（机械电子工程专业论文）基于dsp的光伏发电自动跟踪系统的研究.pdf

摘要 光伏发电技术由于安全可靠，清洁无污染，逐渐成为最具有应用前景的太阳能利用 方式之一，但太阳能利用率低的问题一直影响和阻碍着光伏发电的发展。本课题开展的 光伏发电自动跟踪系统的研究，可以精确地跟踪太阳运动，使太阳能电池板在有限的使 用面积内收集更多的太阳辐射，以提高太阳能的利用率和发电效率。 论文在研究跟踪系统的机械结构和控制方式的基础上，设计了一种基于d s p 的光伏 发电自动跟踪系统。其总体设计思想是在地平坐标系下，采用双轴跟踪的机械结构，提 出视日运动轨迹跟踪与传感器检测跟踪联合的控制方式，选用永磁同步电机作为执行机 构，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片作为微控制器。 在电机的驱动控制方式方面，在分析永磁同步电机的工作原理的基础上，建立该电 机的数学模型，利用矢量控制方法和空间矢量脉宽调制算法，对电机的控制系统进行了 s i m u l i n k 建模仿真，仿真结果验证了电机驱动控制方式的正确性。 在跟踪系统的硬件设计方面，利用d s p 芯片的两个专用于电动机控制的事件管理 器e v a 和e v b ，设计并制作了基于d s p 的控制电路板和功率驱动电路板，包括d s p 及外围电路、相电流采样电路、编码器脉冲整形电路、光电传感器检测电路、逆变电路、 i p m 保护电路和p w m 信号隔离电路的设计，达到了平稳地驱动高度角和方位角的永磁 同步电机的目的。 在跟踪系统的软件开发方面，采用v i s u a lc + + 6 0 语言，完成了用户界面的设计和 上位机串口通信程序的编写；在d s p 专用的集成开发环境c c s 下，完成了d s p 初始化 程序、传感器检测跟踪程序、电机驱动程序和下位机串口通信程序的设计。 最后，完成了电机驱动系统的软件和硬件联合调试，调试结果验证了软硬件设计的 正确性，并实现了上位机和下位机的通信，为下一步整机调试的工作奠定了良好的基础。 关键词：光伏发电 自动跟踪数字信号处理器矢量控制 a b s t r a c t t h ep h o t o v o l t a i c ( p v ) t e c h n o l o g yi sb e c o m i n go n eo ft h em o s tp r o s p e c t i v ew a y st ou s e s o l a re n e r g y ，b e c a u s eo fi t ss e c u r i t ya n dc l e a n l i n e s s h o w e v e r ，t h ep r o b l e mo fl o wu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yi sa l w a y sa f f e c t i n ga n db l o c k i n gt h ep o p u l a r i z a t i o no fh e l i o t e c h n i c s t oa c c u r a t e l y t r a c kt h em o t i o no ft h es u n ，a n dc o l l e c tm o r es o l a rr a d i a t i o nf i n i t ea r e af o rt h es o l a rb a t t e r y b o a r d ，s t u d yh a db e e nc o n d u c t e do np h o t o v o l t a i ca u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e mi nt h i ss u b je c tt o i m p r o v et h eu t i l i z a t i o na n dg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y t h et h e s i ss t u d i e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t r u r ea n dc o n t r o lm o d eo ft h et r a c k i n gs y s t e m ，a n d ak i n do fp h o t o v o l t a i ca u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e mb a s e do nd s pw a sd e v e l o p e d t h es y s t e m a d o p t e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t r u r eo fd o u l e a x i s ，p