基于S7-200提高光伏发电系统效率研究

王颖龄, 王 磊, 高 健, 庄建军

(南京大学 电子科学与工程学院， 江苏 南京 210093)

基于S7-200提高光伏发电系统效率研究

王颖龄, 王 磊, 高 健, 庄建军

(南京大学 电子科学与工程学院， 江苏 南京 210093)

在研究光伏发电的背景基础上，设计出一种提高光电转换效率的光伏跟踪系统。该系统以西门子S7-200为主控制器，使光伏电池阵列能跟踪光源的移动、运动到与光源正对的位置，从而使光伏电池方阵获取最大的有效光照面积，达到提高光伏输出效率的目的。

光生伏特效应；光伏跟踪；光电转换效率

相比于现在主流的火力发电和煤气燃油发电,太阳能不仅没有资源会耗尽的问题,更是清洁无污染的能源。因此有效利用太阳能进行光能发电值得研究。由于地球的自转,相对固定的太阳能发电装置,其太阳光线照射的角度时时刻刻均在变化,不能充分利用太阳能[1-2]。本文在研究光伏发电背景的基础上,提出一种获得较高光电转化效率的方案。光伏发电系统中的光伏跟踪控制器PLC分析各方向光照强度后,控制光伏电池方阵运动到对准光源的位置以获取最大的有效光照面积,从而获得最大的光电转换效率[3-4]。

1 光伏发电系统硬件设计

1.1 系统的结构框图

光源移动机构使光源像连续移动,能模拟日光的运动轨迹。光伏电池移动机构能使光伏电池进行水平和俯仰方向运动[5-6]。光敏传感器采集光源的光强度,通过光线传感控制器将不同位置的光强信号传输给以西门子S7-200为主控制器的PLC。PLC连接控制电路使光伏电池板能运动到正对光源的位置。光伏电池方阵将收集的光能转换为电能,通过控制器对蓄电池进行充放电。系统示意图见图1[7-8]。

图1 光伏发电系统示意图

1.2 系统硬件结构简介

1.2.1 方位传感器

四象限方位传感探头利用阴影原理设计而成,将4个同样的光敏电阻器件对称固定在遮光筒的内壁,其分布见图2。由于光敏传感器的特性是随着光照强度的增强其阻值相应减小,其输出的电气信号降低(光敏电阻采样原理见图3)。如果一个光敏传感器被照射,而正对的另一个光敏传感器处在阴影中,则这对光敏传感器将会产生一个电压差信号,从而将光信号的差异转换成电信号传递给处理器,处理器通过逻辑运算驱动垂直或水平电机的转动,减小光线信号的差异,直至2个方位接受光照强度达到平衡。

图2 四象限方位传感探头原理

图3 光敏电阻采样原理电路

在四象限方位传感器探头外侧的东西方向各设了一个辅助光敏传感器,其目的是防止阴天或遮挡干扰而误动作[9]。

1.2.2 光伏跟踪系统PLC控制器

PLC控制器是光能发电系统的关键部位,它能够根据能源在各种不可控条件下的变化进行实时调整,它掌握着整个系统的机能管理。

控制器的主要作用体现为实时监测输入电压和电流,并进行计算,判断是否工作在最大功率点[10]。如果工作状态未能达到最大功率点,则控制光源和光伏移动机构运动,调整光伏电池与投射灯的相对位置,使其达到功率最大位置。光伏跟踪系统使用西门子S7-200作为主控制器,该PLC具有24个输入、16个继电器输出。跟踪光线传感器输出采用2个EM231模拟量扩展模块进行采集,该模块具有四通道12位高精度模拟量输入接口。PLC连接电路见图4。PLC处在控制状态时,按下启动按钮则PLC运行程序。摆杆上的投射灯由东向西方向或由西向东方向移动,光线传感器中四象限的光敏电阻感受不同的光强度,通过光线传感控制盒中的电路将+5V电平或0V电平通过6个通道分别输出到PLC的SP0.0、SP0.1、SP0.2、SP0.3、SP0.4和SP0.5输入端,分别对应为光伏电池组件向东、向西、向北、向南、向左和向右偏移的信号。如果PLC的SP0.1接收到+5V电平,光伏电池组件向西偏转；如果PLC的SP0.2或SP0.3接收到+5V电平,则光伏电池组件向北或向南偏转。

2 光伏跟踪系统软件设计

光伏跟踪系统处理器实时采集光敏传感器传递过来的电压信号,通过模数转换,将各方位的光信号转换成数字信号,从而对各方位的光线信号进行比较、运算,再通过限位开关采集各方位的限位信号,将运算后的逻辑结果通过驱动器输出,从而驱动水平、垂直方位的电机运转,实现各方位光线信号的平衡,使光伏电池板正对光源,提高光伏发电的利用率,其程序流程图如图5所示[11]。

3 数据采集及分析

将光伏电池板随意调整到一个位置,开启投射灯,然后启动PLC控制器,在PLC控制过程中,光伏电池板与投射灯摆杆做水平和俯仰方向运动,经过一段时间后,光伏电池板与投射灯运动到了相互正对的方向,记录此过程的光伏输出电流、电压、功率的数据变化，见表1。

