光伏发电单轴跟踪系统的PLC控制与分析

总结极轴追踪简介极轴追踪（Polar-axis tracking）是一种太阳能光伏阵列的跟踪系统，它通过使光伏阵列沿着地球自转轴的方向进行旋转来最大化太阳能的采集效率。

相比于传统的固定式光伏系统，极轴追踪系统可以显著提高光伏阵列的能量产出，特别是在高纬度地区更加有效。

极轴追踪的原理极轴追踪系统基于太阳在天空中的运动规律，通过精确计算太阳的位置来控制光伏阵列的旋转。

其基本原理如下：1.太阳的高度角：太阳在地平面上的投影与地平线的夹角，范围从0到90度；2.太阳的方位角：太阳在地平面上的投影与正南方向的夹角，范围从0到360度；3.地理纬度：地球上某一点的纬度，范围从-90到90度；4.地球自转轴：地球北极与南极之间的轴线，与地球表面的纵轴相重合。

极轴追踪系统利用以上参数，计算出太阳当前在天空中的位置，然后控制光伏阵列沿着地球自转轴的方向进行旋转，使得太阳直射光始终垂直于光伏阵列表面，最大限度地提高光伏阵列的能量输出。

极轴追踪的优势极轴追踪系统相比于固定式光伏系统有以下优势：1.提高能量产出：极轴追踪系统可以将光伏阵列面向太阳的直射光最大化，从而提高光伏系统的能量产出。

根据研究，相对于固定式系统，极轴追踪系统的能量产出增加30%至40%。

2.适应多季节：由于太阳高度角和方位角随着季节的变化而变化，固定式系统在不同季节的能量产出会有所下降。

而极轴追踪系统可以根据太阳的位置进行调整，以适应不同季节的光照条件。

3.适应高纬度地区：在高纬度地区，太阳的高度角变化范围更大，固定式光伏系统的能量产出会受到较大影响。

极轴追踪系统可以通过跟踪太阳的位置，补偿高纬度地区太阳高度角变化对能量产出的影响，提高能量利用率。

4.维护更简单：极轴追踪系统由于采用了单轴旋转设计，相比于双轴追踪系统维护更加简单。

双轴追踪系统需要控制两个轴的旋转，维护和调试工作量更大。

极轴追踪的应用极轴追踪系统适用于各种规模的光伏发电项目，特别是在以下情况下更为适用：1.高纬度地区：在高纬度地区，太阳高度角变化幅度更大，固定式光伏系统的能量产出会受到较大影响。

光伏电站的系统设计难点及要点分析与探讨发布时间：2023-02-28T06:28:50.536Z 来源：《中国电业与能源》2022年10月19期作者：王孟[导读] 本文主要对光伏电站的系统设计难点及要点进行分析与探讨，以供同仁参考。

王孟中国电建集团城市规划设计研究院有限公司摘要：本文主要对光伏电站的系统设计难点及要点进行分析与探讨，以供同仁参考。

关键词：光伏电站；系统设计；难点；要点一、前言随着近几年大型光伏电站在我国的迅速发展，对光伏电站光伏发电系统的技术方案提出了更高的要求。

文章介绍光伏发电系统的构成，并依托某大型光伏发电项目，在太阳能电池组件型式参数的选择、光伏方阵安装方式、逆变器型式参数的选择、光伏子阵容量、光伏系统容配比、光伏发电系统配置及接线等方面对大型光伏电站光伏发电系统方案进行研究论证，确定光伏发电系统设计方案。

二、项目重点分析（1）系统效率模拟。

系统效率对项目整体发电量和收益影响较大，因此准确模拟系统效率是本项目重点之一。

本项目坑塘较多、地块分布分散，由此给本项目光伏电站的系统设计带来了一定的难度。

本项目利用PVsyst针对上述问题进行了详细的模拟和分析。

本报告将光伏电站整体按照地面和水面不同的反射率分别进行PVsyst建模仿真，得出整体系统效率背面增益情况。

（2）容配比分析。

本项目区域较大，考虑到设备配置要求以及方阵区域布置较为分散等情况，需要针对不同光伏方阵采用不同数量的逆变器和不同种类箱式变电站，如何选择合适的容配比是本阶段工作的难点之一。