r o p o s e s e dt h ec o n t r o lm o d eo fa s s o c i a t i n g s u na n g l et r a c k i n gw i t hs e n s o rd e t e c t i n gb a s e do nt h eh o r i z o nc o o r d i n a t e s ，a n dc h o o s e d p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) a s t h ee x e c u t i v e m a c h i n e ， t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa st h em i c r o c o n t r o l l e r i nt h ea s p e c to ft h ed r i v ec o n t r o lm o d eo ft h em o t o r ，ap m s mm a t h e m a t i c a lm o d e lw a s s e tu pb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em o t o rw o r k i n gt h e o r y ，a n dt h em o d e l i n ga n da n a l y s i so f v e c t o rc o n t r o ls y s t e mw a sc o n d u c t e dw i t hs i m u l i n ks o f t w a r e ，b yu s i n gt h em e t h o do f v e c t o rc o n t r o la n dt h ea l g o r i t h mo ft h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h e t h ed r i v ec o n t r o lm o d e i nt h ea s p e c to fh a r d w a r ed e s i g n ，t h ec o n t r o lb o a r da n dt h ep o w e rd r i v eb o a r db a s e do n t h ed s pw e r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gd s pa n dp e r i p h e r a la p p a r a t u s ，p h a s ec u r r e n ts a m p l i n g c i r c u i t ，s h a p i n gc i r c u i to fe n c o d e rp u l s e ，p h o t o e l e c t r i cs e n s o rd e t e c t i n gc i r c u i t ，i p mi n v e r t e r c i r c u i t ，p r o t e c t i n gc i r c u i to fi p m ，a n di s o l a t i o nc i r c u i to fp w m o n ep i e c eo fd s pc h i ph a d t w oe v e n tm a n a g e s ，s u c ha se v aa n de v b ，w h i c hc o u l dd r i v ea l t i t u d i n a la n da z i m u t h a l p m s m r e s p e c t i v e l y i nt h ea s p e c to fs o f t w a r ee x p l o i t a t i o n ，t h ep cp r o g r a mw a sc o m p i l e di nt h el a n g u a g eo f v i s u a lc + + 6 0 i n c l u d i n gt h eu s e ri n t e r f a c ea n dt h ep cs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ； a n dt h ed s pp r o g r a mw a sc o m p i l e di nt h ec c sp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，w h i c hw a st h e i n t e g r a t e dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ts p e c i a lf o rd s p a n dt