CN107544562A - 一种基于plc的斜单轴光伏自动跟踪控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置和方法，包括PLC，所述PLC上连接有与外部进行无线通信的无线通信装置；显示当前光伏支架运行参数的文本显示器；获取当前斜单轴光伏支架倾角的角度传感器；获取当前外部环境中风速的风速仪；对斜单轴光伏支架的起始位置进行限位的接近开关；对斜单轴光伏支架的东向倾角进行限位的东向限位开关；对斜单轴光伏支架的西向倾角进行限位的西向限位开关；对斜单轴光伏支架的倾角进行调整的电机。通过PLC获取当前斜单轴光伏支架的倾角，并根据当前太阳的实际角度与倾角的差值，获取跟踪角度，对斜单轴光伏支架的倾角进行东西方向的调整，使太阳光线始终垂直于斜单轴光伏支架所支撑的光伏组件面板。

Description

一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光伏支架的自动跟踪，尤其涉及一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置及控制方法。

背景技术

在当今社会，能源问题已成为制约人类进步的重要因素，随着煤炭、石油等常规能源的不断消耗，以常规能源为基础的能源结构已不能适应可持续发展的需求，开发新型可再生能源已迫在眉睫。太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，发展前景非常广阔。但太阳能存在着间歇性、密度低、光照强度和方向随时间不断变化的问题，只有使光伏板与太阳光线时刻保持垂直，才能有效的解决这些问题，提高太阳能的利用率。

根据调查发现，目前光伏斜单轴自动跟踪控制装置按跟踪策略可分为：光电跟踪、视日运行轨迹跟踪、混合跟踪。光电跟踪主要是通过光线传感器将光信号转换为电信号，并发送给控制核心，从而控制驱动单元动作；视日运行轨迹跟踪主要是通过获取当地时间和经纬度，计算出太阳的运动轨迹包括太阳高度角和方位角，控制核心根据计算结果控制驱动单元动作，实现对太阳的自动跟踪。

三种控制模式的优缺点见表（1）：

按控制装置有无反馈信号分为：开环控制、闭环控制。较开环控制而言，闭环控制增加了反馈信号，使得控制系统控制精度更高，但也相应的增加了生产成本。

按照控制单元核心分为：单片机控制、PLC（可编程逻辑控制器）控制。

两种控制方式优缺点如表（2）所示：

发明内容

本发明提供一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

本发明采用的技术方案：

一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置，包括PLC，所述PLC上连接有：

与外部进行无线通信的无线通信装置；

显示当前光伏支架运行参数的文本显示器；

获取当前斜单轴光伏支架倾角的角度传感器；

获取当前外部环境中风速的风速仪；

对斜单轴光伏支架的起始位置进行限位的接近开关；

对斜单轴光伏支架的东向倾角进行限位的东向限位开关；

对斜单轴光伏支架的西向倾角进行限位的西向限位开关；

对斜单轴光伏支架的倾角进行调整的电机。

进一步，所述电机和PLC均通过三相电源进行供电；所述电机与三相电源之间并联有接触器ⅠKM1和接触器ⅡKM2。

进一步，还包括箱体，所述箱体上设置多个开口，开口处分别安装与PLC相连的文本显示器、指示灯和旋转开关；所述指示灯包括斜单轴光伏支架朝向东向的东向指示灯、斜单轴光伏支架朝向西向的西向指示灯，所述旋转开关包括手动/自动旋转开关、东向/西向旋转开关。

进一步，当光伏发电站由多个光伏发电矩阵组成时，所述每个光伏发电矩阵处均设置一个控制装置，各控制装置之间通过无线通信模块进行通信，且该无线通信模块与数据服务器通信连接，数据服务器与远程控制端通信连接。

一种使用上述装置进行斜单轴光伏自动跟踪控制的方法， 通过PLC获取当前斜单轴光伏支架的倾角，并根据当前太阳的实际角度与倾角的差值，获取跟踪角度，使用跟踪角度对斜单轴光伏支架的倾角进行东西方向的调整，使太阳光线始终垂直于斜单轴光伏支架所支撑的光伏组件面板。