超配损失取决于当地实时的太阳辐射量和环境温度，在广东地区，当容配比在1.4以下时，超配损失很低（小于1.4%）。

由于本项目不需要支出租地费用，因此本工程推荐适当增加一部分箱变，采用综合容配比为1.2666 的方案。

该方案能够降低超配损失、提高发电量，同时有效解决方阵区域分布分散的问题。

三、系统总体设计方案（1）光伏阵列运行方式1）跟踪方式选择。

光伏方阵太阳光跟踪监控系统的设计与应用
一、任务
（一）工作任务
某地区安装了一个追光型光伏电站，现在要建一个监测系统，动态监测光伏方阵对太阳光的跟踪情况，从而为光伏电站的正常运行和维护及输出功率的最大化提供技术支持。

（二）工作要求
1.大致了解太阳光跟踪系统的相关设备和相关参数；
2.将光伏方阵、直、交流电机与PLC与上位机进行连接；
3.在上位机中的组态软件设计PLC输入和输出控件，该控件在系统运行时能实时地读入PLC输入与输出端的开关量的工作状态；
4.在组态软件中定义PLC设备、PLC输入与输出开关量相对应的的数据库变量，并将变量与PLC设备及监控界面进行动态数据链接。

5.在组态软件中建立PLC输出与输入开关量控件，当组态软件在正常运行时能够通过这些控制件控制相交的交、直流电动机，从而达到使光伏方阵跟踪太阳光的目的。

（三）实施条件
（四）考核时量
120分钟
（五）评价标准
（应包含技能与素养要求，其中素养要求分值原则上不超过20%）。

基于PLC的微电网控制系统的设计与实现赵相睿; 杜明星【期刊名称】《《天津理工大学学报》》【年(卷),期】2019(035)006【总页数】6页(P29-34)【关键词】微电网; 三菱电机; 光伏发电; PLC【作者】赵相睿; 杜明星【作者单位】天津理工大学电气电子工程学院天津300384【正文语种】中文【中图分类】TP29随着世界工业急速发展，原先电力系统的弊病逐渐暴露出来.随之分布式发电技术孕育而生且在电气领域崭露头角，但当电网在运行过程中出现问题时其必须马上无缝解列，很大程度地限制了分布式电源的发展.为了调和大电网与分布式电源间的矛盾，电力学者提出微电网作为大电网的有效补充.根据我国特有的供电情况和资源分布来观测，微电网的开发和利用有着很大的空间.我国已经在多个地区开展微电网示范工程的研发及建设并取得不错的成效，本文旨在是读者对微电网有一个整体而深刻的认识，通过实物模型模拟微电网中各个部分进行学习研究，并为未来工业4.0 奠定了基础.1 微电网简介1.1 微电网的概念微电网也被称为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统，是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，已经成为输电网、配电网之后的第三级电网，是一种能够实现主动式智能配电网新型的网络结构，智能微电网将是未来主动式智能配电网新的组织形式[1].1.2 微电网的基本内容微电网的元件主要由分布式电源和储能装置组成，其中分布式电源主要包括光伏发电和风力发电，但由于微电源输出的功率有着间歇性和不可预测性的特点，而且负荷的变动也有着一定的随机性.为了确保微电网内的功率平衡，增加储能装置以保证微电网系统供电的持续性与可靠性.其中运用最广泛的有铅酸电池储能、超导储能、超级电容器储能这几种.微电网系统有两种典型的运行模式——并网运行模式和孤岛运行模式.并网运行模式是指微电网通过PCC 点与大电网相连，并向大电网提供自身多产生的电能或者由从电网补充电能来弥补因外界原因自身电量的不足的状况；孤岛运行模式微电网是指其与大电网隔离而独自运转，可分为计划内的孤岛运行和计划外的孤岛运行[2].微电网区别于传统电力系统，主要体现在分布式电源类型的多样性和微电网运行方式的复杂性.而且，微电网有着六个显著的特点：清洁、自治、灵活、可靠、智能、互动[3].1.3 微电网的控制迄今为止，微电源种类多种多样，但微电源大部分受外部因素影响发出的功率是不可控的，需要通过逆变器为代表的电力电子设备进行处理后再与微电网连接，电源能量的控制与变换就通过电力电子技术完成，通过逆变器调节微电源输出可靠的电能.[4]目前微电源的控制方法主要有：恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制.微电网的控制技术是其在运行中的一个关键部分，通过合理的控制技术，微电网能够提升其运行灵活性，并向用户提供高质量的电能.