【文章內容簡介】 過程就必須要求電機能夠低速運行，同步電機的轉速 n=60f/p(f:電源頻率 p:磁極對數(shù) )，磁極對數(shù)一般不能變動，本文選用小型 90TYDL 三相低速同步電機。 控制器單元 控制單元是整個系統(tǒng)的重要部分，一般選用單片機和 PLC（工控機）。這個系統(tǒng)我選用了 PLC。具體型號根據(jù)系統(tǒng)要求及功能實現(xiàn)加上價格因素等，選用了西門子 S7200 系列。 S7200 系列 PLC 是 SIEMENS 公司推出的一種整體式小型可編程控制器。S7200 系列 PLC 包含了一個單獨的 S7200CPU 和各種可選則 的擴展模塊，可以十分方便的組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c到幾百點 。 S7200PLC可以方便地組成 PLC－ PLC 網(wǎng)絡和微機－ PLC 網(wǎng)絡，從而完成規(guī)模更大的工程。因此本人選用的是德國 SIEMENS 公司的 S7200 型號的可編程序控制器產品。 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 9 S7200的 STEP7Micro/WIN32 編程軟件可以方便地在 Windows環(huán)境下對 PLC編程、調試、監(jiān)控、使得 PLC 的編程更加方便、快捷。即 S7200 可以完美地滿足各種小規(guī)模控制系統(tǒng)的要求。 圖 34 PLC 結構圖 PLC 的硬件組成： PLC 的 硬件主要由中央處理器（ CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口、電源等幾部分組成。如圖 34 所示 。 在太陽跟蹤系統(tǒng)中，我們用到了一個模擬量某塊用以采集轉軸角度位置。我們選用了 4 輸入的 EM231 模塊，用于采集角度數(shù)據(jù)。其分辨率為 12 位，能滿足精度要求。后面將詳細講解模擬量模塊在采集中的編程。 儲存裝置 在光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)中，儲能裝置是必不可少的。因為太陽能電池的輸出特性隨電池的溫度和日照強度的變化而變化，當外部環(huán)境發(fā)生變化時就有可能導致太陽能電池不能輸出足夠的功率，為了能滿足負載功率的要 求，就必須要有儲能I/O擴展單元I/O擴展接口 中央處理單元 (CPU)輸入接口輸出接口限位開關手動開關編碼器數(shù)字開關電源外部設備接口存儲器系統(tǒng)程序用戶程序數(shù)據(jù)編程器上位計算機圖形監(jiān)控系統(tǒng)打印機E P R O M 寫入器盒式磁帶機條碼判讀機電源電磁閥繼電器指示燈蜂鳴器 河南機電高等專科學校畢業(yè)論文 10 裝置。當沒有充足的光照時，太陽能電池不能輸出足夠的能量，這就需要儲能裝置給負載提供電能；在陽光充足時太陽能電池發(fā)出的電能對于負載又有可能是富裕的，這時候就需要把多余的電能儲存起來。 現(xiàn)在可選的儲能方法有很多，如電容器儲能、飛輪儲能、超導儲能等等，但基于方便，可靠，價格等綜合因素考慮，多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用蓄電池作為儲能元件。在本設計中，選用了型號為 INT6FM12 的密封式鉛酸蓄電池作為儲能設備。 計時模塊 本系統(tǒng)設計要求能夠對時間進行記錄，并且 PLC 能讀取到程序設定的即時時刻，因此要 選用一款計時芯片為系統(tǒng)提供時間的提取和記錄。在本跟蹤系統(tǒng)中，選用的是 8563 計時芯片。 8563 是 Philips 公司推出的內含 I2C 總線接口功能并具有極低功耗得多功能日歷時鐘芯片。 8563 得多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能及中斷輸出功能，能滿足各種復雜的定時服務需求，甚至可提供“看門狗”功能。內部始終電路、內部振蕩電路、內部低電壓檢測電路（ ）及兩線制 I2C 總線通信方式，不但使外圍電路極其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性。每次讀寫數(shù)據(jù)后， 8563 內嵌的字地址寄存器會自動產生增量，為芯片的讀寫操作提 供方便。因而 ， 8563 是一款性價比極高的時鐘日歷芯片。 8563 的內部組成包括：一個可自動產生增量的地址寄存器，一個內置的 的振蕩器（帶有一個內部集成的電容），一個分頻器（用于給實時時鐘RTC 提供源時鐘），一個可編程時鐘輸出，一個定時器，一個報警器，一個掉電檢測器和一個 400kHz的 I2C 總線接口。 8563 有 16 個寄存器。 16 個寄存器被設計成可尋址得 8 位并行寄存器：兩個控制、狀態(tài)寄存器得地址是 00H 和 01H；秒 年寄存器的地址事 02H08H；報警寄存器的地址是 09H0CH，用于定義報警 條件；地址是 0DH 的寄存器用于控制CLKOUT 引腳的輸出頻率；定時器控制寄存器的地址是 0EH；定時寄存器的地址是 0FH。