h ep r o g r a mo f i n i t i a l i z a t i o no fd s p ， s e n s o rd e t e c t e dt r a c k i n g ，p m s md r i v e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n sw i t hp cw a sd e s i g n e d a tl a s t ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g g i n g so ft h et h em o t o rd r i v es y s t e mw e r e i i a c c o m p l i s h e d ，w h i c hp r o v e dt h ev a l i d i t y o ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dd s pw a sr e a l i z e d ，w h i c hc o u l db eh e l p f u lf o rt h en e x tp h a s e o ft h ew h o l es y s t e md e b u g g i n gr e s e a r c h k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c ；a u t o m a t i ct r a c k i n g ；d s p ；v e c t o rc o n t r o l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景一1 1 1 1 能源现状及发展l 1 1 2 太阳能利用的特点和优势1 1 2 光伏发电自动跟踪系统的研究现状一2 1 4 课题研究的目的和意义一5 i 5 课题的来源及主要研究内容一6 第2 章光伏发电自动跟踪系统的总体方案设计7 2 1 太阳运行规律一7 2 1 1 极轴坐标跟踪系统8 2 1 2 地平坐标跟踪系统9 2 2 跟踪系统的总体方案1 0 2 2 1电机的选型- 1 0 2 2 2 微控制器的选型11 2 2 3 机械结构的设计1 2 2 2 4 控制方式的选择1 3 2 3 本章小结1 4 第3 章永磁同步电机建模及控制仿真1 5 3 1 永磁同步电机结构及工作原理1 5 3 2 永磁同步电机的数学模型1 5 3 2 1 p m s m 坐标变换1 5 3 2 2 p m s m 的基本方程1 7 3 3电机驱动控制方式1 8 3 4 基于m a t l a b s i m u l i n k 的电机控制系统的建模与仿真2 0 3 4 1 系统组成及其整体模型2 0 3 4 2 系统子模型一2 0 3 4 3 仿真结果及分析2 2 3 5 本章小结7 气 第4 章 自动跟踪系统硬件设计2 4 4 1 系统整体硬件结构2 4 4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 特点2 4 4 3 控制电路板设计2 5 4 3 1 d s p 及外围电路2 5 4 3 2 相电流采样电路一2 8 4 3 3 编码器脉冲整形电路一2 9 4 3 4 光电传感器检测电路一3 0 4 4 i p m 功率驱动电路板设计3 2 4 4 1 逆变电路3 2 4 4 2 i p m 保护电路3 4 4 4 3 p w m 信号隔离电路3 5 4 5 本章小结3 s 第5 章自动跟踪系统软件设计3 6 5 1 主程序结构及流程3 6 5 2 上位机程序设计3 7 5 2 1 系统界面设计一3 7 5 2 2 上位机串口通信程序设计3 8 5 3 下位机程序设计4 0 5 - 3 1 d s p 初始化程序设计4 0 5 3 2 传感器检测跟踪程序设计41 5 3 3 电机驱动程序设计一4 1 5 3 4 下位机串口通信程序设计4 8 5 4 本章小结4 9 第6 章系统的调试与分析5 0 6 1 下位机的软硬件调试与分析5 0 6 1 1 下位机硬件调试一5 0 6 1 2 下位机软硬件调试一51 6 2 上下位机通信调试与分析5 5 6 3 本章小结5 6 第7 章结论与展望5 7 7 1 全文总结5 7 7 2 未来展望5 8 参考文献5 9 附录6 2 攻读学位期间成果6 7 致谢6 8 硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 能源现状及发展 第1 章绪论 能源是人类社会赖以生存和发展的基础。随着经济的发展和人口的增长，世界能源 消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源日益枯竭，据有关资料显示：石油储量估计 在11 8 0 1 5 1 0 亿吨，以1 9 9 5 年世界石油的年开采量3 3 2 亿吨计算，石油储量大约在2 0 5 0 年 左右宣告枯竭；天然气储量估计在1 3 1 8 0 0 。