CN113852338A - 一种带逆变交流输出的移动补电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带逆变交流输出的移动补电系统,该系统以单片机为核心处理器，利用传感器检测光照强度，在机械系统中利用双轴跟踪，包括传感器、单片机主控板、双轴执行机构、太阳能电池板四个单元，极轴利用360°全角度舵机，水平轴利用180°全角度舵机，两舵机均为32kg规格的电机，通过提前预设的各种角度，接收单片机的信号，直接做出对应预设角度的转动，该装置具有结构简单牢固、控制方便的特点，考虑光照效率，将时控系统与光控系统相结合，在不同情况下更好的选择模式使系统更加高效，本发明利用的方法避免了人为判断的不确定因素，降低了成本，而且能够更加及时地发现并消除隐患。
Description
技术领域
发明涉及逆变器的领域,尤其涉及一种带逆变交流输出的移动补电系统。
背景技术
传统的太阳能电池板往往被固定起来只有一种朝向，这样易受自然因素的影响且光电转换效率过低，还有造价高等很多缺点，致使太阳能在光电转化方面效率低而应用得不到普及。提高效率最直接有效的方法就是提高太阳光的采集效率，因此设计高效率转化光电的系统具有重大意义。对于如何最大限度地提高太阳能的利用率，分别可以从太阳能的转换、存储以及接收三个方面进行改善与提高。太阳位置追踪系统能够保持光线的垂直入射，做到使同样的太阳能组件发的电最多，对于提高太阳能的利用率、高效合理地利用太阳能具有重要价值。近年来，基于单片机技术，可以自动跟踪太阳光运转的新型系统能在追踪太阳的过程中，同时记录下各个时间节点的太阳的坐标位置而且能够做到及时更正，还能根据季节、地形以及天气的变化进行电池板朝向的调整，降低成本的同时也无需损耗人力资源，提高了太阳能光电转化装置的实用性和普适性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种带逆变交流输出的移动补电系统。
本发明所利用的技术方案是，该系统以单片机为核心处理器，利用传感器检测光照强度，在机械系统中利用双轴跟踪，包括传感器、单片机主控板、双轴执行机构、太阳能电池板四个单元，极轴利用360°全角度舵机，水平轴利用180°全角度舵机，两舵机均为32kg规格的电机，通过提前预设的各种角度，接收单片机的信号，直接做出对应预设角度的转动。
进一步地，所述双轴执行机构，分为一个极轴和一个俯仰轴，分别用来调节太阳能电池板平面的法线的垂直方向角和水平方向角，整个板面对称分布有9个光强传感器，其中周围一圈对称的八个光强传感器将接收到的光强转化为电信号传送给单片机，进行光强比较，中间的光强传感器将收集到的光强信号转化为电信号，传给单片机与设定的两个阈值晴天、天亮进行对比，判断是否天亮以及是否阴天，当中央光强传感器传回数据达到晴天阈值时，单片机对太阳能板上的的8个光强传感器的电信号进行对比，后对双轴电机发出指令，直到对称的八个光强传感器在允许的误差范围内测得光强相同，此时判定为光照方向垂直于太阳能电池板，若中央光强传感器传回信号大于天亮阈值但低于晴天阈值，则整个系统将完全按照视日轨迹跟踪系统进行工作，不再对其他8个传感器进行信号采集和访问。
进一步地，所述单片机主控板中编译视日轨迹跟踪子程序，根据GPS传来的经纬度信号，计算太阳方位角，使太阳板粗略垂直太阳光后，再通过光强传感器进行微调，利用风速传感器检测风速，遇超过阈值的大风天气，太阳能板自动复位。
进一步地，所述双轴执行机构，有一个坚实的底座，坚实的底座是保证整个机械装置稳定的前提，并且防止大风天气对稳定性的破坏，由两轴构成：极轴和俯仰角调节轴，极轴控制整个系统水平360°旋转，俯仰轴控制太阳能电池板在高度上180°旋转，太阳能电池板平面的法线方向朝向水平面水平方向上任何角度。
