全自动跟踪光伏电站计算机监控系统
全自动跟踪光伏电站计算机监控系统
中国拥有丰富的太阳能资源，陆地表面每年接受的太阳辐射能为50×1018kJ，约相当于1700亿t标准煤。由于太阳能具有无污染、取之不尽、用之不竭等优点，所以我国政府对太阳能技术的发展十分重视，有关部门计划到2000年光伏发电的装机总量发展到7万kW。目前国内设计与研制的光伏电站系统中，大多数采用硅电池板固定安装的方式，这种方式虽然控制简单，安装方便，装机容量大，但发电效率低。3kW全自动跟踪太阳发电设备根据地平座标，双轴跟踪原理，采用光、机、电一体化及计算机监控技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，解决了太阳能光伏发电设备中全自动跟踪太阳的技术难题，该设备比固定式发电设备的发电量提高了50％。通过计算机对电站参数的监控与管理，便于对全自动跟踪太阳发电设备运行情况及太阳能资源等进行分析研究，具有一定的科研及实用价值。
1 系统的硬件结构
3kW全自动跟踪光伏电站的主体设备由计算机控制系统、全自动跟踪控制器、光电池阵列、蓄电池组、逆变器和配电柜组成，系统硬件配置如图1所示。计算机控制系统的硬件设备以一台486－DX／66为过程监控级，以对光伏电站的运行状况，包括自动跟踪、充电、放电和供电等情况进行实时监测，对光伏电站运行状态的变化作出分析和对电站运行情况异常作出判断并进行实时自动控制，以及对系统数据的存储、显示、打印、计算、统计与集成管理。主要控制对象是太阳能电池充电控制电子开关，逆变器放电控制开关，交流配电送电控制开关及故障处理控制开关等。
图1 系统硬件配置图
图1中PCL－812PG是研华生产的增强型多功能数据采集卡，16路12位A／D输入，16位数据输入和输出；PCLD－780是一个20针连接器，和PCL－812PG配合完成现场数据的采集与处理；PCLD－785是16通道SPDT继电器输出板，和PCL－812PG配合完成现场信号输出控制。上述电路实现对重要系统参数，如环境温度、电瓶温度、跟踪光强、固定光强、充电电压、充电电流、逆变电压、逆变电流、风速的数据采集及蓄电池充放电、放帆保护、逆变器配电柜控制开关及交流配电控制开关的自动控制，并将采集到的电站参数经处理后送到监控级。
1．1 传感器选择及光强检测
电站参数的检测和变送均采用精度高、性能良好的传感器，其中电瓶温度由Pt100铂电阻检测，环境温度由AD590检测，蓄电池充电电压采用科海电压传感器模块KV50A／P检测，充电电流采用KT50A／P检测，逆变器输出的交流电流采用KT30A／P与KJZ－5V真值转换器联合检测，交流电压采用KV50A／P和KJZ－5V真值转换器联合检测，风速采用风杯式传感器检测。
跟踪光强与固定光强的检测十分重要，它是全自动跟踪太阳发电设备与固定式发电设备在发电效率上相比较的一个重要参数，这里采用KT1A／P型小电流传感器检测光电池短路电流的方法，其检测原理图如图2所示。该平衡式电流传感器的输出信号为电流形式，且测试电流正比于被测电流。当原边电流为1A，其M端输出的测量电流Im为100mA。如果取电压的输出形式，用户需在M端与供电电源零点之间串接一只电阻；根据所取电压大小而选取电阻值，电阻极限值可按下式确定。
图2 跟踪光强检测电路
式中：E为供电电源电压；Vce为功率管的饱和压降；IS为输出信号电流；Ri为传感器内阻。
将已知参数代入上式，得
这里取Rmax＝100Ω。因光电池的最大输出短路电流为200mA，则经KT1A／P转换后，M端最高输出电压为：
科海电流电压传感器模块在测量交直流电流电压时，原付边可达到不失真传递，频率范围高达100kHz。测量回路与主回路高度绝缘，并且具有原边电路短路不会烧坏模块本身的优点。快速的响应特性，最小反映时间＜1μs。其中KT1A／P是最小电流传感器，线性度＜0．1％，反应时间＜10ms，耗电20mA±Im（测量输出电流）。
1．2 自动跟踪与蓄电池充放电控制
检测头是太阳跟踪系统的光信号检测传感器，灵敏度高低直接影响跟踪精度，本系统采用7管探测，即分别担任东、西宽范围、上下搜索跟踪太阳和天黑自动返回功能。探测头在室外工作，选用质量轻、耐腐蚀的铝合金材料加工而成。光电接收管经过严格的计算、定位、以保证其检测灵敏度。跟踪控制是跟踪系统的核心，采用模拟差压比较原理，用集成标准化线路实现。研制的控制器具有跟踪精度高、跟踪范围宽、使用性能可靠和便于维护等特点。
根据对多次在不同时间、不同地点反复测试的数据分析表明，跟踪式太阳电池发电系统比固定式发电效率提高50％以上，考虑一些裕量及其它一些因素，设计中相对效率选定为135％，这样，发电能力相当于3kW固定式太阳电池电站的全自动跟踪式太阳电池电站需配置标称功率为36W的电池板数量为