1 5 2 9 0 0 兆立方米，年开采量维持在2 3 0 0 兆立方 米，将在5 7 6 5 年内枯竭：煤的储量约为5 6 0 0 亿吨，1 9 9 5 年煤炭开采量为3 3 亿吨，可以供 应1 6 9 年 1 3 1 。 另一方面，化石能源的大量使用，使生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致 日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。 目前，世界上许多国家开始注重调整能源结构，加强了对可再生能源的开发利用的 投入和支持，并将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分，提出了明确的可 再生能源发展目标，制定了鼓励可再生能源发展的法律和政策，可再生能源得到迅速发 尉4 1 。 1 1 2 太阳能利用的特点和优势 人类很早以前就直接或间接地利用太阳能，太阳能作为一种洁净的能源，既是一次 能源，又是可再生能源，有着化石能源无法比拟的优越性5 7 ： ( 1 ) 储量丰富：太阳辐射可以源源不断的供给地球，取之不尽，用之不竭。经测 算表明，太阳每秒钟放射的能量相当于1 6 0 1 0 2 1 千瓦，其中仅有及微小的部分达到地球， 即便是这样，太阳每分钟辐射达到地球表面的能量还高达8 0 1 0 1 2 千瓦，相当于6 1 0 9 吨 的标准煤。 ( 2 ) 普遍性：虽然由于纬度的不同、气候条件的差异，太阳能辐射并不均匀，但 相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。 这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 1 第1 章绪论 ( 3 ) 无污染性：人类比以往更强烈地认识到，实现可持续发展是发展进程的一个 整体组成部分，环境与发展不能相互脱离。在众多环境问题中矿物燃料形成的污染十分 严重，而利用太阳能做能源，没有废渣、废气、废水排出、无噪声、不产生有害物质， 符合环保的需要。 ( 4 ) 经济性：可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用 之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随时取用；二是在目前的技术发 展水平下，有些太阳利用已具经济性。随着科技的发展和太阳能利用技术的突破，太阳 能利用的成本已经大大下降，太阳能利用的经济性将会更加明显。 因此，太阳能资源是可替代能源中最引人注目、开发研究最多，应用最广的清洁能 源，太阳能发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。 1 2 光伏发电自动跟踪系统的研究现状 太阳能发电作为可再生能源利用的一种形式，可分为太阳能热发电和光伏发电，太 阳能热发电是用吸收到的太阳能量加热水，产生具有一定温度和压力的蒸汽，推动汽轮 发电机组发电；太阳能光伏发电是利用半导体器件的光伏效应原理，将太阳辐射能直接 转换为电能的直接发电形式。太阳能热发电规模一般比较大，维护成本较高，发展具有 制约性；而太阳能光伏发电由于安全可靠，无噪声，无污染，能量随处可得，不受地域 限制，无需架设输电线路，容易储存，可以方便地与建筑物相结合等特点，逐渐成为最 具有应用前景的太阳能利用方式之一，是未来基础能源的重要组成部分 8 9 】。 尽管太阳能光伏发电系统有很多优点，但在光伏发电的发展过程中，使用成本过高 一直是制约其迅速推广应用的关键因素，根本原因在于利用率不高，导致发电成本过高， 难以迅速普及应用。就目前的光伏发电装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率， 仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两方面入手，一是提高太阳能装置的能 量转换率，即通过针对太阳能电池板的输出电压一一电流特性，研究最大功率跟踪 m p p t ( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ) 的控制策略，来实时跟踪太阳能电池板的最大 功率点，使其始终输出最大电功率【1 0 1 2 】；二是提高太阳能的接收效率，目前很多太阳 能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资 源，使其发电效率低下。如果太阳能电池组件能始终保持与太阳光垂直，并且接收更多 方向的太阳光，那么它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳辐射，使得同样数量 的太阳能电池产生更多的输出功率，从而实现提高发电效率的目的【13 1 。 7 硕士学位论文 太阳每时每刻都是在运动着，太阳能电池组件若想收集更多方向上的太阳光，那就 必须要跟踪太阳。