目前常用的控制策略有：主从控制、对等控制、负荷频率二次控制和联络线控制[5].1.4 微电网的发展在我们国家微电网的使用起能够在大电网的安全性和稳定性方面起到重要的作用，是大电网强有力的补充，微电网独有的灵活性和经济型，便于在特殊或偏远地区建立，既能对当地进行电力保障，又能够减少大电网远距离传输的损耗和建设难题.当今是网络化时代，随着规范的完善和技术的进一步发展，以能源互联网为载体的大型智能电网系统将是电力行业的主旋律，基于多种分布式电源的微电网系统作为智能电网的关键构成要素，将得到进一步发展.2 光伏发电系统2.1 光伏跟踪系统的设计通过对光伏跟踪技术的深入研究，跟踪技术也趋于成熟，跟踪精度也越来越准确，按控制方法来分，主要分为光电跟踪、视日运动轨迹跟踪和混合跟踪.根据跟踪设备跟踪结构处机械结构的复杂程度来考虑，其控制跟踪装置的轴数有单轴跟踪和双轴跟踪[6].本次实验设备如下图1 所示，旨在实现该模拟系统的对日跟踪和光伏转换，用于对微电网进行简单的学习研究，故经仔细斟酌后在光伏跟踪模块选用光电跟踪控制方式和东西方向放置的旋转式控制方式，该种方式能够较为明显的展示跟踪效果且节省设备空间.图1 光伏跟踪实验设备图Fig.1 Photovoltaic tracking experimental equipment2.2 光伏发电系统程序流程设计在本节光伏发电系统中，硬件分三个部分进行了选型，伺服定位系统主要有定位模块QD75P4N、伺服放大器MR-J4-10A 和伺服电机HF-KP13；信号采集系统主要有单轴光照传感器RY-KZQ-S、模数转换模块Q64AD 和自制的电压电流检测器；光电逆变系统主要有光伏电池板SL20CE-18P、蓄电池组和逆变器.该系统的整个流程分为两个部分，分别是射灯运行和光伏跟踪，该部分用到两个伺服电机实验动作，其中一个控制射灯的运行，其具体设计流程如图2 所示，如何进行光伏跟踪如图3 所示，重复利用到了定位模块中的位置控制模式，实现了实时的轨迹跟踪.3 风力发电系统3.1 风力发电系统的设计本系统既可用上位机也可以由HMI 人机界面进行控制监视，通过上位机或HMI 控制PLC 向变频器发信号，然后由其控制电动机，进行风力模拟，再由可控直流源给发电机合适的励磁电流，使得发电机发出与市电同辐值同频率的电压，再通过同期表进行观测，当与市电同相位时进行并网操作，最后通过电能表采集数据并由上位机或HMI 进行监视.图4 是风力发电系统的模型图.图2 射灯运行流程图Fig.2 Spotlights flow chart图3 光伏跟踪流程图Fig.3 Photovoltaic tracking flow chart图4 风力发电系统模型图Fig.4 Wind power system model diagram3.2 风力发电系统程序流程设计在本节风力发电系统中，系统所需要硬件分两个部分进行了选型，风力模拟系统主要有数模转换模块Q62DAN、变频器FR-A840 和三相异步电动机；风电并网系统主要有三相同步发电机、直流稳压电源和同期表.该系统的整个流程也分为两个部分，分别是风力模拟和风电并网，这部分用变频器进行风力的模拟，再用PLC 进行程序控制，从而实现实验所需的风力条件，其设计流程如图5 所示.现实生活中，大部分微电网都有并网要求，本实验通过观测三相同期表，采取手动同期并网，其流程如图6 所示，这一部分难度较大，在并网过程中，一定要按照并网操作要求来进行，先用变频器和直流稳压电源给出与市电相同频率和幅值的电能，再观测同期表，等达到相同相位时立即并入市网，否则容易产生危险，还有一点值得注意，就是在接线时一定要确保要并入的相序相同.图5 风力模拟流程图Fig.5 Flow chart of wind simulation图6 风电并网流程图Fig.6 Flow chart of wind power grid connection4 PLC控制系统4.1 PLC控制系统的设计三菱PLC 在使用过程中多用于中小型系统，在搭建系统的过程中，模块种类繁多、选择灵活，固定方式简单，运算速度快，稳定性能高，针对不同的用途有着与之对应地智能模块，程序编写简易，在与外界通信时通过网络地址和站号就可完成，使用颇为便利[7].所以，本课题实验设备基于PLC 的风光互补微电网系统在工程训练中心三菱电机实验室，选用Q 系列PLC 进行对整个系统的控制.4.2 PLC控制系统程序流程设计在本节PLC控制系统中，该系统所需要硬件选型主要有可编程控制器Q02UCPU 和基本I/O 模块，本系统的基本I/O 模块选取的是输入模块QX40 和输出模块QY10[8].