为便于布置，最终确定安装电池板的数量为64块。64块光电池阵列采用串并联的方式分4路给蓄电池供电。
蓄电池组采用9块12V200AH型铅酸蓄电池组成。其正常工作时端电压允许波动范围在110～121V，计算机实时检测蓄电池端电压，并根据充放电控制要求，控制4路电子开关的导通和截止，从而延长蓄电池的使用寿命，保证系统的正常运行。蓄电池放电，也就是负载用电，采用两点控制方式，蓄电池电压用电下降到102V时报警，提醒管理人员节约用电，减少负荷；连续下降到99V时，系统自动切断负载，从而防止蓄电池过放电造成损坏。
此系统还设有自动防风保护功能，当风力达到8级以上时，通过风速传感器检测到风速报警信号后，由计算机系统的继电器输出控制放翻动作，使电池方阵快速收平，当风力降下来时，延时10min，解除防风状态，恢复跟踪过程。
2 系统软件设计分析
2．1 软件基本功能
2．1．1 数据采集与处理
数据采集与处理是系统软件设计中的基本功能，包括数据的读取，系统参数数据库的数据存储，采样数据的数字滤波和电站参量变换处理等。
2．1．2 数字量输出的执行处理
数字量输出执行程序的功能有：在每一采样周期内，根据蓄电池端电压的大小控制4路电子开关的导通与截止，通过检测电平温度情况、风速情况、执行电机的工作情况，而作出相应的处理。
2．1．3 画面显示
画面显示是管理和操作人员监视电站运行情况的重要手段，包括电站能量流程示意图显示；重要电站参数的测量值和电子开关的状态数据表格显示；跟踪光强与固定光强的动态曲线显示；各时刻功率均值，日、月、年发电量累计值的数据表格及曲线显示。其中跟踪光强与固定光强动态曲线显示是最重要和使用最频繁的，管理人员通过观察曲线走势，便于分析全自动跟踪光伏电站发电运行状况。
2．1．4 报表显示与打印
由于大量的数据整理、分析、统计工作都是以报表形式进行的，因此报表、显示与打印在电站管理中起着重要作用。对于全自动跟踪光伏系统，其报表包括：设备运行参数及系统状态瞬时值，各时刻功率均值，日、月、年发电量累计值报表，系统分数设置报表；显示打印跟踪光强、固定光强动态曲线，各时刻功率均值动态曲线，某日、月设备的跟踪与固定光强曲线，功率均值曲线等。1997年12月14日跟踪光强与固定光强动态曲线如图3所示。
图3 跟踪光强与固定光强动态曲线
2．2 软件的设计思想与实现
软件设计应遵循模块化、结构化和易维护、易使用、可靠性高的原则，在具体进行软件设计时应考虑如下几个问题。
2．2．1 开发环境和编程语言
使用数据库技术和不同的语言均可开发出控制系统的软件包。采用数据库技术便于管理功能的实现，但数据库自身占用常规内存较多，在系统庞大，图形功能要求高时，内存紧张的矛盾较突出，另外基于数据库的软件也不便于进行实时控制；汇编语言使用灵活，占用内存少，但编程量大，又难于维护。而各种高级语言（如C，C＋ ＋语言）具有功能强，可维护性及重用性好等优点，已在许多控制系统都得到广泛应用。本软件设计是采用中文操作系统UCDOS5．0为工作平台，以Turbc2．0及PCL－8129PG驱动程序为编程语言。虽然所设计的软件功能较多，内容丰富，但可读性、可维护性好，程序量及占用内存不大。
2．2．2 数据稳定性与设备安全问题
对于大型的管理与控制系统而言，数据刷新和交换量是很大的，而为了长时期数据的完整性防止意外的事故，大多数数据必须存盘或对磁盘数据进行更新，这样长期大量、频繁对磁盘操作显然是不利的。在实际应用中，软硬盘通常被认为是工业控制系统中可靠性最差的，因此应尽量采用虚拟盘技术，即将大量频繁读写的数据均放于虚拟盘中，隔一定时间再写入实际的磁盘。究竟多长时间写入实际磁盘，应根据现场需要和数据量而定。采用这种方法不仅可以解决上述矛盾，而且具有效率高和可靠性高等优点。
3 结束语
全自动跟踪太阳发电设备计算机监控系统经过现场运行考验，计算机、传感器检测、执行机构和自动跟踪与蓄电池充放电控制均能做到长期可靠地工作；每隔2s采集处理数据，显示各测量点数值，显示的参数符合要求，动态曲线显示正确，程序运行稳定，系统参数、状态及动态曲线打印正确，能够正确保存每天采集的数据，形成相应的数据文件。在显示其保存的数据和曲线图形时证明，该部分功能完善，数据处理正确，以上证明所设计控制方案正确，系统的硬件配置合理；系统的应用软件具有功能丰富，操作方便，运行稳定，可靠性高等特点，取得了良好的效果。
本文受“九五”重点攻关项目（96－120－121）基金和河北省重大科技攻关项目（95－96－07－1）基金资助。
第一作者刘福才，男，1966年生，1989年毕业于东北重型机械学院，1997年获硕士学位，现为哈尔滨工业大学在读博士生，副教授，主要从事电力拖动与计算机控制的研究。
