大规模太阳能电站的太阳跟踪控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种大规模太阳能电站的太阳跟踪控制系统，包括上位机、现场控制单元、供电单元、采集太阳能的被控对象和电机；被控对象上设有倾角传感器和光学对焦传感器；倾角传感器采集被控对象的倾角信息，并通过角度采集器传输至现场控制单元；光学对焦传感器获取太阳与被控对象相对位置信息，并传输给现场控制单元；现场控制单元通过电机驱动器与电机连接，电机的输出端与被控对象的跟踪支架传动连接；供电单元设于现场控制柜内；上位机包括人机交互界面和中央控制器，中央控制器与现场控制单元之间通过无线以太网或光纤通信连接。本发明还公开了一种大规模太阳能电站的太阳跟踪控制方法，能够精确控制被控对象的倾角，实现太阳精确追踪。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳跟踪控制系统，特别涉及一种大规模太阳能电站的太 阳跟踪控制系统，本发明还涉及大规模太阳能电站的太阳跟踪控制方法，属于 太阳能技术领域。

背景技术

对于太阳能的利用，近年来发展最快的莫过于光电转换即太阳能光伏发电。 而在整个太阳能发电系统中，太阳光线与太阳能电池板之间的角度大小直接决 定着电池板输出功率高低，太阳光线与太阳能电池板之间的角度(0°～90°) 越大，太阳能电池板发电输出功率越高，因此，在太阳能发电过程中，最理想 的状态是将太阳能电池板始终保持与太阳光线垂直(即夹角为90°)，这样可以 达到效率最大化。

为了达到上述目的，中国专利数据库于2012年12月19日公开了一件专利 名称为：太阳能追日系统，申请号为：CN201210352650，申请日为：2012年09 月21日的发明专利，该太阳能追日系统包括控制装置、传动装置、图像采集装 置、图像处理装置以及滤光装置；图像采集装置用于采集太阳的图像，与图像 处理装置；图像处理装置用于计算太阳在图像中的位置，与传动装置电连接。 通过存储在控制装置内的关系表，对发电载具进行粗调整，再借助于图像采集 装置和图像处理装置，利用影像补偿技术校准发电载具的对日方向。当图像采 集装置无法有效感知太阳位置时，追日系统则以被动追踪方式追日。

上述太阳能追日系统的不足之处在于：对于多云等天气多变的情况，图像 采集装置存在可能无法有效感知太阳位置信息，必然存在图像采集控制与发电 载具粗调整控制两种模式的频繁切换，使跟踪系统存在控制抖动；而且，其不 能够通过图像传感器参数，实现被动追日系统的控制模型的自学习，不能够逐 渐优化被动模型精度；只有图像采集装置无法感知太阳时才进行发电载具粗调 整，不能够实现超前经验控制，不能实现在图像采集控制未检测到偏差之前就 实施了跟踪控制，在高精度跟踪需求下，存在跟踪位置细微抖动。另外，现有 技术大多为：1、一个跟踪控制器控制一个支架，这样在大规模应用时，存在电 源单元、通讯单元、处理器等进行简单重复安装，导致系统元器件数量庞大， 增加了电站跟踪系统元器件故障总量和故障时间，增加运维成本；2、采用RS-485 等中低速率通讯形式，大规模应用时通讯延时滞后，响应慢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大规模太阳能电站的 太阳跟踪控制系统，解决现有技术中存在的太阳跟踪控制精度不够高、系统不 够稳定可靠、故障时间多和运维成本高的问题，以及大规模应用时通讯延时滞 后，响应慢的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：大规模太阳能电站的太阳 跟踪控制系统，包括上位机、现场控制单元、供电单元、用于采集太阳能的被 控对象和用于控制被控对象旋转角度的电机；所述被控对象上设有倾角传感器 和光学对焦传感器；所述倾角传感器用于采集被控对象的倾角信息，并通过角 度采集器传输至现场控制单元；所述光学对焦传感器获取太阳与被控对象相对 位置信息，并传输给现场控制单元；所述现场控制单元通过电机驱动器与电机 的输入端电连接，电机的输出端与被控对象的跟踪支架传动连接；所述供电单 元设于现场控制柜内，供电单元的输入端连接380V三相交流市电，输出端分别 与现场控制单元、电机驱动器电连接；所述上位机包括人机交互界面和中央控 制器，所述中央控制器与现场控制单元之间通过无线以太网或光纤通信连接。

所述被控对象为聚光太阳能模组。

所述被控对象为非聚光太阳能接收器。

所述被控对象为反射镜。

所述供电单元包括变压器，变压器包含原边和多个相互隔离的副边，原边 与380V三相交流市电连接，各副边分别通过整流器为现场控制单元和电机驱动 器提供不同的工作电压。