秒、分鐘、小時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、日報警寄存器的編碼格式為 BCD，星期和星期報警寄存器不以 BCD 格式編碼。 表 31 控制 /狀態(tài)寄存器 1各位的定義和功能 Bit 定義 功能 7 TEST1 TEST1=0，普通模式； TEST1=1， EXT_CLK測試模式 5 STOP STOP=0，芯片時鐘運行； STOP=1，所有芯片分頻器異步基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 11 邏輯 0，芯片時鐘停止運行（ CLOCK在 32768Hz時可用） 3 TESTC TESTC=0，電源復 位功能失效； TESTC=1，電源復位功能有效（普通模式邏輯 0） 6,4,2,1,0 0 默認值為邏輯 0 表 32 控制 /狀態(tài)寄存器 2各位的定義和功能 Bit 定義 功能 7,6,5 0 默認值為邏輯 0 4 TI/IP TI/IP=0，當 TF有效時 INT有效（取決于 TIE的狀態(tài)）； TI/IP=1，INT脈沖有效（取決于 TIE的狀態(tài)）。 AF和 AIE都有效時，則 INT一直有效 3 AF 當警報發(fā)生時， AF被置邏輯 1，當定時器倒計數(shù)結束時， TF被置邏輯 1，在被軟件重寫前一直保持原值；若有定時器和報警中斷請求時，中斷源由 AF和 TF決定；若要清除一個標志位而防止另一個標志位被重寫，應使用邏輯指令 AND 2 TF 1 AIE 標志位 AIE和 TIE決定一個中斷請求的有效或無效；當 AF或TF有一個為 1時，中斷是 AIE和 TIE都必須置 1時的邏輯或。 AIE=0，報警中斷無效， AIE=1，報警中斷有效； TIE=0，定時器中斷無效，TIE=1，定時器中斷有效 0 TIE 表 33 秒寄存器各位的定義和功能 HR 定義 功能 7 VL VL=0，保證 準確的時鐘日歷數(shù)據(jù)， VL=1，不保證準確的時鐘日歷數(shù)據(jù) 60 秒 代表 BCD格式的當前秒數(shù)值 表 34 分鐘寄存器各位的定義和功能 HR 定義 功能 7 無效 60 分 代表 BCD格式的當前分鐘數(shù)值 表 35 小時寄存器各位的定義和功能 HR 定義 功能 76 無效 50 時 代表 BCD格式的當前小時數(shù)值 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)論文 12 8563采用 SO8或 DIP8封裝形式，其引腳定義如圖 36所示。 （ 1） OSCI和 OSCO：振蕩器輸入輸出引腳 （ 2） INT ： 中斷信號輸出引腳 （ 3） VDD 和 VSS：正電源與地 （ 4） SDA：串行數(shù)據(jù)線 （ 5） SCL：串行時鐘信號線 （ 6） CLKOUT：時鐘信號輸出引腳 圖 36 8563引腳圖 硬件之間的連接 幾個電氣元件之間的電路連接比較簡單，就是把信息處理電路的輸出端接入PLC 的模擬信號擴展模塊，從而實現(xiàn)之間的信號傳遞，而，變頻器、 PLC、電機之間的線路連接就是簡單的根據(jù)之間的線路接口進行項鏈就可以了。大致圖形和圖37 類似。而光板和觸電設備的連接則需要用到 BUCK 電路，下面的電氣控制章節(jié)中會介紹。 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 13 圖 37 電氣連接圖 本章小結 本章對太陽能電池組件輻照追蹤控制系統(tǒng)的中所用到的機械結構及電氣元件的選擇及功能進行了介紹。并對各部分硬件間的連接簡單的概述。基本上把跟蹤系統(tǒng)所需的硬件內容概述了進去。 河南機電高等專科學校畢業(yè)論文 14 第 4 章 跟蹤系統(tǒng)的軟件設計 PLC 的編程 要想實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能， PLC 必須下載相應的程序來實現(xiàn)。 S7200系列的 PLC 編程軟件選用的是 。 編程軟件支持 STL(指令表 )、LAD(梯形圖 )、 FBD(邏輯功能塊圖 )三種編程方式。另外，我們選用 USBPPI 編程電纜 進行通訊。具體其他方面的在這里不多做介紹。 另外前面已經(jīng)介紹過，這個設計系統(tǒng)需要在 PLC 上加入模擬量模塊來接受傳感器的信號兵處理。我選用了 EM231 系列的模擬量控制模塊，輸入端接入傳感器的信號進行比較，輸出端接入變頻器來控制變頻器的運作，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 PLC I/O 端口的分配： 表 41 PLC I/O 口的分配 名稱 地址編號 啟動開關 停止開關 東限位器 西限位器 計時器 電機正轉控制 電極反轉控制 傳感器 1 AIW0 傳感器 2 AIW1 變頻器輸入電壓信號 AQW0 模擬量編程 圖 41 模擬量模塊 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 15 實例中采用了 4 輸入的 EM231 模擬量輸入模塊。