进一步，所述PLC通过无线通信模块从远程控制端获取当前的精度和纬度，并根据天文算法计算太阳的实际角度，PLC根据当前的太阳实际角度和倾角的角度，获取它们之间的差值，PLC根据该差值控制电机运行，当实际角度与倾角的角度之间的差值为设置值范围，则PLC发出信号，停止电机运行。

进一步，PLC通过无线通信模块从远程控制端获取当前的经度和纬度，计算出当天的日出、日落时间及日出、日落时间的太阳方位角；

当达到日落时间时，PLC发出信号，停止电机运行，使太阳能光伏板不再西向转动；

和/或

当PLC通过角度传感器获取的斜单轴支架的旋转角度与日落时太阳的方位角相同时，，PLC发出信号，停止电机运行，使太阳能光伏板不再西向转动。

进一步，当斜单轴光伏支架停止跟踪后，PLC发出信号给电机，使电机带动斜单轴光伏支架运动到起始位置，当斜单轴光伏支架运行到接近开关位置时，接近开关向PLC发送信号，PLC将当前获取的斜单轴光伏支架的角度以及计算的太阳实际位置清零和初始化。

本发明的有益效果：

（1）实现高精度自动跟踪，增加发电量：该装置采用高精度天文算法，计算太阳运行轨迹，同时采用高精度角度传感器测量反馈光伏板旋转角度，通过控制程序，使光伏板与太阳光线时刻保持垂直，提高太阳能的利用率，增加发电量。

（2）降低生产成本，提高经济效益：该装置将采用PLC（可编程逻辑控制器）作为控制核心，抗干扰能力强，系统稳定性大大提高，故障率也随之降低，大大减少后期检修维护费用，同时也提高了生产效率和经济效益。

（3）系统可扩展性较高，可进行无线远程集中控制：该装置配备有3G/4G无线通信模块，将采集到的运行数据存储至Internet和服务器，实现多地点、多终端的实时远程监控和管理。

附图说明

图1为本发明的控制装置的外部箱体示意图。

图2为数据采集及控制系统配电原理图。

图3为数据采集及控制系统硬件配置图。

图4为系统控制流程图。

图5为本发明的系统拓扑图。

图6为本发明的运行参数界面图。

图7为本发明的跟踪状态界面图。

图8为本发明的报警记录界面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

太阳能虽然是一种清洁无污染的可再生能源，发展前景非常广阔，但太阳能同时也存在着间歇性、密度低、光照强度和方向随时间不断变化的问题，本发明的基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置及方法，采用“PLC+视日运行轨迹跟踪+智能无线远程监控”的方式，使光伏板与太阳光线时刻保持垂直，提高太阳能的利用率，与现有技术中的装置与方法相比，具有生产成本低、易于远程集中控制、易于检修维护、开发周期短、抗干扰能力强、控制精度高、自动化程度高、易于扩展等优点。

如图3所示，本发明的控制装置包括PLC和无线通信模块，无线通信模块优选采用3G/4G通信模块，该无线通信模块用于和远程的数据服务器网络连接，数据服务器与远程控制端的工控机通信连接。PLC上还连接有文本显示器，文本显示器用来显示斜单轴光伏支架运行中的相关参数，例如系统时间、当地经纬度、太阳的实际方位角、高度角、跟踪角度等。PLC的通信信号板（SB）还通过Modbus RTU协议与PLC角度传感器进行通信连接，采集光伏支架的实际旋转角度。PLC根据当地的经度、纬度，通过天文算法计算得出太阳的实际位置，包括太阳方位角和高度角，再根据太阳的方位角和高度角计算得出光伏支架需要跟踪的角度，跟踪角度是指光伏支架需要实时跟踪到达的角度，即是目标值；比如某时刻，计算得出跟踪角度为东偏南60度，而此时光伏支架角度传感器检测到的光伏支架的实际旋转角度为东偏南55度，跟踪角度与倾角传感器检测角度之间存在5度的差值，此时PLC就会发出控制信号，控制电机运行，当跟踪角度与角度传感器检测角度之间差值为0时，电机停止运行。

