太阳能塔式热发电系统定日镜控制

方茂成，王 平

(中国科学院电工研究所，北京100190)

0 引 言

在太阳能塔式热发电系统中，定日镜是将太阳光反射到反射塔上的装置，是塔式热发电系统最关键的部件，定日镜性能是影响太阳能电站发电能力的重要因素，也是制约塔式电站容量的关键因素。由于定日镜距反射塔较远，因此要求其具备很高的精度。本系统通过将太阳运行轨迹的计算算法融入永磁同步电动机的伺服位置控制器中实现对太阳位置的实时跟踪，通过精确调节定日镜位置跟踪精度获得最大的太阳光辐照利用效率。

1 定日镜控制系统结构

图1为定日镜控制系统结构示意图。塔式热发电站的定日镜控制系统以工控机作为上位机，通过PLC与Profibus现场工业控制总线连接。电机驱动部分主要由主控部分和功率驱动部分组成，实现与Profibus通讯以及驱动电机的功能。由图1可见，驱动电机即控制定日镜顶点角与方位角两个方向的电机，定日镜连接在金属杆件基材上，传动方式等多采用齿轮减速。

图1 定日镜控制系统结构示意图

2 定日镜控制策略

根据太阳能塔式热发电系统当前所处的位置数据，包括时间、经度、纬度、年平均气压、海拔、年平均温度等数据，通过太阳运行位置计算算法精确计算出当前太阳所处位置的顶点角与方位角，作为电机驱动部分的输入，以控制电机A、B，从而达到定日镜精确、快速跟踪太阳位置，实现最大效率地利用太阳光辐射利用效率。

本系统对电机的控制采用基于空间电压矢量(SVPWM)的磁场定向控制，对电机位置、定子电流、母线电压进行实时跟踪检测，电流环、位置环、速度环的调节均采用PI调节器。

2 硬件设计

图2为定日镜数字控制系统结构示意图。

图2 定日镜控制系统结构示意图

从图2可以看出，该数字控制系统的硬件部分包括TMS320F28335数字信号处理器控制、IPM功率模块、永磁同步电机、光电编码器、整流电路、电流传感器等，SPC3协议芯片用于实现Profibus协议与工控机通讯。

2.1 主控部分

主控部分的核心器件为TMS320F28335数字信号处理器，通过SPC3协议芯片与上位机通讯，完成时钟校准、主控部分状态检测等功能;通过SUN位置算法得出当前太阳位置的顶点角与方位角，作为EPWM模块的参数输入，由EPWM模块产生共2组6路带死区控制的SVPWM信号控制电机A、B;EQEP模块接收来自光电编码器的正交编码信号，实时检测电机位置信息;A/D模块对来自电流传感器的信号进行模数转换，实时检测电机定子电流。

2.2 功率驱动部分

为实现与主控部分隔离，避免电磁干扰，功率驱动部分包括与主控部分独立的整流滤波模块、逆变模块、开关电源模块，还包括电机定子电流检测模块，电机位置检测模块等。

整流滤波模块对380 V三相正弦电压进行整流滤波后得到513 V直流电压，作为IPM单元的直流母线电压。

开关电源模块提供给整个功率驱动部分需要的±15 V、+5 V直流电压。

电流传感器选用LEM公司的LA100－P，变流比为1∶2 000，具有优良的线性与精度，输出的电流信号经外围电路转换为电压信号传输至主控部分处理。

电机位置检测选用的光电编码器为NEMICON公司的Encoder SBY－25型编码器，AB相每转各输出2 500个矩形脉冲，Z相为清零脉冲，每转输出一个脉冲，可用于清除累积误差，UVW相输出电机转子初始位置所处扇区，便于检测转子所处初始位置及便于同步电机起动处理。

逆变模块选用的IPM单元为三菱公司的PM50RLA120，额定功率为5.5 kW。SVPWM信号需经过光耦隔离后输入IPM模块，产生的逆变信号用于驱动电机A、B。该IPM单元具有短路、欠压、过温等一系列保护功能，由P－FO引脚输出反馈给主控部分。

3 软件设计

该控制系统的软件流程图如图3所示。主程序主要完成相关寄存器设定、中断设定、参数初始化的工作，完成后执行循环等待程序，并等待中断事件的发生。中断事件发生后由DSP响应中断事件，处理完毕后，中断返回，程序继续进入循环等待状态。

图3 主程序及中断服务子程序流程图

本系统涉及的中断服务程序有两个:EPWM溢出中断和光电编码器Z脉冲中断。其中EPWM溢出中断为主要中断，控制定日镜两个方向的电机。Z脉冲中断完成对脉冲计数器清零，校验脉冲计数器等功能。

4 仿真结果

图4是在Matlab 6.5及Simulink 5.0环境下建立的永磁同步电机A仿真模型图。其中，速度调节器参数:PI调节、比例因子为20，积分因子为2.6，输出范围限制为［100 rad/s，－100 rad/s］;电流调节器参数:PI调节器，比例因子为50，积分因子为2.6，输出范围限制为［30 A，－30 A］;永磁同步电动机A参数:定子电阻rs=2.875 Ω、转动惯量J=8×10－3kg·m2、定子电感 Ld=Lq=0.008 5 H、转子磁链 ψf=0.175 Wb、极对数 pm=4。

图4 永磁同步电机A仿真模型图

负载TL=5 N·m时的仿真波形如图5～图7所示。

5 结 语

太阳能塔式热发电系统中，对定日镜的快速、精确控制直接影响整个系统的效率。本文使用TI公司推出的新一代电机控制专用数字信号处理芯片TMS320F28335，其强大的浮点运算能力与增强型外围接口电路，能够很好地满足系统的要求，并且使系统开发过程更加方便、高效，是一种比较理想的控制方法。