所述该模拟信号输入，模拟信号输入主要采集主电路上的交流测电压、交流测电流、中间直流电压、逆变器输出三相电流、接地电压信号，从外部传感器采集到的电压、电流模拟量通过差分运算放大器进行信号调理之后，送至模数转换电路，最后将该数字信号送至FPGA进行数据采集，由于该电路对采样精度有较高要求，采样电阻精度选择1％，模数转换器选择12bit精度的ADC；
数字信号输入，数字信号主要为主回路开关状态反馈的输入，包括熔断器触点、主断反馈触点、放电接触反馈触点、工作接触器反馈触点、预充电接触器反馈，对于控制单元来说，外界触点反馈输入的电压为DC77-DC137.5V，该电压较高，需要在电路中做降压和限幅处理，同时利用光耦进行隔离，以防不测，烧毁后级电路，最后经过光耦和后级电路处理得到的3V3信号送至FPGA。
所述该数字信号输出，数字信号输出主要对主回路中的开关进行动作命令，包括工作接触器、预充电接触器、放电接触器，首先由FPGA发出动作指令，通过光耦隔离，使得继电器线圈得电，开关闭合，发出开关动作指令，输出电压范围DC77-DC137.5,电流1A-3A。
所述该门极驱动输出，由FPGA来控制缓冲器的发脉冲和封脉冲的使能端，当检测到内部电源异常或者外电路故障时，FPGA会立刻发出封脉冲的指令，通过驱动板立刻停止对IGBT的驱动，正常情况下，会通过MOSFET驱动器产生一个15V的电压型PWM脉冲；
门极驱动反馈，当IGBT接收到PWM脉冲后，驱动板会给辅助控制单元一个门极驱动反馈，输入的反馈电压仍然为15V，通过稳压管、光耦隔离，最终将3v3的反馈信号送给FPGA。
所述该RS-232通信，RS-232是目前应用最广泛的串行通信接口，其结构和传输过程较为简单，适用于短距离低速率的通信模式，搭建的RS-232通信模块电路，主要是为了完成实验室调试和连接上位机用，利用SP232EET芯片搭建成熟电路，最后通过D-SUB9连接器完成DSP与外界的通信。
所述该CAN通讯，CAN(Controller Area Network，控制器局域网)通讯具有传输距离远，传输速率快，抗干扰能力强特点，利用包含物理层和数据链路层协议的CAN通讯控制芯片，用于完成软件升级、故障下载、车上调试功能。
进一步地，所述风速传感器，当风速传感器检测到风速大于阈值，将会通过单片机传达信号，是太阳能电池板复位到预调的水平角度。从而减少受力面积，降低损失，在整个机械的可转极轴外部加装一圈铁盒，作为机械处理中心和加改装零件的安放位置。
进一步地，该系统软件控制设计，主程序设计，系统上电复位，之后判断太阳是否升起，若太阳没有升起，则太阳能电池板停留在初始位置，如果太阳已经升起则判断是否大于设定值，若大于设定值则利用光控模式，若没有大于设定值则利用时控模式，延迟一段时间，继续从太阳是否升起开始判断，进行循环。
进一步地，该系统光电跟踪子程序设计，光电跟踪控制具体为光强传感器将接收到的太阳光，根据四象限的光照强度的不同，确定光信号的方向，后转化为不同大小的电流或者电压信号，然后将电压或者电流信号传达控制器从而控制整个电路系统，当太阳光的位置发生变化时，传感器转化的电流或者电压信号便被视作偏差信号，偏差信号经过放大后送到主控制器，主控制器经过对信号的处理，输出不同的脉冲，控制极轴或者俯仰轴步进电机的转向和角度，从而完成太阳能电池板位置移动。
进一步地，该系统视日轨迹跟踪子程序设计，视日轨迹跟踪，其原理是根据地球相对太阳的位置变化状况，通过系统计算得到太阳的位置变化函数，控制系统根据得到的函数，控制整个装置的角度变化，从而完成太阳能电池板位置移动。
进一步地，该系统逆变控制算法，根据逆变器拓扑，其平均状态空间数学模型可表示为:
式中，
将模型映射至旋转同步坐标系上，得到:
式中，ω表示电网频率。