PLC上还设置有获取当前外部环境中风速的风速仪；如果风速大于设定的风速阈值，容易对光伏组件造成损害，因此，该种情况下，停止光伏跟踪的控制，使光伏组件进入设定保护程序。

同时，一般光伏板需要在一定的范围内进行跟踪，超出该范围就会对支架和控制系统在成损害，因此，需要对斜单轴光伏板的东向倾角和西向倾角进行限制，本发明中采用的方法是在东向和西向的极限位置设置机械限位开关，并配合定时、定角度停止运行的方法对支架和系统机进行多重保护。由于PLC通过相关程序，能够计算出每天日出、日落的时间以及日出、日落时太阳的方位角。因此，本发明可以通过定时的方法为进行光伏板的停止运行控制：PLC实时读取其内部时间，如果达到日落时间，停止支架西向运行；同时可以使用定角度的方法进行定角度的运行控制：PLC通过角度传感器读取支架实际的旋转角度，当该角度与日落时太阳的方位角相同，系统则停止支架运行。上述两种方法都可以对光伏支架极限位置进行保护，所起到的作用相当于极限位置机械限位开关。

PLC上还连接有接近开关，接近开关用于对斜单轴光伏支架的起始位置进行限位，同时由于机械制造以及计算精度的问题，会使PLC计算出的太阳方位角和高度角存在误差，进而影响跟踪角度的计算结果，如果该误差不进行及时修正，则会出现累积，误差累积到一定程度，将会造成跟踪系统跟踪错位的现象，为解决该问题，本发明在硬件上配置了接近开关作为误差清零点，接近开关安装位置为光伏支架的起始位置的正东方。当光伏支架旋转至接近开关的位置，接近开关会向PLC发送信号，PLC会将当前检测到的支架角度以及计算太阳实际位置（包括方位角和高度角）的相关数据清零和初始化，保障第二天的计算和检测的精度，使跟踪系统一直处在高精度的跟踪状态。

，用于对支架跟踪运行过程中产生的累计误差，进行定点清零，即当光伏支架旋转至接近开关位置时，PLC运行会对系统运行累计误差的清零的程序。

如图1所示，本发明的控制装置还包括箱体，箱体的正面箱壁上设置多个开口，开口处分别安装文本显示器、指示灯和旋转开关。指示灯包括斜单轴光伏支架朝向东向的东向指示灯、斜单轴光伏支架朝向东向的西向指示灯。旋转开关包括手动/自动旋转开关、东向/西向旋转开关。

如图2所示，本发明中驱动斜单轴光伏支架运动的电机和PLC工作的电源为三相四线制电源，工作电压为交流380V 、50HZ ，电机采用低功耗的三相交流电机，电机与三相电源之间并联有接触器ⅠKM1和接触器ⅡKM2，由PLC发出控制信号，控制KM1和KM2，进而驱动斜单轴光伏矩阵自动跟踪太阳运行轨迹。

具体来说，PLC内部通过天文算法，计算得出太阳的实际位置，太阳的实际位置包括高度角、方位角，再根据高度角和方位角计算出支架需要跟踪的角度，角度传感器检测支架实际旋转的角度，跟踪角度与支架的旋转角度之间有差值，PLC就会输出控制信号，使接触器ⅠKM1和接触器ⅡKM2的线圈得电，进而将接触器ⅠKM1和接触器ⅡKM2的常开主触点吸合，电动机得电运行，支架开始跟踪；当支架的旋转角度等于跟踪角度，则PLC停止输出控制信号，接触器ⅠKM1和接触器ⅡKM2的线圈失电，进而接触器ⅠKM1和接触器ⅡKM2的常开主触点断开，电动机停止运行，支架停止跟踪。

如图5所示，光伏发电站一般都具有多个光伏发电矩阵组成，每个发电矩阵安装一套该控制装置，各个矩阵之间通过3G/4G无线通信模块进行通信连接，实现各个光伏支架的跟踪同步，减少电缆或光纤的敷设量。3G/4G无线通信模块将采集到的信息，通过Internet存储至数据服务器，再通过服务器连接工控机，可实现对光伏支架的远程运行状态的监测、远程故障检测与修复，降低电站巡查人员的工作强度，达到远程集中控制的目的。