通过对太阳光照角度与太阳能接收率的关系的理论分析，可得出结论： 太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差3 7 7 ，精确地跟踪太阳可使太阳能利用率大 ：提高，拓宽了太阳能的利用领域 1 4 。 世界上很多国家正在开展光伏发电自动跟踪系统的研究，美国的b l a c k a c e 在1 9 9 7 年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向通过手动调节，光 伏电池的转换效率提高了1 5 。1 9 9 8 年美国加州成功的研究了a t m 两轴跟踪器，并在 太阳能面板上装有集中太阳光的涅耳透镜，使转换效率进一步提高。2 0 0 2 年2 月美国 亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，结构紧凑， 重量较轻。 在国内近年来有不少专家学者和科研院所也相继开展了这方面的研究，华中科技大 学推出了自适应复精度的太阳跟踪平台，该平台具有粗跟踪和细跟踪两种跟踪探测单 元，满足太阳复杂多变的照射情况要求 1 5 。河北工业大学研究了基于球面机构的光伏发 电跟踪装置，采用三自由度并联球面机构，增加了系统的刚度16 1 。沈阳工业大学研制了 基于图像处理的太阳光线自动跟踪装置，通过图像传感器采集太阳位置的图像信息，经 处理后驱动执行机构 1 7 。中国科学院将模糊控制应用在光电跟踪伺服系统中，提高了跟 踪平台的稳定性和动态性能 1 8 。 目前，光伏发电自动跟踪系统的实现方法有很多，具体来说，可以从以下两个方面 对其进行分类和研究。 ( 1 ) 按采用的机械结构 1 ) 单轴跟踪 单轴跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦 线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原 理基本相似。图1 1 是第3 种跟踪方式的原理，跟踪系统转轴( 或焦线) 东西向布置，根 据事先计算的太阳赤纬角的变化，柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动跟踪太阳 1 9 2 1 。 ：采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时收 集太阳辐射最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但 是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。 第1 章绪论 太阳 占 图1 1 单轴焦线东西水平布置 f i g 1 - 1t h ef l a t l yc o l l o c a t i o no f m o n a x i a l 2 ) 双轴跟踪 如果能够在太阳高度角和方位角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳 能，根据这样的要求而设计的跟踪方式就叫双轴跟踪，也叫高度角方位角式全跟踪 2 2 2 4 1 。 图1 2 双轴跟踪结构 f i g 1 2t h ef r a m eo fd o u l e a x i st r a c k i n g 高度角方位角式太阳跟踪方法的原理如图1 2 所示。在一天当中，跟踪台架 和水平面( 赤道平面) 的倾斜角度高度角b ，以及在水平面内台架相对于某一方向( 例如 南北方向) 转动的角度方位角g 【，同时发生变化，并可由当地的时间和纬度计算出来。 在双轴跟踪结构中，两根相互垂直的旋转轴分别是：垂直向下的垂直轴和平行于地水平 线的水平轴。系统绕垂直轴旋转跟踪太阳的方位角，绕水平轴旋转跟踪太阳的高度角， 使台架平面始终和太阳光线保持垂直。 ( 2 ) 按采用的控制方式 1 ) 视日运动轨迹控制方式 视日运动轨迹控制方式可分为两种：开环和闭环。开环控制方式如图1 3 所示，一 般采用g p s 授时器、网络授时、时钟芯片、系统内置时钟等取得当前的准确时间，然 后由计算机或者单片机等根据预先编制的太阳角度运算程序计算出太阳能电池组件需 要转动的角度，通过步进电机驱动齿轮副、蜗轮蜗杆副等机械机构带动太阳能电池组件 对准太阳。 图1 3 视日运动轨迹开环控制方式 f i g 1 3t h eo p e n e d l o o pc o n t r o lm o d eo fs u na n g l et r a c k i n g 硕士学位论文 闭环控制方式是相对于开环控制而言的，在电机上增加了旋转编码器、角度传感器 等位置传感器，提供太阳能电池组件的实际位置回馈，构成闭环系统。这种控制方式的 精度主要取决于位置传感器的性能。 太阳运行的位置变化都是可以预测的，因此可以采用视日运动轨迹控制，通过数学 上对太阳轨迹的预测来完成对日跟踪，理论上可以精确地跟踪太阳运行轨迹。