基于永磁同步电机的太阳能跟踪系统研究

潘三博，郝夏斐

PAN San-bo1,HAO Xia-fei2

（1. 上海交通大学，上海 200240；2. 安阳师范学院，安阳 455002）

0 引言

随着可再生能源在节能减排、应对气候变化中起着越来越重要的作用，提高对太阳能的利用率成为重要的一项研究任务。单晶硅与多晶硅的效率一般在15%-18%，逆变器的效率在95%左右，要提高它们的效率非常困难。而采用太阳能跟踪技术，可以使得能太阳能板支架主动接收太阳光照射，随着太阳不断移动，调整接收太阳照射的最佳角度[1]。相比目前主要采用的被动式接受太阳能照射，不调整接受角度的应用，采用跟踪技术的要提高20%-40%的利用效率。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点。用来作为跟踪系统的伺服驱动机构，符合国家发改委推广高效节能电机的政策。

本文在原有太阳能支架的基础上，增加光传感器、转向伺服装置和控制器。以永磁同步电动机为执行机构，通过滑模控制，减小系统受参数变化和外部扰动的影响，使伺服跟踪系统具有完全的自适应性和鲁棒性，增加了自动追踪系统的稳定性。该技术使得太阳能板自动跟踪太阳照射最大的方向，提高了太阳能板接收太阳能照射的强度，从而提升太阳能的利用效率。这项技术可广泛应用于光伏应用装置，对提高系统太阳能的效率有较大意义。

1 跟踪系统的原理

一般的光伏系统是太阳能电池板安装于支架上。支架根据当地的纬度及气候统计情况，以一定的角度固定，这样太阳能板可以接受全年平均太阳辐射能量最大。但是太阳能板不能实时跟踪接受最大太阳辐射能量。采用图1所示的太阳能板自动跟踪系统就能通过安装在太阳能板上的光传感器，采集光照强度信号。为了实验验证，特采集电池板的输出电压、电流，通过对照实验，验证是否跟踪系统朝着辐射功率变大的方向追踪。传感器的信号经过A/D转换后，送给微处理器，微处理器控制永磁同步电机转动，拖动执行机械来调整太阳能支架的角度，使之实时跟踪接收最大的太阳辐射能量。

图1 太阳能自动跟踪系统

2 自动跟踪系统设计

太阳能自动跟踪系统的主要执行机构是永磁同步电机伺服系统。其中保证准确位置追踪的关键是永磁同步电机的驱动以及系统控制模型的建立。在诸如系统的非线性、耦合性和粘滞摩擦系数以及负载扰动、永磁体充磁的不均匀性、电源的波动、动子磁链分布的非正弦性等变化时，特别是端部效应和齿槽效应引起的推力变化等，都将使电机驱动系统性能变坏，难以满足高精度要求。传统的PID 控制面临这些问题的挑战，无法完全满足高精度性能的要求。滑模控制技术是非常有效的一种非线性鲁棒控制方法，其最大优点就是一旦系统动态处于滑动模态时，系统状态的转移就不再受原有参数变化和外部扰动的影响，具有完全的自适应性和鲁棒性

2.1 永磁同步电机的数学模型

假设永磁同步电机的气隙磁场呈正弦分布，则次级永磁体在初级绕组中产生的磁链波形也应为正弦波，反电势波形为正弦波；假设参数不随温度等外界因素变化，且忽略端部效应以及饱和效应等等，可以得到永磁同步电机在d-q 坐标系的电压方程[2]：

2.2 滑模控制模型

滑模控制是变结构控制系统的一种控制策略。该控制预先在状态空间中设计一个特殊的控制系统滑动面，状态轨迹沿着滑动面作小幅度，高频率的运动，迫使系统的状态沿着这个特定的滑动面向平衡点滑动，最后渐进稳定于平衡点或平衡点的某个允许的领域内，即滑动模态运动。

根据永磁同步电机数学模型，将初级电压作为控制系统的输入。利用反馈线性化的思想，经过变换，得到了一个准线性化的并解耦的模型，此模型中包含不确定因素。然后通过带有msat 函数的固定边界层的滑模控制控制此非线性模型[3]，得到如图3所示的永磁同步电机滑模控制框图。图中，Scmd为给定位置。该方法可以确保系统的鲁棒性，优点在于滑模边界宽度是固定的，在边界内和区域外使用的开关函数不同，可以有效地消除系统的“抖振”问题。此方法有较好的实用性。

图2 永磁同步电机滑模控制框图

3 实验数据

为验证上述原理，制作了实验样机。光强的检测采用光敏电阻光强比较法[4]，当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值减小,驱动电动机转动,直至两个光敏电阻上的光照强度相同，都为最大光强。光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确,电路设计比较容易。微处理器采用德州仪器公司高性能处理器TMS320F2812。采用1kw的永磁同步电机及驱动器。图3为滑模控制的永磁同步电机的位置响应图以及交轴电路波形。可以看出，传动机构响应快，无超调。

图3 滑模控制的位置响应与交轴电流图

把一块采用最大功率跟踪系统的太阳能板与一块固定倾角的太阳能板并联给蓄电池充电，表1为它们在不同的光辐射强度下的输出电压、电流值。从结果看，采用跟踪技术，能使太阳能板输出功率平均增加20%左右。

表1 实验对比结果

4 结束语

本文介绍了太阳自动跟踪系统,该系统一方面采样太阳辐射强度，一方面采样太阳能板的输出电功率信号。两者相对照,使该系统跟踪的准确性高、可靠性强。即使是在天气变化比较复杂的情况下,系统也能正常工作。采用滑模控制，使伺服跟踪系统具有完全的自适应性和鲁棒性，增加了自动追踪系统的稳定性。采用永磁同步电动机作为执行机械来进行太阳能最大辐射强度跟踪。有利于新型节能永磁同步电动机的推广。

实验证明，采用自动追踪技术可以提高太阳能的利用效率达20%左右。系统如果应用于太阳能光伏系统,则可从电池板直接获取电能,而无需另外输入能量。系统也可用于太阳能光热系统，以提高太阳能板的热功率输出。

[1] 汪临伟.太阳电池方阵自动全追踪系统设计[J].制造业自动化,2010,33(12)：149-151.

[2] 李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社,2002.

[3] 张希,陈宗祥,潘俊民,王杰.永磁直线同步电机的固定边界层滑模控制[J].中国电机工程学报,2006,26(22)：115-121.

[4] 舒志兵,施炜,汤世松.高精度伺服跟踪发电系统的设计[J].机床与液压,2010,38(10)：73-74.