所述光学对焦传感器包括光学镜头、减光膜片及图像传感器，所述减光膜 片设于光学镜头的光路中，所述图像传感器将光学图像转换成电子信号传输给 现场控制单元。

所述图像传感器为CCD传感器。

所述图像传感器为CMOS传感器。

与现有技术相比，本发明提供的大规模太阳能电站的太阳跟踪控制系统所 产生的有益效果是：1、设有倾角传感器，实现了理论角度闭环控制，同时系统 设有光学对焦传感器，进行光学监测运行结果，如果出现偏差，则测算出修正 值，对理论角度进行修正，并记录修正后的实际要运行的结果，提高系统控制 精度，使系统实现了全年无需人工调整参数的高精度运行；2、采用380V三相 交流市电，电路损耗少、电压输出文波小、电压平稳，单个电源功率大，器件 少，可靠性高，环境适应能力强；3、一个现场控制单元可以控制多个跟踪支架， 系统器件总数少，降低系统故障率；4、中央控制器与现场控制单元之间通过无 线以太网或光纤以太网连接，便于大量数据传输，实现高级算法由中控室远程 运算，降低现场控制器控制算法压力。

本发明的另一目的在于提供一种大规模太阳能电站的太阳跟踪控制方法， 包括如下步骤：

步骤一：建立像素坐标系：通过光学对焦传感器获取同样大小的若干图片， 将图片上任意一点定义为坐标原点，以相互垂直的两个方向作为正负坐标轴， 以像素作为基本单位建立像素坐标系；

步骤二：计算理想位置的标准像素点：经过现场调试，找到太阳与被控对 象之间的理想位置，通过光学对焦传感器获取此时刻图片信息，将太阳圆心点 对应到像素坐标系中，计算出标准像素点；

步骤三：计算理论倾角：现场控制单元计算出当前时刻太阳的理论位置， 计算得出当前时刻被控对象的理论倾角，加上修正值，得出被控对象实际要执 行的角度值(α₀，β₀)，并记录该值；

步骤四：计算实际像素点：光学对焦传感器采集当前时刻太阳的图像信息， 如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息 获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在像素坐标系中对应的实际像素点，否 则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询；

步骤五：像素点比较判断：比较判断标准像素点与实际像素点是否重合： 如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以标准 像素点为基准，计算被控对象当前时刻偏差，得出新的修正值；

步骤六：采集实际倾角：通过角度采集器采集倾角传感器的角度，设倾角 传感器检测到的太阳能支架在竖直平面内仅一轴有转动分量的倾角为α，在竖直 平面内两轴有转动分量的倾角为β，通过运算变换赋值：α₁＝α，得到被控对象的实际位置(α₁，β₁)，反馈给现场控制单元；

步骤七：倾角比较判断，动作执行：比较被控对象的实际位置(α₁，β₁)与 被控对象实际要执行的角度值(α₀，β₀)，若偏差大于等于误差允许值，则分别 计算两倾角的偏差，并发送控制指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的 倾角，若偏差小于误差允许值，则无需调整被控对象的倾角循环步骤三至七。

当天气状况不佳，光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时，现场 控制单元根据可获得太阳位置的最近一天被控对象的倾斜角度信息，计算并调 整当天被控对象理想的倾斜角度。

与现有技术相比，本发明提供的大规模太阳能电站的太阳跟踪控制方法所 产生的有益效果是：

1、采用理论角度闭环控制加上光学修正的控制策略，使系统具有经验值， 可以预先知道下一步运行的角度，实现了在光学对焦传感器未检测到角度偏差 之前，就由角度闭环控制系统提前靠模型经验值超前完成闭环控制，有效的应 对各种天气情况，实现全天候连续跟踪运行，进一步提高控制精度，引入光学 修正算法，修正了经验模型误差和机械传动误差，使系统实现了全年无需人工 调整参数的高精度运行；2、光学对焦传感器检测的是太阳的圆心坐标，通过 修改标定的标准像素点的坐标，就可以消除由于机械时效变形、地基沉降等引 起的跟踪焦点偏移问题；3、给出双轴倾角传感器角度变换处理方法，在可以采 用倾角传感器的工况下，优先采用该类型的传感器，可以降低支架机械精度要 求，从而降低系统成本。

附图说明

图1是本发明提供的大规模太阳能电站的太阳跟踪控制系统的结构框图。

图2是被控对象实际要执行的角度值的夹角示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明提供的大规模太阳能电站的太阳跟踪控制系统的结 构框图，包括上位机、现场控制单元、供电单元、用于采集太阳能的被控对象 和用于控制被控对象旋转角度的电机。上位机位于中控室中，通过无线以太网 或光纤与现场各个现场控制单元进行通讯连接。现场控制单元为多通道输入输 出，可以连接多通道的角度采集器、光学对焦传感器和电机驱动器等，实现多 通道控制。被控对象上设有倾角传感器和光学对焦传感器，倾角传感器用于采 集被控对象的倾角信息，并通过角度采集器传输至现场控制单元。光学对焦传 感器用于获取太阳与被控对象相对位置信息，并传输给现场控制单元；现场控 制单元通过电机驱动器与电机的输入端电连接，电机的输出端与被控对象的跟 踪支架传动连接。跟踪支架可选用单轴或双轴跟踪支架。

