西门子PLC模块6ES7212-1HE40-0XB0

1 引言

      太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外*具发展前景的新能源之一。光伏(pv)发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段[1]。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下[2]。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其*大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右[3]。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。

      一种新型的可编程逻辑控制器plc(programmable logic controller)的太阳光自动跟踪系统，不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板的朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值和市场应用前景。本研究以我校的“国家科技部光伏并网发电示范项目”一期和二期工程作为研究基础与研究平台，控制系统发电功率为75kwp。

2 自动跟踪系统的组成及工作原理

      太阳能电池板自动跟踪控制系统由plc主控单元、传感器和信号处理单元、光伏模块、电磁机械运动控制模块和电源模块组成。系统的组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

      太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头(传感器)是用来检测太阳光强的。当有偏差发生时，偏差信号经过跟踪plc主控单元(控制器)，采用模拟差压比较原理，进行运算、比较、发出指令，使电动执行器动作，驱动机械部分转动推动整个装置旋转，调整偏差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，通过控制器向蓄电池充电。系统配有自动保护线路，当风力达到8级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10分钟，解除防风系统，恢复跟踪过程。固定光强、跟踪光强、电瓶温度和自然风速等由微机进行数据采集，并对蓄电池充电和放电进行分级控制。

      系统有自动和手动两种控制方式，sb1和sb2为控制按钮，用于手动操作，plc输出的q0或q1分别连接到两个继电器线圈，以控制太阳板的正反两个运动方向。在自动运行模式下，plc首先比较来自信号处理单元的两个模拟输入的值，然后决定输出q0或者q1。

2.1 可编程逻辑控制器plc单元

      跟踪控制器采用可编程逻辑控制器plc，它是太阳能电池板跟踪系统的控制核心，是系统研究工作的重点。系统采用欧姆龙(omron)公司近年推出的α系列plc，该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机，*大控制i/o点数为1184点。在应用中，中央处理器单元(cpu)采用c200hx-cpu43-e，它自带一个编程口和一个rs232c口，该cpu具有丰富的指令功能，编程十分方便；开关量输入模块选用c200h-id212；开关量输出模块选用c200h-oc225；与上位机的通讯，通过在cpu中插入通讯板c200hw-com06-e(该板具有一个rs232c和一个rs-422/485)实现远程通讯，由于采用了rs-422接口，采取平衡式发送，因此数据传输率高，而且串扰小，传输距离可达500m。特别对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统控制，能发挥plc现场总线控制的优势，进行集中控制。经过研究和优化设计，应用集成标准线路，采用模拟差压比较原理，控制器具有跟踪精度高、范围宽、自动返回功能。限位装置具有东、西、上、下四个方位的极限限位功能。采用双重限位控制结构，即控制信号限位和驱动电机限位，保证了设备可靠地工作。图2所示为plc输入/输出硬件配置图。

图2 plc输入输出硬件配置图

2.2 传感器检测和信号处理单元 

      太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。检测太阳光光强的方法有定时法、坐标法、太阳能电池板光强比较法和光敏电阻光强比较法[4]。对这4种控制方法进行了对比筛选后认为：定时法电路虽然简单，但由于季节的影响，系统的控制精度较差；坐标法控制精度较高，但控制电路复杂；光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到**；光敏电阻比较法电路实现*简单，对太阳能的利用率*大。基于此，选择控制精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法作为本研究系统的检测方案。光敏探测头(传感器)是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方(光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边)。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。控制灵敏度的高低直接影响跟踪精度，光敏电阻光强比较法的优点在于控制**，电路设计比较容易实现。经过实验研究，选用质量轻、美观、耐腐蚀的铝合金材料，光电接收管经过严格的计算、定位，以保证其检测灵敏度。

      图3所示是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视图，共由9个光电三极管组成。正中央1个，旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于检测板的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以便光线通过。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上，光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射)也安装一个光电二极管，其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同，用于检测环境亮度，并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用lm324集成电路中的一个)构成一个比较电路。这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平，此电平可接到的输人端进行检测，圆柱体内的每个光电二级管各用一个plc的输入端，共9个。这样就可以检测太阳光线的朝向，来决定哪个电机转动，向哪个方向转动。另外，为了增大光电二极管的检测范围，视实际情况需要，也可再增加一圈紧密排列的光电二极管，外圈的光电二极管与内圈的相应位置的光电二极管并联。

图3 光电检测排列

      图4所示为信号处理单元电路，当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1k可变电阻的压降增加，从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。两个传感器的输出信号与plc模拟输入端口连接，并对这两个模拟信号进行比较运算，从而输出正确的信号，以驱动太阳能电池板跟踪系统的电磁机构。

图4 信号处理单元

在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况。变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制。本文针对国外某知名风电公司液压变桨距风力机，采用可编程控制器(PLC)作为风力发电机的变桨距控制器。这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。本文介绍了液压变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统。*后在国外某知名风电公司风力发电机组上做了实验，验证了将该变桨距控制器可以在变桨距风力机上安全、稳定运行的。

    随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得更加突出：既能提高风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持**转换效率，使输出功率*大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋。目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种。在统一变桨基础上发展起来的独立变桨距技术，每支叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高等优势，越来越受到国际风电市场的欢迎。

    在变桨距系统中需要具有高可靠性的控制器，本文中采用了OMRON公司的CJ1M系列可编程控制器作为变桨距系统的控制器，并设计了PLC软件程序，在国外某知名风电公司风力发电机组上作了实验。

变桨距风力机及其控制方式

    变桨距调速是现代风力发电机主要的调速方式之一，如图1所示为变桨距风力发电机的简图。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位**、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变距装置大多采用液压系统作为动力系统。

图1 变桨距风力发电机简图

    如图2所示为变桨距控制器的原理框图。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI（或PID）控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置。

图2 变桨距风力机控制框图

    当风力机在停机状态时，桨距角处于90°的位置，这时气流对桨叶不产生转矩；当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90°以一定速度（约1°/s）减小到待机角度（本系统中为15°）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3°（桨距角在3°左右时具有**风能吸收系数）；发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3°不变；当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V－+10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20°/s。

变桨控制器的设计

    ◆系统的硬件构成

    本文实验中采用国外某知名风电公司风力发电机组作为实验对象，其额定功率550KW，采用液压变桨系统，液压变桨系统原理图如图3所示。从图3中可以看出，通过改变液压比例阀的电压可以改变进桨或退桨速度，在风力机出现故障或紧急停机时，可控制电磁阀J-B闭合、J-A和J-C打开，使储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90°）。

图3 液压变桨距控制系统原理图

    本系统中采用OMRON公司的CJ1M系列PLC。发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0～10V对应功率0～800KW）输入到PLC，桨距角反馈信号（0～10V对应桨距角0～90°）以模拟量的形式输入到PLC的模拟输入单元；液压传感器1、2也要以模拟量的形式输入。在这里选用了4路模拟量的输入单元CJ1W-AD041；模拟量输出单元选用CJ1W-DA021,输出信号为-10V～+10V，将信号输出到比例阀来控制进桨或退桨速度；为了测量发电机的转速，选用高速计数单元CJW-CT021，发电机的转速是通过检测与发电机相连的光电码盘，每转输出10个脉冲，输入给计数单元CJW-CT021。