根据上述的装置进行斜单轴光伏自动跟踪控制的方法如图4所示。

依据斜单轴光伏支架的结构形式，本发明可实现对太阳东、西方向的实时跟踪。控制模式分为现地和远程控制，这两种模式下均可实现光伏支架的手动和自动运行，可通过控制箱上的旋转开关进行状态的切换。本发明中，如图7跟踪状态界面所示，界面中分别设置有“现地”和“远程”按钮，点击“现地”按钮，实现现地操作，现地操作通过操作控制箱上的按钮和开关即可实现相关功能；点击“远程”按钮，实现远程操作，远程操作时界面中设置了“东”、“西”、“停止”按钮，通过操作界面中相关按钮，实现远程的手动操作。

该跟踪系统采用高性能的PLC作为控制核心，通过3G/4G无线通信模块，精确读取当地经纬度，并将数据通过无线的方式传送至PLC。PLC通过天文算法计算出太阳的实际位置，包括方位角和高度角，再根据方位角和高度角计算出跟踪角度（目标值）；角度传感器采集光伏支架的旋转角度，如果支架的旋转角度与跟踪角度不相同，则系统会驱动电机运转，对太阳进行跟踪，使支架的旋转角度与跟踪角度相等，进而实现智能跟踪，保证太阳光线始终垂直于光伏组件面板。

如图（4）所示的跟踪控制过程为：

控制装置通电工作后，首先进行初始化设置，检测执行机构及其限位开关（电机、接近开关、东向限位开关、西向限位开关）的初始状态，如果存在故障，该控制装置会产生相应的报警信息并通过远程控制端的上位机或者工控机显示出来，方便操作人员查看，直至将故障排除。

如果执行机构没有故障，则首先判断PLC的时钟是否与上位机的一致或者是否在误差允许的范围内（例如5S），如果不一致或者超出范围，则通过上位机的时钟校正PLC的时钟。再通过上位机读取或者通过上位机输入当前的经度和纬度，经度和纬度信息传输给PLC，PLC接收到后，根据现有的天文算法，计算当前太阳的方位角和高度角，根据太阳方位角和高度角计算出太阳的实际角度，进而计算出需要的跟踪角度x。

同时根据天文算法和经纬度计算日出日落时间，日出时启动跟踪系统，日落时使系统回归到初始位置，当到达接近开关位置时，进行误差清零。同时根据角度传感器获取的倾角m，计算倾角m与跟踪角度x之间的差值n。该差值n是自动运行模式下，启动跟踪的条件，n=x-m，当n>=0.5度时，启动系统开始跟踪；当n<=0.5度时,系统暂时停止跟踪，等待再次满足n>=0.5度的条件。

然后进行操作模式的状态的检测：手动或自动。

手动模式下，可手动启动和停止执行机构的运行。远程手动时，远端通过界面上的相关按钮发送控制信号，倾角传感器的检测以及所有计算均在PLC中进行，此时，可通过手动调节进行电机停止的操作、电机正向运行（斜单轴光伏支架西向转动）、电机反向运行（斜单轴光伏支架动向运行）的操作，电机运行时，到达限位后停止运行。

自动模式下，通过无线3G/4G无线通信模块或以太网通信读取气象站的气象条件，当遇到下雪天气时，需要启动除雪程序，例如支架转动至东极限位置，此时支架已经倾斜，可减少雪花的堆积，同时会控制电机使支架进行抖动，对堆积的雪花进行清除。

如果是大风、雨雪、冰雹等恶劣的天气，向PLC发送信息执行相关保护程序；如果天气正常，且到达日出时间，则进行正常的跟踪程序。具体来说，在大风、阴雨天气时，启动避风程序，避风程序为：通过读取气象站的气象条件，获取风向，根据风向，PLC发出信号将支架运行至风阻最小的位置；否则如果到达日出时间，则电机正向运行（向西运行），角度差值n小于设定的度数（例如0.5度），电机停止运行，或者达到西向限位开关处时，电机停止运行。如果达到日落时间，则电机反向运行（向东运行），检测角度m等于0°，且碰到东限位，则停止运行。