该系统根据实验室现有条件选用PLC 对整个系统进行控制，整体的涉及流程如图7 所示，整个微电网系统分成三个部分进行设计控制，分别为光伏发电系统、风力发电系统和监视系统，在这一节中，系统的组态建立尤为关键，组态的建立决定着所选模块在在程序中的X/Y 分配，还有在第一次下载程序是一定要将智能功能模块一起下载到PLC 里.图7 PLC控制系统流程图Fig.7 Flow chart of PLC control system5 监视系统5.1 监视系统的设计在本监视系统中，需要电能表测量的数据有风力发电的基本参数，三相、单相阻性负载的基本参数和三相并网连联络线上的基本参数，其数据经由RS485 总线传送给串行口通信模块QJ71P24N，并把监视值显示在人机界面上.图8 是监视系统的模型图.5.2 监视系统程序流程设计图8 监视系统模型图Fig.8 Monitor the system model diagram在本节监视系统中，构建系统所需要的硬件有海恩德电能表、串行口通信模块QJ71C24N 和人机界面GS2110-WTBD.在该系统中，实现了对整个微电网的数据监视，确保了信息的实时处理与系统的安全监测，其整体的设计流程如图9 所示.其中在这个系统中，值得注意的是对电能表的设置时，因为同时通过总线RS-485 跨接多个电能表，所以站号的设置不能重复，串行口通信模块QJ71C24N 与海恩德电能表波特率的设置一定要一致，否则没法实现通信.图9 监视系统流程图Fig.9 Flow chart of monitoring system6 经济性分析本课题在对设备搭建时所消耗资金为30 483.23元，但是由于受到实验室现有实验条件的制约，很多设备是根据实验室现有设备进行选取的，总而言之，若能够进行最优选取，那么实验设备搭建的经费将进一步降低，预计可以降低至25000 元以内.图10和图11 是外界厂家所承包教学实验实训平台所需要的价位.图10 风光互补教学实验实训平台Fig.10 Wind-solar complementary teaching experiment and training platform图11 光伏离并网追日发电系统Fig.11 Photovoltaic off-grid solar tracing generation system由图10 和图11 可知，和外界厂家相比，本课题所构建的基于PLC 的微电网系统在价格上不仅大幅度降低，只有外部厂家所承包的教学实验实训平台的一部分费用，而且功能更为全面.7 结论这次的课题研究规模总体比较复杂，涉及到的知识面比较广泛，可以说这次的毕业设计不仅仅是对自己大学四年的考验，也是将这四年来的学习进行融会贯通的一个过程.在本次课题研究与实践中，学会了PLC 的多种编程方法，对PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解.在对理论的运用中，提升了我的工程素养，在没有真正动手以前，我所掌握都是思想层面上的，对一些细节没有深刻的理解，通过这次实践我对PLC 的理解与运用得到加强，弥补了实践与理论的差距.本课题只能够满足微电网的部分要求，微电网未来的发展会趋于供给能源进一步多样化，控制方式更加智能化，系统规模更加整体化.希望以后有机会能够对课题的未来发展趋势智能微电网做更深一步的研究与学习.参考文献：【相关文献】［1］武汉华电高科电气设备有限公司.一文看懂什么是微电网［J］.北极星电力新闻中心，2018，18（3）：153-157.［2］牟晓春.微电网综合控制策略的研究［D］.吉林：东北电力大学，2011.［3］李越嘉，杨莹，常国祥.微电网技术在中国的研究应用现状和前景展望［J］.中国电力，2016，49 （S1）：154-158，165.［4］李献伟，李保恩，王鹏.微电网技术现状及未来发展分析［J］.通信电源技术，2015，32（5）：202-207.［5］郭昊.孤岛式交流微电网控制技术研究［D］.济南：山东大学，2016.［6］张博.自动跟踪式光伏发电系统研究［D］.重庆：重庆大学，2016.［7］陈苏波，杨俊辉，陈伟欣，等.三菱PLC 快速入门与实例提高［M］.北京：人民邮电出版社，2008.［8］陈亚林，朱旭平，陈玉霞，等.PLC 编程及应用实战［M］.北京：电子工业出版社，2011.。