但视日运 动轨迹跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动 调整等。因此使用视日运动轨迹跟踪方法时，需要定期的人为调整太阳能电池的方向， 使其轴线正对太阳【2 5 | 。 2 ) 传感器检测控制方式 如图1 - 4 所示，传感器检测控制跟踪方式能够实时测量太阳光的方向，经电路处理后 控制机械机构运行。传感器可采用光敏电阻、光电池、光电二极管、热电偶、化学反应 等各种形式和结构 2 6 8 】。传感器检测跟踪的特点是实时探测太阳光的方向，构成闭环控 制，精度较高。但是这种控制方式也存在难以克服的缺点：响应慢、精度差、稳定性差、 某些情况下出现错误跟踪等缺点。在多云、阴雨天气中找不到太阳的正确位置，会试图 跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，引起执行机构的误动作，造成了能源的浪费和部 件的额外磨损，需要人工干预 2 9 1 。 图1 4 传感器控制方式 f i g 1 4t h ec o n t r o lm o d eo fs e n s o r i n g 近年来，m a r k j m c n a l l y 、a b r a h a mk r i b u s 等人提出了采用图像方法处理来实现跟踪 定位的方法 3 0 , 3 1 。一般是通过c c d 采集太阳的图像或者聚光镜的图像，然后对图像进 行分析处理，控制电机驱动跟踪机构转动，对准太阳。这种传感器闭环跟踪方式可以消 除在多云等气候变化时找不准正确位置的缺点。 1 4 课题研究的目的和意义 光伏发电自动跟踪系统是太阳能利用中的重要组成部分，是提高光伏发电的效率， 降低发电成本，以及环境保护的必然要求。而数字信号处理器( d s p ) 由于其丰富的硬 件和软件资源，在自动控制领域发挥着越来越重要的作用。课题设计出了一种基于d s p 5 第1 章绪论 的光伏发电自动跟踪系统，能够随着太阳光照射方向的变化而使太阳能电池始终与太阳 光线垂直，结构简单、成本低，不但能在晴天时正常跟踪太阳，阴天时也能自动跟踪， 这样就提高了跟踪的精度。 对光伏发电自动跟踪系统进行研究和开发，有利于推动我国光伏发电技术的发展， 缩短我国在此行业与发达国家的差距，而且在加强太阳能的开发、节约能源和保护环境 等方面也具有重要的现实意义。 1 5 课题的来源及主要研究内容 本课题来源于国家8 6 3 计划项目“低倍m w 级聚光型( c p v ) 并网电站及关键 设备研制开发”。它属于国家8 6 3 计划“先进能源技术领域 中重点支持的“m w 级并 网光伏电站系统”专题的范畴，是根据国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 的任务要求设置的。 论文旨在研究基于数字信号处理器的位置伺服跟踪控制的硬件和软件系统，将交流 调速技术应用在光伏发电自动跟踪系统中，提高系统稳定性，解决低成本与高精度之间 的矛盾。论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究光伏发电自动跟踪系统的机械结构和控制方式，确定课题研究的总体方 案。 ( 2 ) 研究跟踪系统所采用的永磁同步电机的控制方式，并对p m s m 的控制系统进 行s i m u l i n k 仿真与分析。 ( 3 ) 根据自动跟踪系统的控制要求和永磁同步电机的控制方式，设计基于d s p 的 光伏发电自动跟踪系统的硬件电路。 ( 4 ) 在完成硬件设计的基础上，采用v i s u a lc + + 6 0 语言设计自动跟踪系统的上 位机软件，并在c c s 平台下设计系统的下位机软件。 ( 5 ) 完成上述自动跟踪系统的实验室调试与分析。 硕士学位论文 第2 章光伏发电自动跟踪系统的总体方案设计 首先通过对太阳运行规律的分析，给出太阳在天空中位置的确定方法，并选择跟踪 系统的坐标系，其次选择跟踪控制方法，确定电机及微控制器的选型，最后给出系统总 体设计方案。 2 i 太阳运行规律 地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动，这种 变化是周期性和可预测的。 地球极轴和黄道天球极轴存在一个2 3 。2 7 的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变 化。冬至时这个角为一2 3 。2 7 ，然后逐渐增大，到春分时变为0 。并继续增大；夏至时赤 纬角达到最大的2 3 。2 7 并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0 。并继续减小；直到冬至， 另一个变化周期开始。设d n 为年的日序，1 月1 日取为1 ，1 2 月31 目取为3 6 5 ，则太 阳赤纬角万可表示为： 万：2 3 5 。s i n 3 6 0 ( 2 8 4 + d , , ) 3 6 5 ( 2 1 ) 在一天当中，太阳赤纬角变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时 间变化引起的太阳位置的变化可由时角表示，太阳在正午时为0 。