本发明针对目前太阳能电池板不能随着太阳光的强度而进行采光角度的变化，目前太阳能的利用效率过低等问题，设计了一套太阳能电池板自动跟踪系统，该系统主要目的就是太阳能电池板与太阳光可以时时且处处垂直从而达到对太阳光的充分利用。该系统主要分为两部分，机械结构设计与控制系统设计。机械结构设计的目的是可以水平360°、高度180°的全方位的采集太阳光。控制系统设计主要目标是实现自动跟踪太阳光进而控制机械结构对太阳光的位置进行变化，从而更好采集太阳光。整个系统最终目标就是实现时时自动调整最大采光角度，从而高效利用太阳能。
附图说明
图1为本发明系统总体结构原理图；
图2为本发明的太阳能自动跟踪机械装置设计图；
图3为本发明的主程序设计流程图；
图4为本发明的光电跟踪子程序流程图；
图5本发明的视日轨迹跟踪子程序流程图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合,下面结合附图和有具体实施例对本申请作进一步详细说明。
如图1所示,一种带逆变交流输出的移动补电系统，该系统以单片机为核心处理器，利用传感器检测光照强度，在机械系统中利用双轴跟踪，主要包括传感器、单片机主控板、双轴执行机构、太阳能电池板四个单元。其中，极轴利用360°全角度舵机，水平轴利用180°全角度舵机。两舵机均为32kg规格的电机，可以轻松带动整个装置的极轴及俯仰轴旋转。通过提前预设的各种角度，可以接收单片机的信号，直接做出对应预设角度的转动。实验中利用重1.8kg，670mm*530mm的太阳能电池板，根据机械结构可等比例放大，加装更大的太阳能电池板。
系统利用双轴控制系统，分为一个极轴和一个俯仰轴，分别用来调节太阳能电池板平面的法线的垂直方向角和水平方向角。整个板面对称分布有9个光强传感器，其中周围一圈对称的八个光强传感器将接收到的光强转化为电信号传送给单片机，进行光强比较。中间的光强传感器将收集到的光强信号转化为电信号，传给单片机与设定的两个阈值晴天、天亮进行对比(天亮阈值小于晴天，判断是否天亮以及是否阴天。当中央光强传感器传回数据达到晴天阈值时，单片机对太阳能板上的的8个光强传感器的电信号进行对比，后对双轴电机发出指令，直到对称的八个光强传感器在允许的误差范围内测得光强相同，此时判定为光照方向垂直于太阳能电池板。若中央光强传感器传回信号大于天亮阈值但低于晴天阈值，则整个系统将完全按照视日轨迹跟踪系统进行工作，不再对其他8个传感器进行信号采集和访问。
该单片机以DSP+FPGA的架构完成模拟信号、数字信号的采集、门极驱动的脉冲输出、数字信号的输出、通讯、故障存储、保护等功能。FPGA和DSP共用双向RAM，通过总线的形式对RAM进行操作，SPANTAN6上电后可自己从外部程序存储FLASH引导程序，也可通过DSP进行串行引导。RS232通讯主要给日常软件调试和连接上位机时使用。CAN通讯主要用于车上调试预留。系统外部输入电源为DC110V，经过EMC滤波以及浪涌抑制管等保护装置，通过DC-DC电源模块转换为板内所需的各种电压类型。
模拟信号输入，模拟信号输入主要采集主电路上的交流测电压、交流测电流、中间直流电压、逆变器输出三相电流、接地电压等信号。从外部传感器采集到的电压、电流等模拟量通过差分运算放大器进行信号调理之后，送至模数转换电路，最后将该数字信号送至FPGA进行数据采集。由于该电路对采样精度有较高要求，采样电阻精度选择1％，模数转换器选择12bit精度的ADC。
数字信号输入，数字信号主要为主回路开关状态反馈的输入，包括熔断器触点、主断反馈触点、放电接触反馈触点、工作接触器反馈触点、预充电接触器反馈等。对于控制单元来说，外界触点反馈输入的电压为DC77-DC137.5V，该电压较高，需要在电路中做降压和限幅处理，同时利用光耦进行隔离，以防不测，烧毁后级电路。最后经过光耦和后级电路处理得到的3V3信号送至FPGA。
数字信号输出，数字信号输出主要对主回路中的开关进行动作命令，包括工作接触器、预充电接触器、放电接触器等。首先由FPGA发出动作指令，通过光耦隔离，使得继电器线圈得电，开关闭合，发出开关动作指令，输出电压范围DC77-DC137.5,电流1A-3A。
