24 6. 2 展望 .......................................................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................ 26 致謝 ........................................................................................................................ 27 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 1 第 1 章 緒論 能源與環(huán)保 隨著時(shí)代的前進(jìn)，人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度日益增加，人類對(duì)能源的需 求就越大，利用能源時(shí)可能對(duì)環(huán)境造成較大程度的破壞。目前世界的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)在如下方面： 能源緊缺 世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)近 10 年內(nèi)化石燃料 (煤、石油與天然氣等 )能量消耗增加了近 20 倍，預(yù)計(jì)今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲(chǔ)量只能用到 2050 年，天然氣也只能延續(xù)到 2040 年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。 環(huán)境污染 由于 燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。 系統(tǒng)研究背景 太陽能 是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率 ，始終是人們關(guān)心的話題，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了太陽能的利用效率。 太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)今國內(nèi)外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏（ PV）發(fā)電技術(shù)在國外已得到深入研究和推廣 ,我國在技術(shù)上也已基本成熟，并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，這對(duì)太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大 化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。根據(jù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)論文 2 采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高 35 %左右。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。 系統(tǒng)研究目的 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太陽能利用率的研究主要集中在兩方面：一方面是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，另一方面是提高太陽能的集熱率；前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。 無論哪種太陽能利用設(shè)備，如果它的采光裝置能自動(dòng)追蹤太陽并始終保持與太陽光垂直，它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能。太陽能電池發(fā)電原理：利用光伏發(fā)電，即通過一對(duì)有光響應(yīng)的器件將光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角有關(guān)，當(dāng)太陽光線與太陽電池板平面垂直時(shí)轉(zhuǎn)換率最高。采用自動(dòng)追光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換率可提高 40%。 因此在這樣一個(gè)大前提下，我們需要制作一套全自動(dòng)太陽能追光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了最大限度地使 用太陽能，相信在不久的將來，它可以真正用到實(shí)處，用到人們的日常生活中去 系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 太陽輻照追蹤裝置要對(duì)應(yīng)于晝夜、陰晴更替。太陽落山時(shí)，追蹤裝置朝向西邊，然后停止工作，并能夠復(fù)位；當(dāng)遇到烏云遮住太陽時(shí)，追蹤裝置傳感單元無法反應(yīng)出太陽光線的變化，當(dāng)烏云過后太陽可能偏離較大的角度，這種情況下就要求追蹤裝置傳感探測單元能夠在較大的范圍內(nèi)反應(yīng)出太陽光線的變化。 現(xiàn)有用于太陽觀測科學(xué)研究的太陽追蹤裝置雖然追蹤準(zhǔn)確但是價(jià)格太昂貴，如國家氣象計(jì)量站研制的 FST 型全自動(dòng)太陽跟蹤器采用傳感器定位和太陽運(yùn)行軌跡定位 相結(jié)合的設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了赤道架型太陽跟蹤器的缺點(diǎn)，具有全自動(dòng)、全天候、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)。這種大型精密儀器由于價(jià)格昂貴，通用性和性價(jià)比不高。 普通民用太陽追蹤裝置比如 1997 年美國 Blackace 研制的單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的白動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率僅提高了 15% 。 1998 年美國加州成功的研究了 ATM 兩軸跟蹤器，該裝置在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進(jìn)一步提高。 2021 年 2 月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該 裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 3 大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。這些普通民用太陽追蹤裝置，普遍存在的問題是精度差。 市場急需一種追蹤范圍廣、精度高，原理結(jié)構(gòu)簡單、方便使用的太陽追蹤裝置，并盡快將一技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，從而推動(dòng)太陽能的普及利用，拓寬太陽能的利用領(lǐng)域。 系統(tǒng)擬研究內(nèi)容 本系統(tǒng)嘗試?yán)萌缦庐a(chǎn)品： PLC、變頻器、同步電機(jī)等設(shè)計(jì)、制造一種簡單、經(jīng)濟(jì)、高效并能實(shí)現(xiàn)單軸控制的太陽能電池組件輻照追蹤系統(tǒng)。 本章總結(jié) 本章 簡單介紹太陽能電池組件輻照追蹤系統(tǒng)的研制背景、 目的、現(xiàn)狀及擬研究內(nèi)容。河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)論文 4 第 2 章 跟蹤系統(tǒng)的要求及方案 跟蹤系統(tǒng)的要求 本系統(tǒng)研制的出發(fā)點(diǎn)是更加有效的利用太陽能。對(duì)太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉(zhuǎn)化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池板把太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)太陽能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的時(shí)候，由于太陽的位置是隨著時(shí)間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時(shí)段有效的吸收太陽能，在其他時(shí)段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系統(tǒng)對(duì)太陽進(jìn)行 實(shí)時(shí)跟蹤是可行和有效的。