，每小时变化1 5 u ， 上午为负，下午为正。因此有： 0 9 = ( t 一1 2 ) 1 5 。 ( 2 2 ) 其中，t 为真太阳时。 跟踪太阳位置的变化可以使用多种参考坐标系，最为常用的是极轴坐标系和地平坐 标系，如图2 1 和图2 2 所示。图中，0 为当地天球的球心，即观测者和光伏发电系统 的位置，z 为天项，z 为天底，p 为北天极，尸。为南天极。卯酉圈与地平圈相交的东点 为e ，西点为w ：予午圈与地平圈相交的南点为s ，北点为n ：g 为太阳在天球a m 瞬 时位置。为了便于观察，将系统简化为两根轴，静止轴为，运动轴为d d ，并假定两 7 第2 章光伏发电自动跟踪系统的总体方案设计 根轴互相垂直。 2 1 1 极轴坐标跟踪系统 w e p j 图2 1 极轴坐标跟踪系统 f i g 2 1t h ep o l ea x i sc o o r d i n a t e st r a c k i n gs y s t e m z j w f。 淞 l ，一一一i z兰盘 l ds l e zj 图2 - 2 地平坐标跟踪系统 f i g 2 2t h eh o r i z o nc o o r d i n a t e st r a c k i n gs y s t e m 图2 - 1 为极轴坐标跟踪系统，天文赤道面为基本面，由时角( 用圆弧s g 表示) 和 赤纬角( 用圆弧g g 表示) 来确定坐标，跟踪过程中极轴j j 相对于极轴坐标系为静止 状态，赤纬轴蒯则在赤道面( 或其平行面) 内绕极轴转动。 太阳一天中的运行是由于地球自转引起的，地球绕极轴以每小时1 5 。的速度由西向 东转动。为了使光伏电池组件能够跟踪太阳的运行，可以使光伏电池组件以相同的角速 度绕极轴( 或其平行线) 自西向东转动，从而补偿由于地球自转引起的太阳位置变化 3 2 1 。 因此在极轴坐标系下，可以根据当地时间方便地确定太阳的角度位置。俯仰角就是 赤纬角与当地纬度的差值，可以根据式2 1 方便地由日期得到。时角由当地时间根据式 2 2 方便地计算出来。 硕士学位论文 2 1 2 地平坐标跟踪系统 图2 - 2 为地平坐标跟踪系统，水平面为基本面，由高度角( 用圆弧g g 表示) 和方 位角( 用圆弧s g ) 来确定坐标，在跟踪过程中，铅垂轴办相对于地平坐标系为静止状 态，水平轴蒯则在水平面内绕铅垂轴转动【3 3 。 太阳高度角o 【是指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在0 。 到9 0 0 之间变化，日出日落时为0 。，太阳在正天顶时为9 0 0 。 太阳方位角1 3 即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹 角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正 南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，方位角为一9 0 。，在正西 方时方位角为9 0 。 太阳高度角c 【和太阳方位角p 的大小与太阳赤纬角6 、太阳时角( o 、地理经度t 1 和 地理纬度( p 有关。 由式2 2 可知，时角的大小与真太阳时有关，但是太阳在黄道上的运动不是均匀的， 时快时慢，因此真太阳时的长短也就各不相同，但人们的实际生活需要一种均匀不变的 时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行，这个假想的太阳就 称为平太阳，其周日的持续时间称为平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时，真太阳 时与平太阳时之差称为时差 3 4 1 ，因此： 真太阳时= 地方平太阳时+ 时差= 北京时+ 经度修正+ 时差 = 北京时+ ( 当地经度t 1 1 2 0 ) x 4 + 6 0 + 时差 ( 2 3 ) 设一年3 6 5 天对应区间为 肌2 7 r ，取日角为： o o22 r c ( d 一1 ) 3 6 5 ( 2 4 ) 其中，d 一为年的日序。 时差( 弧度) = 0 0 0 0 0 7 5 + 0 0 0 1 8 6 8 c o s o o o 0 3 2 0 7 7 s i n o o 一0 0 1 4 6 1 5 c o s 2 0 0 一0 0 4 0 8 4 9 s i n 2 0 0 ( 2 5 ) 时差( 小时) = 时差( 弧度) x 1 2 万( 2 6 ) 设太阳高度角和方位角分别为0 【和p ，地理经度和纬度分别为t 1 和( p 。则根据天文 学公式，有： o 第2 章光伏发电自动跟踪系统的总体方案设计 fs i n a = s i n 弘, s i n 万+ c o s ( , o c o s 万c o s 缈 o ， 否则b = 0 ；4 3 u a + u 口 o ，则b = l ， 否则c = o 。