目次1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (2)4 总体要求 (4)5 环境适应性 (5)6 外观 (5)7 结构 (6)8 功能 (7)9 性能 (8)10 电气安全 (10)11 试验方法 (10)12 检验规则 (23)13 标志、包装、运输和储存 (24)附录A（资料性）跟踪系统主要技术参数 (26)附录B（规范性）跟踪系统试验项目 (27)附录C（规范性）瞬时跟踪误差算法 (29)光伏电站太阳跟踪系统技术要求1 范围本文件规定了光伏电站太阳跟踪系统（以下简称跟踪系统）的环境适应性、结构、功能、性能、电气安全等方面的技术要求和试验方法，以及检验规则、标志、包装、运输和储存的技术要求。

本文件适用于光伏电站太阳跟踪系统的设计、制造、安装、调试、验收、试验和运行维护。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 2423.1 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温GB/T 2423.2 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温GB/T 2423.3 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒定湿热方法GB/T 2423.21 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验M：低气压GB 4208 外壳防护等级(IP代码)GB 4824 工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法GB 5237.2 铝合金建筑型材第2部分：阳极氧化型材GB/T 9286 色漆和清漆漆膜的划格试验GB/T 9254.1 信息技术设备、多媒体设备和接收机电磁兼容第1部分：发射要求GB/T 13384 机电产品包装通用技术条件GB/T 13452.2 色漆和清漆漆膜厚度的测定GB 13955 剩余电流动作保护装置安装和运行GB/T 16895.23 低压电气装置第6部分：检验GB/T 16935.1 低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验GB/T 17626.2 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB/T 17626.3 电磁兼容试验和测量技术射频电磁场抗扰度试验GB/T 17626.4 电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB/T 17626.5 电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验GB/T 17626.6 电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度GB/T 17626.8 电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验GB/T 17626.11 电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验GB/T 17627.2低压电器设备的高电压试验技术第二部分：测量和试验设备GB 18802.1 低压电涌保护器(SPD) 第1部分：低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法GB/T 18802.21 低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD) 性能要求和试验方法GB 20840.2 互感器第2部分：电流互感器的补充技术要求GB 20840.3 互感器第3部分：电磁式电压互感器的补充技术要求GB/T 31366 光伏发电站监控系统技术要求GB 50009 建筑结构荷载规范GB 50017 钢结构设计标准GB 50054 低压配电设计规范GB 50169 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB 50205 钢结构工程施工质量验收标准GB 50797 光伏发电站设计规范DL/T 768.7 电力金具制造质量钢铁件热镀锌层NB/T 10115 光伏支架结构设计规程3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

南京信息职业技术学院毕业设计论文系部专业题目太阳追踪器控制系统设计指导教师评阅教师完成时间： 20**年 4月19日毕业设计(论文)中文摘要毕业设计(论文)外文摘要目录一绪论 (1)二太阳能自动追踪器的现状 (2)2.1 压差式太阳能跟踪器 (2)2.2 控放式太阳追踪器 (2)2.3 时钟跟踪器 (2)2.4 比较控制式太阳跟踪器 (2)三太阳能自动跟踪器存在的问题 (4)四结构设计 (5)五传感器 (6)5.1高精度传感器 (6)5.2大角度传感器 (7)六控制策略及程序设计 (8)七触摸屏控制界面设计 (10)结论 (12)致谢 (13)参考文献 (14)附件1：PLC控制程序 (15)一绪论太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，研究太阳能发电技术意义重大。

如何提高太阳能电池光电转换率则是光伏发电能否推广应用的根本所在。

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有本质上的区别。

这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。

提高太阳能电池光伏电池最大功率，可以从太阳能电池的材质上入手，或从逆变电源设计上入手[1]；另一途径是让太阳能电池跟着阳光旋转，使太阳能电池与阳光入射角保持垂直，以达到光能最大获取率[2]。

这要依靠太阳跟踪器来实现。

太阳跟踪器[3~5]，故名思意，基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动。

太阳能跟踪器根据结构和控制原理不同有单轴控制和双轴控制。

一般双轴系统可提高发电量35%左右，单轴系统可提高2O%左右，聚光型跟踪系统会更高[6]。

本文主要阐述一种双轴太阳跟踪器控制系统的设计方案。

二太阳能自动追踪器的现状2.1 压差式太阳能跟踪器压差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏射时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。

根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式，和液压式。

该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需要电子控制部分及外接电源。