门极驱动输出，由FPGA来控制缓冲器的发脉冲和封脉冲的使能端，当检测到内部电源异常或者外电路故障时，FPGA会立刻发出封脉冲的指令，通过驱动板立刻停止对IGBT的驱动。正常情况下，会通过MOSFET驱动器产生一个15V的电压型PWM脉冲。
门极驱动反馈，当IGBT接收到PWM脉冲后，驱动板会给辅助控制单元一个门极驱动反馈，输入的反馈电压仍然为15V，通过稳压管、光耦隔离，最终将3v3的反馈信号送给FPGA。
RS-232通信，RS-232是目前应用最广泛的串行通信接口，其结构和传输过程较为简单，适用于短距离低速率的通信模式。本发明所搭建的RS-232通信模块电路，主要是为了完成实验室调试和连接上位机用，利用SP232EET芯片搭建成熟电路，最后通过D-SUB9连接器完成DSP与外界的通信。
CAN通讯，CAN(Controller Area Network，控制器局域网)通讯具有传输距离远，传输速率快，抗干扰能力强等特点。本文利用包含物理层和数据链路层协议的CAN通讯控制芯片，用于完成软件升级、故障下载、车上调试等功能。
供电单元，该控制箱外部供电DC110V，浮动范围DC77VDC137.5V，为了保证电路板内元器件的正常工作，需要利用稳压直流电源模块进行DC-DC变换，首先将外部输入的DC110V转换为DC±15V，再由DC+15V通过板内的电源模块衍生出电路板内所需的其它各类型电压。该供电单元模块电路需要配置滤波器、过压抑制管、保险丝等外围电路，在保证将外界干扰降到最小的同时保证电路的安全可靠。
为节省整个系统运行所消耗的能量，单片机中编译视日轨迹跟踪子程序，根据GPS传来的经纬度信号，计算太阳方位角，使太阳板粗略垂直太阳光后，再通过光强传感器进行微调。若利用风速传感器检测风速，遇超过阈值的大风天气，太阳能板自动复位。
双轴控制系统机械部分设计，单轴跟踪和双轴跟踪是常见的机械系统，双轴跟踪既可以从水平方位角跟踪，又可以从垂直高度角进行跟踪。双轴跟踪效果明显强于单轴跟踪，且光电效率大大提高。因此本系统机械结构的基本骨架便利用双轴跟踪，如图2所示是太阳能自动跟踪装置三维模型后视图。
双轴机械系统总体思路是首先有一个坚实的底座，坚实的底座是保证整个机械装置稳定的前提，并且可以防止大风天气对稳定性的破坏。系统主要由两轴构成：极轴和俯仰角调节轴，极轴控制整个系统可以水平360°旋转，俯仰轴控制太阳能电池板在高度上180°旋转。从而实现太阳能电池板平面的法线方向可以朝向水平面水平方向上任何角度。
机械的风速传感器及防风设计，因考虑到部分地区自然环境对于装置较为恶劣，易产生风速过大，作用于太阳能电池板的力超过装置机械强度，从而损坏机械装置的问题。因此装置加装了风速传感器，当风速传感器检测到风速大于阈值，将会通过单片机传达信号，是太阳能电池板复位到预调的水平角度。从而减少受力面积，降低损失。
在整个机械的可转极轴外部加装一圈铁盒，作为机械处理中心和加改装零件的安放位置，从而保证了装置在不同环境下工作的可靠性和为达到不同功能时的可塑性。
主程序设计，系统上电复位，之后判断太阳是否升起，若太阳没有升起，则太阳能电池板停留在初始位置。如果太阳已经升起则判断是否大于设定值，若大于设定值则利用光控模式，若没有大于设定值则利用时控模式，延迟一段时间，继续从太阳是否升起开始判断，进行循环。系统控制的流程如图3所示。
光电跟踪子程序设计，光电跟踪控制具体为光强传感器将接收到的太阳光，根据四象限的光照强度的不同，确定光信号的方向，后转化为不同大小的电流或者电压信号，然后将电压或者电流信号传达控制器从而控制整个电路系统。当太阳光的位置发生变化时，传感器转化的电流或者电压信号便被视作偏差信号，偏差信号经过放大后送到主控制器，主控制器经过对信号的处理，输出不同的脉冲，控制极轴或者俯仰轴步进电机的转向和角度，从而完成太阳能电池板位置移动。程序流程图如图4所示。