在本課題中采用的是單軸跟蹤的方法對(duì)太陽進(jìn)行即時(shí)跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對(duì)太陽，從而提高吸收效率。 本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。根據(jù)本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應(yīng)該選用常用而且性價(jià)比與可靠性較高的構(gòu)件，充分考慮其經(jīng)濟(jì)性 .在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要使系統(tǒng)機(jī)構(gòu)盡量簡潔，避免過于復(fù)雜和昂貴，要便于安裝和維護(hù)。在控制部分的設(shè)計(jì)中，要考慮到系統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強(qiáng)的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。 跟蹤系統(tǒng)的方案 利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的 原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同，所以它們的阻值完全相等，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同。另外，基于 MPPT技術(shù)的最大功率跟蹤方法將使跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率最大化。 本裝置經(jīng)由太陽能電池板上兩端的電阻得到比較出的信號(hào)，傳遞給 PLC， PLC在已編程序上對(duì)信號(hào)處理然后發(fā)出指令傳遞給變頻器，變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤，而后兩電阻會(huì)對(duì)修正后的位置上的太陽能進(jìn)行比較，然后形成比較，經(jīng)由反饋電路傳遞給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。另外，在 MPPT 理論中的擾動(dòng)控制方法，可定期向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，以確保系統(tǒng)不會(huì)失控。 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 5 光 伏模 塊光 電 檢 測 模 塊電 源 模 塊信 號(hào) 處 理P L C 控制 系統(tǒng)M M 4 4 0 變 頻 器電 機(jī) 圖 21 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制框圖 本章小結(jié) 本章對(duì)太陽能電池組件輻照追蹤控制系統(tǒng)的方案的要求做了介紹，并且對(duì)于本系統(tǒng)的大體實(shí)現(xiàn)方式及遠(yuǎn)離進(jìn)行了概述。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 6 第 3 章 跟蹤系統(tǒng)的硬件組成 跟蹤系統(tǒng)機(jī)械組成 能實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)的太陽能電池組件輻照 追蹤控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由 3 部分組成，分別是底座，圓盤，太陽能電池支架。 圖 31 系統(tǒng)機(jī)械裝配圖 圖 32 系統(tǒng)實(shí)物圖 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 7 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理 本系統(tǒng)單軸追蹤主要有圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)追蹤裝置的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。 圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng) ,用三相同步電機(jī)經(jīng)過減速器，帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍在水平位置內(nèi) 180 度轉(zhuǎn)動(dòng)，在最西邊和最東邊有限位開關(guān)，當(dāng)觸碰到最西限位角，裝置立即回到初始位置，就是最東邊垂直位置，當(dāng)觸碰到最東限位角裝置就停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)诙焯栐俅紊鸬臅r(shí)候裝置重新啟動(dòng)，追蹤太陽。 跟蹤系統(tǒng)電氣系統(tǒng)硬 件 光伏模塊 太陽能電池板選用中國太陽能電池板選用中國光伏集團(tuán)東營光伏太陽能有限公司生產(chǎn)的 CNPV180M 型號(hào)的光伏組件，有 72 塊單晶硅太陽能電池片組成，其技術(shù)參數(shù)主要峰值功率 Pm： 180W，最佳工作電壓 33V．這些參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件下測試的（太陽光強(qiáng)度 1000W/m178。，太陽板溫度 25176。，空氣質(zhì)量 ）。 信號(hào)采集模塊和處理模塊 光敏電阻傳感器是光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光信號(hào)采集裝置，它的使用原理是光照強(qiáng)度不同， 兩塊電池板所產(chǎn)生功率 不同．太陽光線與圓弧傳感器的垂直方向有夾角時(shí)，光照多 的那個(gè) 電池板功率大 ，從 而產(chǎn)生變化的電流信號(hào)，電流信號(hào)傳遞給 PLC 模擬模塊進(jìn)行處理。 驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)模塊主要就是變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跟蹤。下面介紹一下所選用的型號(hào)及功能。 一：變頻器。變頻器方面，我選用了與 200PLC 比較匹配的西門子 MM440，這樣做就是為了變頻器與 PLC 的連接及通訊更加方便。 MM440 的主電路由電源端輸入單相或三相恒壓恒頻的標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電壓 ,經(jīng)整流電路將其轉(zhuǎn)換成恒定的直流電壓 ,供給逆變電路 。 在微控制器的控制下 ,逆變電路將恒定的直流電壓逆變成電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的三相交流電供給 電動(dòng)機(jī)負(fù)載 。 因?yàn)槠渲绷鳝h(huán)節(jié)是使用電容進(jìn)行濾波的 ,所以 MM440 屬于電壓型的交一直一交變頻器 。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 8 整 流電 路中 間 直 流 電路逆 變 電 路檢 測 電 路 和 驅(qū) 動(dòng) 接 口 電 路主 控 制 電 路保 護(hù) 和 驅(qū) 動(dòng) 電 路操 作 和 顯 示 電 路外 部 控 制 信 號(hào) 接 口工 頻電 源變 頻輸 出控 制電 路 圖 33 通用變頻器基本結(jié)構(gòu)框圖 如圖 33 所示為 MM440 變頻器的內(nèi)部功能方框圖 .其控制電路貞 CPU、模擬輸入 /輸出、數(shù)字輸入 /輸出、操作面板等部分組成。該變頻器共有 20 個(gè)控制端子，分為 4 類：輸入信號(hào)端子、頻率模擬設(shè)定輸入端子、監(jiān)視信號(hào)輸出端子和通信端子。 二：電動(dòng)機(jī)。東西水平方向上，機(jī)械系統(tǒng)的基本要求是能夠隨太陽東升西落的過程轉(zhuǎn)動(dòng) 180 度，此過程歷經(jīng)大 約 10 小時(shí)，這一