光伏电站自动跟踪集散控制系统的研究

新疆太阳能科技开发公司光电研发部 ■ 李强 修强 朱相连

0 引言

目前，我国光伏电站的自动跟踪控制系统主要分为独立控制系统和集中控制系统[1]。独立控制系统具有控制精度高、可实现闭环控制、成本较高的特点，多用于单立柱跟踪控制系统；而集中控制系统均采用开环控制，不能实现精确控制，多用于斜单轴、平单轴、多组串跟踪控制系统。由此，本文提出了将独立控制与集中控制相结合的控制策略——自动跟踪集散控制系统。该控制系统具有稳定、精准、可控性强的特点，既能完善现有光伏电站自动跟踪控制系统的不足，又能为将要建设自动跟踪控制系统的光伏电站提供参考。

1 自动跟踪集散控制系统的架构

自2011年起，国内自动跟踪式光伏电站相继投入运营，但由于存在控制系统整体架构受限和前期施工等问题，导致现有的自动跟踪式光伏电站存在支架失向、信号衰减等问题。针对目前自动跟踪式光伏电站的运行状况，本文对光伏电站的客户端大数据监控、总控系统和底层跟踪执行系统进行了系统构设，优化了控制策略和通信方式。图1为自动跟踪集散控制系统架构图。

图1 自动跟踪集散控制系统架构图

用户通过人机界面交互平台可以查看数据服务器内所有支架的运行状态，数据服务器与跟踪控制系统采用GPRS方式进行数据传输，跟踪控制系统为主控系统，通过无线方式发送数据给底层的若干跟踪执行系统，跟踪执行系统接收到数据后，与检测装置读取的数据进行比对，根据比对结果进行驱动，使跟踪装置实现停止或转向动作。

2 自动跟踪集散控制系统的原理

图2为自动跟踪集散控制系统的原理图，该控制系统主要由后台监控系统PC机(也称为“上位机”)、数据服务器、自动跟踪控制系统、无线终端传输设备、传感器、自动跟踪执行系统和跟踪装置构成。

整个自动跟踪集散控制系统是通过后台监控系统PC机在线监控、可编程控制器进行逻辑运算，将通过天文日历[2]计算出来的太阳方位角、高度角参数，以ZigBee无线传输的方式发送给底层若干个自动跟踪执行系统；自动跟踪执行系统读取传感器数据，并与来自自动跟踪控制系统的无线数据进行比对，当两组数据不相等时，驱动跟踪装置开始执行支架的转向动作；同时传感器实时读取支架的角度状态，并将数据传输给自动跟踪执行系统；然后自动跟踪执行系统依然将读取的传感器数据与接收到的无线数据进行比对，当两组数据相等时，跟踪装置停止本周期跟踪动作，直到下次接收到来自动跟踪控制系统的无线数据。

在该自动跟踪集散控制系统中，自动跟踪控制系统与自动跟踪执行系统的功能和特点有所不同。前者主要用于复杂的数据运算和逻辑判断，其功能主要依靠可编程控制器来实现；后者只是进行简单的数据采集和逻辑判断输出，主要功能由单片机来实现。

3 通信系统在自动跟踪集散控制系统中的应用

3.1 通信系统架构

自动跟踪集散控制系统在跟踪、控制过程中，主要是进行数据采集、逻辑运算和数据传输。鉴于光伏电站的所在地一般都较为偏僻，若采用有线数据传输会存在诸多缺陷，如电信号短路、断路、衰减等问题，会为后期故障排查、维护带来诸多麻烦，因此，在自动跟踪集散控制系统中引入了ZigBee无线传输装置进行数据传输，可弥补以往通信中存在的缺陷。图3为通信系统架构图。

3.2 自动跟踪控制系统的通信方式

自动跟踪控制系统作为ZigBee无线网络(见图4)中的主节点，覆盖该片区内的多个子节点，进行固定地址的数据通信。将自动跟踪控制系统计算的角度参数发送给底层的若干ZigBee无线收发单元，然后ZigBee无线收发单元将数据传输给自动跟踪执行系统。