视日轨迹跟踪子程序设计，视日轨迹跟踪，其原理是根据地球相对太阳的位置变化状况，通过系统计算得到太阳的位置变化函数，控制系统根据得到的函数，控制整个装置的角度变化，从而完成太阳能电池板位置移动。程序流程图如图5所示。
进一步地，该系统逆变控制算法，根据逆变器拓扑，其平均状态空间数学模型可表示为:
式中，
将模型映射至旋转同步坐标系上，得到:
式中，ω表示电网频率。
太阳能双轴跟踪装置，不仅可以克服大风天气的影响，而且可以将硬件很好地置于结构之上，更好地实现软件硬件的结合。该装置具有结构简单牢固、控制方便的特点。考虑光照效率，将时控系统与光控系统相结合，在不同情况下更好的选择模式使系统更加高效。本发明利用的方法避免了人为判断的不确定因素，降低了成本，而且能够更加及时地发现并消除隐患。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解的是,在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (10)
1.一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于,该系统包括传感器、单片机主控板、双轴执行机构、太阳能电池板四个单元，极轴利用360°全角度舵机，水平轴利用180°全角度舵机，通过提前预设的角度，接收单片机的信号，直接做出对应预设角度的转动，利用传感器检测光照强度，在机械系统中利用双轴进行跟踪；
所述双轴执行机构，分为一个极轴和一个俯仰轴，分别用来调节太阳能电池板平面的法线的垂直方向角和水平方向角，其中对称分布有9个光强传感器，其中周围一圈对称的八个光强传感器将接收到的光强转化为电信号传送给单片机；中间的光强传感器将收集到的光强信号转化为电信号，传给单片机与设定的两个阈值晴天、天亮进行对比，判断是否天亮以及是否阴天，当中央光强传感器传回数据达到晴天阈值时，单片机对太阳能板上的8个光强传感器的电信号进行对比，后对双轴电机发出指令，直到对称的八个光强传感器在允许的误差范围内测得光强相同，此时判定为光照方向垂直于太阳能电池板，若中央光强传感器传回信号大于天亮阈值但低于晴天阈值，则整个系统将完全按照视日轨迹跟踪系统进行工作，不再对其他8个传感器进行信号采集和访问；
所述单片机主控板中编译视日轨迹跟踪子程序，根据GPS传来的经纬度信号，计算太阳方位角，使太阳板粗略垂直太阳光后，再通过光强传感器进行微调，利用风速传感器检测风速，遇超过阈值的大风天气，太阳能板自动复位；
所述双轴执行机构，由两轴构成：极轴和俯仰角调节轴，极轴控制整个系统水平360°旋转，俯仰轴控制太阳能电池板在高度上180°旋转，太阳能电池板平面的法线方向朝向水平面水平方向上任何角度；
所述该单片机以DSP+FPGA的架构完成模拟信号、数字信号的采集、门极驱动的脉冲输出、数字信号的输出、通讯、故障存储、保护功能，FPGA和DSP共用双向RAM，通过总线的形式对RAM进行操作，SPANTAN6上电后从外部程序存储FLASH引导程序，通过DSP进行串行引导，RS232通讯给日常软件调试和连接上位机时使用，CAN通讯用于车上调试预留，系统外部输入电源为DC110V，经过EMC滤波以及浪涌抑制管保护装置，通过DC-DC电源模块转换为板内电压类型。
2.如权利要求1所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，所述该模拟信号输入，模拟信号输入采集主电路上的交流测电压、交流测电流、中间直流电压、逆变器输出三相电流、接地电压信号，从外部传感器采集到的电压、电流模拟量通过差分运算放大器进行信号调理之后，送至模数转换电路，最后将该数字信号送至FPGA进行数据采集，采样电阻精度选用1％，模数转换器选用12bit精度的ADC；