下面將以 EM231 為例，講解在模擬量編程中需要注意的問題。圖 為模擬量模塊 EM231 的硬件圖。圖 為模擬量擴展模塊的接線方法，對于電壓信號，按正、負極直接接入 X＋和 X－；對于電流信號，將 RX 和 X＋短接后接入電流輸入信號的“＋”端；未連接傳感器的通道要將 X＋和 X－短接。對于某一模塊，只能將輸入端同時設置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率， 也就是說，不能同時測量電流量和電壓量，如果電壓量程不一樣也不能用同一模塊采集；同時為了避免共模電壓，需要將 M 端與所有信號負端連接。 圖 42 模擬量模塊 下面通過一個模擬量編程實例來解釋如何獲得待測物理值。本例的 CPU 是CPU224，僅有一個 EM231CN 模擬量輸入模塊，該模塊的第一個通道連接一個傾角傳感器，其輸出量程為 05V，該傾角傳感器的量程為 0176。 — 90176。角度采集程序如下圖。 本章小結 本章對太陽能電池組件輻照追蹤控制系統(tǒng)的中跟蹤系統(tǒng)的軟件做了一些介紹，包括 PLC 的程序編、寫 I/O 口 的分配。通訊。另外對擴展模塊的驅動程序也做了一定的概述。 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)論文 16 第 5 章 電氣控制技術 光伏跟蹤系統(tǒng)最大功率跟蹤概述 光伏發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)由光伏組件、直流斬波電路、電壓電流測量器件和控制回路組成。在電路中負載與電源內阻相等時，負載可以獲取最大功率。但是光伏電池內阻受到日照強度，環(huán)境溫度的影響，會隨外界環(huán)境變化而變化，所以我們不能確定最佳負載大小。通過在光伏電池和負載之間增加一個直流斬波電路，調節(jié)斬波電路的占空比，就可以調整等效負載大小，控制光伏電池工作在最大功率點實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。 圖 51 光伏 發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)框圖 光伏發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)框圖如圖 51 所示，光伏陣列經(jīng)過直流斬波電路向負載供電，控制器周期性采樣光伏陣列輸出電壓、電流，經(jīng)過最大功率跟蹤控制算法判斷系統(tǒng)是否工作在最大功率點，并對產生的 PWM 信號占空比進行調整，間接調整光伏陣列的工作電壓，使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點處 。 MPPT 控制基本原理 在這里我們使用大家普遍使用并且比較好的 MPPT 控制技術中的擾動觀察法。 由于光伏器件的輸出功率隨外部環(huán)境變化而變化，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用 MPPT 電路和相應的控制方法提高對光伏 器件的利用效率。假定電池的結溫不變光伏器件結溫不變，光伏器件的特性曲線如圖 51 所示。 基于 PLC 的光伏控制系統(tǒng) 17 圖 52 MPPT 工作原理示意圖 圖中曲線一、二分別對應不同日照情況下光伏器件的 I— V 特性曲線， A、 B分別為不同日照情況下光伏器件的最大輸出功率點，負載 負載 2 為兩條負載曲線。當光伏器件工作在 A 點時，日照突然加強，由于負載沒有改變，光伏器件的工作點轉移到 A’點。從圖中可以看出，為了使光伏器件在特性曲線 I 仍能輸出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲線 I 上的 B 點，也就是說必須對光伏器件的外部電路進行控制使其負載特性變?yōu)?負載曲線 2 實現(xiàn)與光伏器件的功率匹配，從而使光伏器件輸出最大功率。 為了使太陽能電池陣列帶任意電阻負載時，太陽能電池陣列都能工作在最大功率點，必須在負載和太陽能電池陣列之間加入一個阻抗變換器，如圖 53 所示。 圖 53 帶阻抗變換器時的等效電路 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)論文 18 設變比 K=Vin／ V。，阻抗變換器的效率為 l，則 RL’ =K2RL，調節(jié)變比 K 便可使 RL’ =Req 從而使太陽能電池陣列工作于最大功率點，實現(xiàn)最大功率輸出。阻抗變換器一般使用 DCDC 變換器來實現(xiàn)，通過調節(jié)變換器開關管的實現(xiàn)調節(jié)變比 K，從而實現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率點 跟蹤。 擾動觀察法 (Perturbation and Observation—