姚仲敏，柳希廣

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

責(zé)任編輯:魏雨博

目前，太陽能發(fā)電技術(shù)在世界各國的應(yīng)用，在一定程度上減少了人類對日益枯竭的化石能源的依賴［1－2］。我國為加快光伏屋頂電站的應(yīng)用建設(shè)，推出了金太陽屋頂計劃和財政補(bǔ)貼政策［3］。光伏樓宇電站目前主要分散地建在城市、企事業(yè)單位、場館等建筑屋頂上，而對這些分布在屋頂上的分散的分布式樓宇光伏電站進(jìn)行太陽光跟蹤控制，可以提高分布式樓宇光伏電站的發(fā)電效率，達(dá)到充分利用太陽能資源的目的［4－5］。

隨著分布式樓宇光伏電站的應(yīng)用，采用Internet、485總線等有線網(wǎng)絡(luò)方式對其跟蹤控制［6－7］存在著布線復(fù)雜、設(shè)備靈活性差和成本高等問題，實(shí)現(xiàn)相對困難;借助GSM/GPRS無線移動通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)存在傳輸模塊功耗大、靈活性差等問題［8－9］。本文針對城市里相對分散的屋頂分布式樓宇光伏電站的特點(diǎn)，設(shè)計了一種低成本、高效的基于ZigBee無線技術(shù)的分布式樓宇光伏電站自動群跟蹤控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)光跟蹤變送器采集的太陽光高度角和方位角變化分發(fā)跟蹤控制命令，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)控制每個區(qū)域中的分布式樓宇光伏電站，進(jìn)行太陽光自動群跟蹤。該系統(tǒng)不僅解決了有線網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜、成本高等問題，而且大大降低了自動跟蹤的成本和能耗，提高了分布式樓宇光伏電站系統(tǒng)群控的靈活性和效率。

1 系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

ZigBee技術(shù)是一種新興的雙向無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低成本和低功耗和低數(shù)據(jù)速率［10］。其組網(wǎng)靈活方便，且性價比高，適用于工業(yè)、智能樓宇及分布式光伏電站監(jiān)控等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)不僅能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，還具有微處理器芯片所具有的數(shù)據(jù)處理及控制功能。目前，大多數(shù)應(yīng)用研究集中在第1個功能，而對第2個功能的應(yīng)用研究較少［11］。本文把ZigBee技術(shù)這兩種功能結(jié)合起來應(yīng)用在分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)中，充分開發(fā)運(yùn)用。

分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)主要是由光跟蹤變送器、ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器組成的。網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的光跟蹤變送器進(jìn)行光信號強(qiáng)度采集，并把其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂撇竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動跟蹤控制命令，其利用4光敏傳感器(橫軸和縱軸各有2個，即步進(jìn)電機(jī)橫軸與縱軸的旋轉(zhuǎn)的控制信息源)完成數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過閾值比較算法對數(shù)據(jù)判斷處理，并由ZigBee協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把跟蹤控制命令分發(fā)到其他ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)控制每個區(qū)域中分布式光伏電站的目的，從而到達(dá)群跟蹤控制。

圖1 分布式樓宇光伏電站群控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

光跟蹤變送器與ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由于光跟蹤變送器和ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相似，這里僅以光跟蹤變送器硬件設(shè)計為例進(jìn)行介紹。

光跟蹤變送器主要有4個光敏傳感器傳送光強(qiáng)度信息，根據(jù)自動群跟蹤控制程序算法實(shí)現(xiàn)群控，由光跟蹤旋轉(zhuǎn)平臺和硬件電路組成智能自動跟蹤裝置。其中光跟蹤旋轉(zhuǎn)平臺主要實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度信號采集、定位檢測、光跟蹤器隨太陽光高度角和方位角變化進(jìn)行跟蹤旋轉(zhuǎn)。硬件電路主要實(shí)現(xiàn)群自動跟蹤控制程序算法、電機(jī)控制和群自動跟蹤控制信號傳輸?shù)取?/p>

光跟蹤變送器的硬件電路設(shè)計主要包括電源電路、JN5139射頻、TH6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和光照強(qiáng)度采集電路等。

圖2 光跟蹤變送器與ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

1)JN5139射頻微處理器集成了32 bit高性能微處理器、4路12位 ADC、2路 UART、2個應(yīng)用計時器、21通用I/O和SPI端口、優(yōu)越的2.4 GHz IEEE 802.15.4射頻、192 kbyte的ROM和96 kbyte的RAM等，提供了低成本的無線網(wǎng)雙向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案，用于完成光敏傳感器信號的獲取和傳輸、AD采樣轉(zhuǎn)換、雙軸步進(jìn)電機(jī)的控制、PWM脈沖和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2)TLP521－4隔離電路是對控制步進(jìn)電機(jī)工作的CLK，CW，ENABLE 3個輸入端信號采用輸入端和負(fù)載完全隔離的方法，確保步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定和安全工作，不受滯后、畸變等干擾影響。

3)TH6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的OUT_AP，OUT_AM，OUT_BP，OUT_BM4引腳為步進(jìn)電機(jī)兩相輸出接口，直接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。引腳M1=0，M2=1實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的1/16細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的3個輸入控制信號CLK，CW，ENABLE通過光耦隔離芯片TLP521－4隔離后送到驅(qū)動芯片，保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。JN5139與TH6560驅(qū)動芯片電路引腳連接圖如圖3所示。