取矢量所在扇区n ：a + 2 b + 4 c 。 救肛u d c 2 爱e 慨 = 爰c 也川应不 同的扇区，矢量作用时间按表3 - 1 取值。 表3 一l 矢量作用时间表 t a b l e3 一lv e c t o rd u t yt i m e ( 3 ) 计算电压空间矢量占空比及导通时刻 记铲萼= 半，t b = t a + 沁可o 则在不同的瓤三相矢量作 用起始乞脚1 、t c m 2 、t c 脚3 时刻按表3 - 2 取值。 第3 章永磁同步电机建模及控制仿真 表3 - 2 一周期t 内矢量作用起始时刻表 t a b l e3 - 2v e c t o rd u t ys t a r t i n gt i m ei no n ep e r i o d 扇区号n 1 2345 6 3 4 基于m a t l a b s i m u l i n k 的电机控制系统的建模与仿真 在前几节理论分析和设计的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立永磁同步电机控制 系统的仿真模型，以验证系统模型、矢量控制方法和s v p w m 算法的准确性。 3 4 1 系统组成及其整体模型 永磁同步电机控制系统的仿真模型主要包括位置和负载转矩给定环节，反馈和p i 模块环节，位置、速度和电流控制器环节，s v p w m 模块，永磁同步电机模块，以及测 量模块等，如图3 4 所示。 3 4 2 系统子模型 图3 4p m s m 控制系统仿真模型 f i g 3 4s i m u l a t i o nm o d e lo fp m s mc o n t r o ls y s t e m ( 1 ) p a r k 逆变换模块 根据第3 2 节所述的坐标变换原理，依据式( 3 4 ) ，建立旋转的两相d q 坐标系到 2 0 硕士学位论文 定子静止两相c 【一p 坐标系矢量的p a r k 逆变换子模块d q a l p h a b e t a ，如图3 - 5 所示。 图3 - 5d q a l p h a b e t a 子模块 f i g 3 5t h es u b b l o c ko fd q a l p h a b e t a ( 2 ) s v p w m 模块 根据s v p w m 基本原理，建立一个封装子模块，来实现s v p w m 的功能，以给定 电压空间矢量巧在静止两相坐标系中的两个分量、，直流母线电压以及p w m 的周期t 作为输入。 如图3 - 6 所示，s v p w m 模块还包含a l p h a - b e t a f n 、t l t 2 、t c m l 2 3 、p w m p r o d u c t i o n 、 i n v e r t e r 子模块，分别产生扇区n 、通用变量t l 、t 2 ，导通时间t c m l 、t c m 2 、t c m 3 ，导 通脉冲p w m 信号和逆变信号，可以依据第3 4 节所述的s v p w m 算法建立模型，各个 子模块如图3 7 3 1 1 所示。 图3 - 6s v p w m 模块 f i g 3 6t h eb l o c ko fs v p w m 图3 7a l p h a - b e t a n 子模块 f i g 3 7t h es u b b l o c ko fa i p h a - b e t a n 图3 - 8 t l t 2 子模块 f i g 3 8t h es u b b l o c ko f t l t 2 第3 章永磁同步电机建模及控制仿真 图3 - 9t c m l 2 3 子模块 图3 1 0p w m p r o d u c t i o n 子模块 f i g 3 9t h es u b b l o c ko f t c m l 2 3 f i g 3 1 0s u b b l o c ko f p w m p r o d u c t i o n 酋哥f 翟t _ 二。氤。 淡jl 喜譬n 9 唰 毫士卜习当“o j “，1l j 犁毽。 9 弋曩：惜_ 皇一i 爿 科 ”“焙毒剖j 三j ” l - j 图3 1 1i n v e r t e r 子模块 3 4 3 仿真结果及分析 为验证系统模型和s v p w m 算法的准确性，进行了p m s m 控制系统的仿真。仿真 选取算法为o d e 4 5 ，可变步长，相对误差为0 0 0 1 ；直流母线电压= 1 0 0 v ；定子电阻 r = 2 8 7 5 0q ；d q 轴电感乞= l q 2 0 0 0 8 5 h ；转子永磁体磁通盼= 0 1 7 5 w b ；转子转动惯量 j = 0 0 0 1k g 垅2 ；极对数成= 4 。系统位置给定为3 0 r a d ，负载转矩恒为1 0 n m 。仿真结 果如图3 1 2 3 1 5 所示。 图3 1 2 定子三相电流波形 f i g 3 1 2t h ew a v e f o r mo f s t a t o rc u r r e n t 图3 1 3 电磁转矩波形 f i g