数字信号输入，包括熔断器触点、主断反馈触点、放电接触反馈触点、工作接触器反馈触点、预充电接触器反馈，在电路中做降压和限幅处理，同时利用光耦进行隔离，最后经过光耦和后级电路处理得到的3V3信号送至FPGA。
3.如权利要求2所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，所述该数字信号输出，数字信号输出对主回路中的开关进行动作命令，包括工作接触器、预充电接触器、放电接触器，首先由FPGA发出动作指令，通过光耦隔离，使得继电器线圈得电，开关闭合，发出开关动作指令，输出电压范围DC77-DC137.5,电流1A-3A。
4.如权利要求3所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，所述该门极驱动输出，由FPGA来控制缓冲器的发脉冲和封脉冲的使能端，当检测到内部电源异常或者外电路故障时，FPGA立刻发出封脉冲的指令，通过驱动板立刻停止对IGBT的驱动，通过MOSFET驱动器产生一个15V的电压型PWM脉冲；门极驱动反馈，当IGBT接收到PWM脉冲后，驱动板会给辅助控制单元一个门极驱动反馈，输入的反馈电压仍然为15V，通过稳压管、光耦隔离，最终将3v3的反馈信号送给FPGA。
5.如权利要求4所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，所述RS-232通信，完成实验室调试和连接上位机用，利用SP232EET芯片搭建成熟电路，通过D-SUB9连接器完成DSP与外界的通信。
6.如权利要求5所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，所述该CAN通讯，利用包含物理层和数据链路层协议的CAN通讯控制芯片，完成软件升级、故障下载、车上调试功能。
7.如权利要求6所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，所述风速传感器，当风速传感器检测到风速大于阈值，通过单片机传达信号，太阳能电池板复位到预调的水平角度，减少受力面积，降低损失，在整个机械的可转极轴外部加装一圈铁盒，作为机械处理中心和加改装零件的安放位置。
8.如权利要求7所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，该系统软件控制设计，主程序设计，系统上电复位，之后判断太阳是否升起，若太阳没有升起，则太阳能电池板停留在初始位置，如果太阳已经升起则判断是否大于设定值，若大于设定值则利用光控模式，若没有大于设定值则利用时控模式，延迟一段时间，继续从太阳是否升起开始判断，进行循环。
9.如权利要求8所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于，该系统光电跟踪子程序设计，光电跟踪控制具体为光强传感器将接收到的太阳光，根据四象限的光照强度的不同，确定光信号的方向，后转化为不同大小的电流或者电压信号，然后电压或者电流信号传达控制器从而控制整个电路系统，当太阳光的位置发生变化时，传感器转化的电流或者电压信号便被视作偏差信号，偏差信号经过放大后送到主控制器，主控制器经过对信号的处理，输出不同的脉冲，控制极轴或者俯仰轴步进电机的转向和角度，完成太阳能电池板位置移动；
该系统视日轨迹跟踪子程序设计，视日轨迹跟踪，通过系统计算得到太阳的位置变化函数，控制系统根据得到的函数，控制整个装置的角度变化，从而完成太阳能电池板位置移动。
10.如权利要求9所述的一种带逆变交流输出的移动补电系统，其特征在于,该系统逆变控制算法，根据逆变器拓扑，其平均状态空间数学模型可表示为:
式中，
将模型映射至旋转同步坐标系上，得到:
式中，ω表示电网频率。
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