4)電源和光照強(qiáng)度采集電路。系統(tǒng)硬件電路工作電源為12 V，12 V電源為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片THB6560供電;12 V電源通過7805濾波和整流輸出5 V直流電源，5 V直流電源可為隔離電路芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片THB6560邏輯控制電路等供電;5 V電源再通過AS2830濾波和整流產(chǎn)生3.3 V電源，為JN5139射頻微處理芯片供電。光照強(qiáng)度采集電路負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度的檢測，并把檢測的光強(qiáng)度信號送到JN5139射頻模塊進(jìn)行處理。

圖3 JN5139與TH6560驅(qū)動芯片電路引腳連接圖(截圖)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是實(shí)現(xiàn)自動群跟蹤系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，包括光強(qiáng)度采集處理、閾值比較判斷和跟蹤控制命令傳輸?shù)取?/p>

1)光強(qiáng)度采集利用JN5139內(nèi)部4路11位AD轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。4路AD通道函數(shù)設(shè)置通過PRIVATE void vAdc_Config(uint8 channel)來實(shí)現(xiàn)，初始化AD函數(shù)vAdc_Config(E_AHI_ADC_SRC_ADC_1/2/3/4)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)sPresaSensor.u16PresaReading=(uint32)(u16Adc1Reading*586)/1000。

2)跟蹤控制命令發(fā)送與接收。控制命令的發(fā)送利用函數(shù)PRIVATE void vSendData(void)通過定義數(shù)組AF_Transaction_sasTransaction［1］，asTransaction［0］.u8SequenceNum=u8AfGetTransactionSequence(TRUE)，asTransaction［0］.uFrame.sMsg.u8TransactionDataLen=10實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。PUBLICbool_t JZA_bAfMsgObject(void)是數(shù)據(jù)接收函數(shù)定義，uint16u16Presa，uint16 u16Presb，uint16 u16Presc和uint16 u16Presd為4路AD采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)接收變量。

3)步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)置。函數(shù)vTimerConfig()產(chǎn)生PWM脈沖，vAHI_DioSetOutput(E_AHI_DIO8_INT，0)是正反轉(zhuǎn)控制引腳CW 函數(shù)，vAHI_Dio SetOutput(E_AHI_DIO7_INT，0)控制步進(jìn)電機(jī)的使能引腳ENABLE。

群控自動跟蹤程序流程圖如圖4所示。群控程序算法先進(jìn)行不同的天氣情況判斷，如果光強(qiáng)度數(shù)據(jù)大于閾值，則表示白天正常光照，比較橫軸及縱軸光強(qiáng)度大小，直接通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)分發(fā)控制命令到其他ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的橫軸和縱軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)整;如果小于閾值，則表示陰天、夜晚等情況，直接不分發(fā)控制命令，不進(jìn)行電機(jī)調(diào)整，有利于減少能源損耗;如果為0，停止工作進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于同一局部區(qū)域內(nèi)太陽的入射角基本一致，所以完全可以做到同步群自動跟蹤控制。程序算法的具體描述如下:

1)陰天、夜晚等光照強(qiáng)度弱的情況

(1)光跟蹤變送器檢測光強(qiáng)度并進(jìn)行比較。

(2)光強(qiáng)度≤光強(qiáng)度閾值，不分發(fā)數(shù)據(jù)。

(3)判斷光強(qiáng)度大小。

①如果大于閾值，則比較光強(qiáng)度大小，分發(fā)跟蹤控制命令，進(jìn)行群控;

②如果小于閾值，當(dāng)其值不為0，等待，數(shù)據(jù)比較，否則，系統(tǒng)結(jié)束工作。

2)白天等光照正常的情況

(1)光跟蹤變送器檢測光強(qiáng)度并進(jìn)行比較。

(2)光強(qiáng)度＞光強(qiáng)度閾值，則比較光跟蹤變送器橫軸及縱軸光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制調(diào)整光跟蹤變送器橫軸及縱軸角度并分發(fā)群跟蹤控制命令，直至所檢測的光強(qiáng)度值趨于相等時，不再調(diào)整，進(jìn)入保持狀態(tài)。

(3)各光伏電站的ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)接收群跟蹤控制命令后，群自動跟蹤器進(jìn)行橫軸和縱軸自動調(diào)整。

(4)重復(fù)算法1)中的(3)步驟。

4 實(shí)驗(yàn)測試

圖4 群控自動跟蹤程序流程圖

實(shí)驗(yàn)取光跟蹤變送器自動跟蹤裝置、ZigBee協(xié)調(diào)器和2個ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)自動跟蹤。光跟蹤變送器負(fù)責(zé)采集光強(qiáng)度并發(fā)送步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制命令，由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee終端控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動跟蹤控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期跟蹤控制的要求。同時對群跟蹤控制的發(fā)電效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，曲線2和曲線3分別記錄了跟蹤控制的兩節(jié)點(diǎn)的發(fā)電效率和時間的關(guān)系，曲線1是不跟蹤的情況下發(fā)電效率和時間的關(guān)系。結(jié)果是在跟蹤的情況下發(fā)電效率提高30%以上，不但能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站群控跟蹤，而且提高了光伏電站的發(fā)電效率。

圖5 3種情況下發(fā)電量與時間關(guān)系

5 小結(jié)

本文在現(xiàn)有的獨(dú)立式太陽光自動跟蹤器和群自動跟蹤器研究的基礎(chǔ)上，以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了低功耗、低成本的分布式樓宇光伏電站的自動群跟蹤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對每個區(qū)域中的分布式樓宇光伏電站進(jìn)行自動群跟蹤控制。群跟蹤系統(tǒng)測試的結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有實(shí)際的推廣和應(yīng)用價值。

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