为减少电路损耗少、电压输出文波，供电单元设于现场控制柜内，供电单 元的输入端连接380V三相交流市电，输出端分别与现场控制单元、电机电连接。 上位机包括人机交互界面和中央控制器，中央控制器与现场控制单元之间通过 无线以太网或光纤通信连接。

供电单元包括变压器，变压器包含原边和多个相互隔离的副边，原边与380V 三相交流市电连接，各副边分别通过整流器为现场控制单元和电机驱动器提供 不同的工作电压。

光学对焦传感器包括光学镜头、减光膜片及图像传感器，减光膜片设于光 学镜头的表面，图像传感器将光学图像转换成电子信号传输给现场控制单元。 图像传感器可选用CCD传感器或CMOS传感器。

被控对象可选用聚光太阳能模组，包含碟式聚光系统、透镜聚光系统等。

被控对象也可选用非聚光太阳能接收器，包括晶硅光伏板等。

被控对象还可选用反射镜，包括定日镜、线性菲尼尔反射镜等。

对于高精度跟踪运行要求的控制系统，可以为每个跟踪支架都对应配置一 个倾角传感器和一个光学对焦传感器；对于跟踪精度要求不高的控制系统，由 于数公里范围内太阳光角度变化非常小，因此可以仅为其中一个跟踪支架同时 配置倾角传感器和光学对焦传感器，其余跟踪支架只配置倾角传感器，不配置 光学对焦传感器，同时配置了倾角传感器和光学对焦传感器的跟踪支架采用角 度闭环加光学对焦修正的控制方式，消除相关误差，得到较精准的实际要执行 的角度，通过中央控制器，将得到的较精准的实际要执行的角度，同步发送给 其他跟踪支架同步执行。

本发明提供的大规模太阳能电站的太阳跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一：建立像素坐标系：通过光学对焦传感器获取同样大小的若干图片， 将图片上任意一点定义为坐标原点，以相互垂直的两个方向作为正负坐标轴， 以像素作为基本单位建立像素坐标系；

步骤二：计算理想位置的标准像素点：经过现场调试，找到太阳与被控对 象之间的理想位置，通过光学对焦传感器获取此时刻图片信息，将太阳圆心点 对应到像素坐标系中，计算出标准像素点；对于聚光太阳能模组和非聚光太阳 能接收器，理想位置指太阳光线与聚光太阳能模组或者非聚光太阳能接收器垂 直。对于反射镜，理想位置指反射光线准确反射到接收器件上，同时，调整CCD 传感器获取的太阳图片中，太阳圆心在图片的中心位置附近。

步骤三：计算理论倾角：现场控制单元计算出当前时刻太阳的理论位置， 计算得出当前时刻被控对象的理论倾角，加上修正值，得出被控对象实际要执 行的角度值(α₀，β₀)，并记录该值；其中α₀表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有 传动分量的轴与重力线的夹角，β₀表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的 轴与重力线的夹角，如图2所示，图中L1表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传 动分量的轴，L2表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴，L3表示重力线。

步骤四：计算实际像素点：光学对焦传感器采集当前时刻太阳的图像信息， 如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息 获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在像素坐标系中对应的实际像素点，否 则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询；

步骤五：像素点比较判断：比较判断标准像素点与实际像素点是否重合： 如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以标准 像素点为基准，计算被控对象当前时刻偏差，得出新的修正值；

步骤六：采集实际倾角：通过角度采集器采集倾角传感器的角度，设倾角 传感器检测到的太阳能支架在竖直平面内仅一轴有转动分量的倾角为α，在竖直 平面内两轴有转动分量的倾角为β，通过运算变换赋值：α₁＝α，得到被控对象的实际位置(α₁，β₁)，反馈给现场控制单元；

步骤七：倾角比较判断，动作执行：比较被控对象的实际位置(α₁，β₁)与 被控对象实际要执行的角度值(α₀，β₀)，若偏差大于等于误差允许值，则分别 计算两倾角的偏差，并发送控制指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的 倾角，若偏差小于误差允许值，则无需调整被控对象的倾角循环步骤三至七。

当天气状况不佳，光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时，现场 控制单元根据可获得太阳位置的最近一天被控对象的倾斜角度信息，计算并调 整当天被控对象理想的倾斜角度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。