图4 ZigBee无线组网图

3.3 自动跟踪执行系统的通信方式

以往大规模光伏电站的自动跟踪项目都是以开环控制为主，自动跟踪支架的状态、朝向不能得到及时反馈，存在控制精度低、故障率高的问题；而且由1台控制器同时控制1 MW以上的光伏阵列，当出现控制器故障或信号传输中断时，整个片区的自动跟踪支架均处于失向状态。因此，亟需研发出一种性能稳定的自动跟踪执行系统，其应具备可控制性高、模块化强、施工布线少的特点，在规避以往控制缺陷的同时，可实现相对的闭环控制功能，能够很好的兼容目前已投入运营的光伏自动跟踪项目所搭设的控制系统。

本文提到的自动跟踪执行系统是采用基于CC2430芯片的ZigBee无线传输技术[3]进行数据的传输与采集，该技术依据IEEE 802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4 Hz，具有低成本、低功耗、网络节点多、传输距离远等优势。该自动跟踪执行系统是以典型的8051微处理器为内核的无线单片机，其CC2430芯片的电路原理图如图5所示。

图5 CC2430芯片电路原理图

CC2430芯片的尺寸为7 mm×7 mm，集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器。该芯片使用1个8位MCU(8051)，具有32/64/128 kB可编程闪存和8 kB的随机存取存储器，还包含模/数转换器、4个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路及21个可编程I/O引脚[4]，可满足自动跟踪执行系统的需求。

4 问题分析与解决

4.1 采用开环控制的斜单轴自动跟踪控制系统的应用调研

2015年11月中旬，笔者对采用开环控制的斜单轴自动跟踪控制系统的新疆某光伏电站进行了实地调研。该光伏电站位于鄯善县西北方向约20 km处，为戈壁地貌，四周较为空旷。此次现场调研与上次调研时隔一年。调研后发现，采用该控制系统的斜单轴的运行效果与去年相比较差，跟踪失向的支架数量较多，故障以传动失效为主。目前主要的解决方式是更换驱动电机或减速机。截至2018年底，该光伏电站已运行6年，减速机效率降低导致的故障问题呈逐年递增的趋势，已成为采用开环控制的斜单轴自动跟踪系统的光伏电站业主长期以来需要解决的问题。

图6 光伏阵列维护图

4.2 问题分析与对策

根据调研数据可知，首批已运营的采用开环控制的自动跟踪式光伏电站，在运行2～3年后，由于电站所在位置的地理环境恶劣，高温、风沙、浮沉天气居多，导致减速机磨损失效，使得以天文日历开环控制的跟踪系统的弊端频繁暴露。这主要是由于以天文日历计算跟踪控制的方法是将太阳的方位角变化参数转化成支架驱动电机上电时间的周期，该数据是通过电机转速和减速机比计算获得。当减速机由于磨损失效后，实际的驱动时间不能使支架的姿态调整到预期的方位。较长时间的误差积累，使整个自动跟踪式光伏电站的支架朝向有很大差异。由于每个跟踪支架的减速机磨损程度不同，导致整个自动跟踪式光伏电站的跟踪支架千姿百态。而更换减速机、驱动齿轮等，从根本上杜绝不了此类问题的发生。

鉴于上述问题，光伏电站可采用自动跟踪集散控制系统进行控制，通过安装在支架上的角度传感器读取目前支架的状态，同自动跟踪控制系统发送的无线数据进行比对，进行选择性的停止或转向控制。在这种情况下，即使减速机失效，从根本上也不会影响支架的姿态调整，只会延缓支架二次调整姿态的时间周期，并且能从根本上解决现有的自动跟踪控制系统减速机大规模失效的问题。

由于光伏电站多规划或建设在大面积的闲置用地、荒滩、戈壁、山地等地，考虑到ZigBee无线通信技术在衍射能力、穿透能力及传输有效覆盖范围方面还有所局限，应在前期规划设计时根据地貌、高差、有无遮挡等情况合理布置ZigBee主节点，使ZigBee无线信号覆盖每一台跟踪支架。同时，充分结合后期调试及试运行过程，对ZigBee主节点进行调整与增加，以确保每一台跟踪支架的良好运行。

5 总结

光伏自动跟踪集散控制系统基于成熟的ZigBee无线通信技术，可对自动跟踪式光伏电站进行大规模自动跟踪控制。鉴于一般MW级并网光伏电站所处地理位置以荒滩、戈壁地貌为主，四周空旷无遮挡物，利用无线通信技术进行控制具备一定的可行性，可节约前期大量的施工布线和后期系统维护的工作量。光伏自动跟踪集散控制系统利用底层光伏跟踪执行系统闭环控制策略，从根源上解决了由于大规模减速机失效导致的自动跟踪支架集中失向的并发性问题。