本发明的上位机中设置有远程控制界面，如图6~8所示，该控制装置远程控制界面分为：运行参数界面、跟踪状态界面、报警记录界面。

运行参数界面如图6所示，该界面分为：运行指示、参数设定、数据显示和用户管理。运行指示用于指示光伏支架的运行状态；参数设定用于输入当地的经纬度和同步上层监控网络的当地时间，提高跟踪控制系统的跟踪精度和跟踪准确度。数据显示用于实时显示太阳运行轨迹的方位角、高度角，以及控制系统角度传感器反馈的光伏支架的实时位置。用户管理可用于“管理员”增加和删除登录该系统用户，修改登录密码。

跟踪状态界面如图7所示，该界面可实时显示跟踪控制装置的跟踪状态以及太阳的实际位置，还可以通过现地和远程按钮，实现现地和远程控制的切换。

报警记录界面如图8所示，该界面分为：事件记录、报警记录和数据记录。事件记录可记录和保存登录事件；报警记录可显示和记录装置相关的故障报警，方便装置发生故障时对装置的维护和检修；数据记录可显示和记录相关参数的改变，方便装置发生故障时查找相关参数的异常。

本发明具有以下效果：

（1）高精度自动跟踪，规避大风、雨雪等恶劣天气

该控制装置采用高精度的天文算法，计算太阳的运行轨迹，同时采用高精度的角度传感器检测支架的旋转角度，形成闭环控制，实现斜单轴光伏支架的高精度自动跟踪。另外该系统可与电站气象站进行通信，读取气象信息，对于恶劣天气进行规避保护，减少外部环境对光伏支架造成的损坏，保证设备的正常运行。

（2）实时采集和记录系统运行的数据

该控制装置采用国际知名品牌的PLC作为数据采集和控制的核心，大大提高数据采集的实时性和稳定性，PLC将采集到的现场数据，包括：光伏支架的工作状态、限位开关的状态以及跟踪的相关数据等，进行计算和处理并存储于服务器内，方便操作人员进行调取和查看。

（3）远程在线监视功能

3G/4G无线通信模块将采集到的信息，通过Internet存储至数据服务器，可实现对光伏矩阵支架的远程运行状态的监测、远程故障检测与修复，降低电站巡查人员的工作强度，达到远程集中控制的目的。

（4）故障报警功能

该控制装置提供丰富的故障报警功能，包括故障报警的分类、显示、应答和归档。出现故障时，会提示相应的故障点以及故障排除办法，大大提高故障查找和维护的效率。

（5）报表统计功能

该控制装置集成了丰富的报表统计功能，能以时间范围或日、周、月对历史数据、操作记录、故障报警、生产信息等形成统计报表，并存储于服务器中，方便操作人员随时随地查阅和打印。

（6）用户登录权限的设定功能

该控制装置针对光伏电站生产的实际情况，提供两种级别的管理权限，分别为：系统管理员和操作员，“系统管理员”权限具有最高的管理权限，可以添加和删除操作员权限，能够查看和修改系统全部的信息；“操作员”权限仅具有查看部分信息的权限。通过权限的设定，提高装置的安全级别，保障装置稳定的运行。

本发明具有以下优点：

（1）光伏跟踪支架的多地点、多终端远程无线监控和管理

3G/4G无线通信模块将采集到的现场运行参数，通过Internet存储至服务器，实现光伏跟踪支架矩阵的多地点、多平台远程监控和管理、远程故障处理和修复等功能。

（2）远程监控电站发电量，智能调整跟踪策略

该装置具备与电站集控室通信的能力，读取光伏电站发电量等相关信息，配合相关控制程序，及时调整跟踪策略，实现光伏电站在不同时段均可达到最大发功率。

（3）各跟踪矩阵之间进行无线通信，自动校正跟踪姿态

光伏电厂现场各个跟踪矩阵通过3G/4G无线信号，实现互联互通，对各个矩阵驱动电机的运行数据进行比较，自动校正偏差较大矩阵的跟踪姿态，实现各个光伏矩阵的实时同步跟踪。

（4）定时、定点清除运行累计误差

由于机械制造以及角度计算都存在误差，如果这些误差不进行及时修正，则会出现累积，误差累积到一定程度，将会造成跟踪系统跟踪错位的现象，为解决该问题，该系统在硬件上配置了接近开关，定位安装位置为正东方；PLC程序上设置了误差清零点，每天日落后，按照程序光伏支架会执行自动归位程序，如果到达清零点，则系统将进行复位清零，消除累计误差，使跟踪系统一直处在高精度跟踪状态。

（5）自动规避恶劣天气

该控制装置增加了规避恶劣天气的功能，通过读取电站气象站相关数据，对大风、雨雪等恶劣天气进行自动规避保护，减少恶劣天气对光伏支架的损坏，降低维护成本。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置，其特征在于：包括PLC，所述PLC上连接有：

与外部进行无线通信的无线通信装置；

显示当前光伏支架运行参数的文本显示器；

获取当前斜单轴光伏支架倾角的角度传感器；

获取当前外部环境中风速的风速仪；

对斜单轴光伏支架的起始位置进行限位的接近开关；

对斜单轴光伏支架的东向倾角进行限位的东向限位开关；

对斜单轴光伏支架的西向倾角进行限位的西向限位开关；

对斜单轴光伏支架的倾角进行调整的电机。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置，其特征在于：所述电机和PLC均通过三相电源进行供电；所述电机与三相电源之间并联有接触器Ⅰ（KM1）和接触器Ⅱ（KM2）。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置，其特征在于：还包括箱体，所述箱体上设置多个开口，开口处分别安装与PLC相连的文本显示器、指示灯和旋转开关；所述指示灯包括斜单轴光伏支架朝向东向的东向指示灯、斜单轴光伏支架朝向西向的西向指示灯，所述旋转开关包括手动/自动旋转开关、东向/西向旋转开关。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC的斜单轴光伏自动跟踪控制装置，其特征在于：当光伏发电站由多个光伏发电矩阵组成时，所述每个光伏发电矩阵处均设置一个控制装置，各控制装置之间通过无线通信模块进行通信，且该无线通信模块与数据服务器通信连接，数据服务器与远程控制端通信连接。

5.一种使用权利要求1~4所述的装置进行斜单轴光伏自动跟踪控制的方法，其特征在于：

通过PLC获取当前斜单轴光伏支架的倾角，并根据当前太阳的实际角度与倾角的差值，获取跟踪角度，使用跟踪角度对斜单轴光伏支架的倾角进行东西方向的调整，使太阳光线始终垂直于斜单轴光伏支架所支撑的光伏组件面板。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述PLC通过无线通信模块从远程控制端获取当前的精度和纬度，并根据天文算法计算太阳的实际角度，PLC根据当前的太阳实际角度和倾角的角度，获取它们之间的差值，PLC根据该差值控制电机运行，当实际角度与倾角的角度之间的差值为设置值范围，则PLC发出信号，停止电机运行。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

PLC通过无线通信模块从远程控制端获取当前的经度和纬度，计算出当天的日出、日落时间及日出、日落时间的太阳方位角；

当达到日落时间时，PLC发出信号，停止电机运行，使太阳能光伏板不再西向转动；

和/或

当PLC通过角度传感器获取的斜单轴支架的旋转角度与日落时太阳的方位角相同时，，PLC发出信号，停止电机运行，使太阳能光伏板不再西向转动。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

当斜单轴光伏支架停止跟踪后，PLC发出信号给电机，使电机带动斜单轴光伏支架运动到起始位置，当斜单轴光伏支架运行到接近开关位置时，接近开关向PLC发送信号，PLC将当前获取的斜单轴光伏支架的角度以及计算的太阳实际位置清零和初始化。