图4 PLC的连接电路

图5 光伏跟踪系统程序流程图

表1 光伏跟踪过程数据采集

绘制的光伏输出电流I、电压V、功率P与时间t的相关函数见图6—图8。

图6 光伏输出电流随时间的变化

图7 光伏输出电压随时间的变化

图8 光伏输出功率随时间的变化

由表1中数据可以得到：I0=0.213 A,Imax=0.313 A,ΔI=0.100 A,ΔI/I0=47%；U0=6.72 V,Umax=9.64 V,ΔU=2.92 V,ΔU/U0=43%；P0=1.43 W,Pmax=3.02 W,ΔP=1.59 W,ΔP/P0=111%。

可知光伏输出电流从初始0.213A逐渐增大到0.313A,增幅约47%；光伏输出电压从初始6.72V逐渐增大到9.64V,增幅约43%；光伏输出功率从初始1.43W逐渐增大到3.02W,增幅约111%。通过PLC控制光伏电池板运动跟踪光源运动的光伏控制系统,确实能够达到提高光伏发电的效率的目的。

4 总结

以上光伏发电系统的研究中,提出了通过光伏跟踪提高光伏发电效率的方法。光伏跟踪系统中,光伏跟踪系统处理器PLC采集光敏感器传递过来的电压信号,对各方位的光线信号进行比较、运算,再通过限位开关采集各方位的限位信号,将运算后的逻辑结果通过驱动器输出,从而驱动水平、垂直方位的电机运转,实现各方位光线信号的平衡,使光伏电池板运动正对光源的位置,获得最大的有效光照面积,从而提高光伏发电的利用率[12]。

)

[1] 刘杨华,吴政球,涂有庆,等. 分布式发电及其并网技术[J].电网技术,2008,32(15):71-76.

[2] 王飞,余世杰,苏建徽,等. 太阳能并网发电技术研究[J].电工技术学报,2005,20(5):72-74.

[3] 刘飞,段善旭,殷进军,等. 单级式光伏发电系统MPPT的实现与稳定性研究[J].电力电子技术,2008,42(3):28-30.

[4] 罗明,杨金明. 双级式光伏系统最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术,2009,43(5):20-21.

[5] 吴理博. 光伏并网发电系统综合控制策略研究及实现[D].北京:清华大学,2006.

[6] 刘飞.三相并网光伏发电系统的运行控制策略研究及实现[D].北京:北京交通大学,2009.

[7] 王兆安,刘进军. 电力电子技术[M]北京:机械工业出版社,2009.

[8] 杨达亮,卢子广,杭乃善,等. 电力电子技术实验改革与实践创新平台建设[J]. 实验技术与管理,2013,30(8)：171-174.

[9] 崔岩,蔡炳煌,李大勇,等.太阳能光伏模板仿真模型的研究[J].系统仿真学报,2006,18(4):829-834.

[10] 禹华军,潘俊民.光伏电池输出特性与最大功率跟踪的仿真研究[J].计算机仿真,2005,26(2):248-252.

[11] 李志军,刘爽,张轩涛,等. 基于LabVIEW的虚拟光伏实验系统设计[J].实验技术与管理,2016,33(5):105-108.

[12] 王一波,伍春生,廖华,等. 大型并网光伏发电系统稳态模型与潮流分析[J]. 清华大学学报,2009,49(8):1093-1097.

论文“摘要”的编写

(1) 论文摘要以提供论文的内容梗概为宗旨,应简明、确切地记述论文的重要内容，一般以200～300字为宜。

(2) 论文摘要的基本要素：目的、方法、结果、结论及其他。 目的：研究、研制、调查的前提、目的和任务所涉及的主题范围。 方法：所用的原理、理论、条件、对象、材料、工艺、结构、手段、装备、程序等。 结果：实验和研究的数据、结果、被确定的关系、观察结果、得到的效果、性能等。 结论：结果的分析、研究、比较、评价、应用，提出的问题，今后的课题，假设，启发，建议，预测等。 其他：不属于研究、研制、调查的主要目的，但就其见识和情报价值而言，也是重要的信息。

(3) 论文摘要用第三人称书写，应采用“对……进行了研究”“报告了……”“介绍了……”“论述了……”等的记述方式，不要使用“本文”“作者”“我们”等作为主语。

《实验技术与管理》编辑部 编录

Research on improving efficiency of photovoltaic power generation system based on S7-200

Wang Yingling, Wang Lei, Gao Jian, Zhuang Jianjun

(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Based on the research of the background of photovoltaic power generation, a photovoltaic tracking system for improving photoelectric transformation efficiency is designed. This system takes Siemens S7-200 as the primary controller, enabling the photovoltaic array to track the movement of the light source, and making the movement to an opposite position of the light source so that the photovoltaic cell array can obtain the maximum effective light area so to achieve the purpose of improving the efficiency of the photovoltaic output.

photovoltaic effect; photovoltaic tracking; photoelectric transformation efficiency

2016-10-24

国家科技支撑计划课题“兆瓦级非并网风电海水淡化系统研发及先导性示范”(2013BAB08B04)；江苏省高等教育教改研究立项课题(2015JSJG165，2015JSJG069)； 2016年度电子信息类专业教指委研究课题重点项目(2016-Z1)；2016年国家级大学生创新训练计划项目；2015年、2016年教育部产学合作专业综合改革项目

王颖龄(1996—)，女，湖北武汉，本科生，研究方向为电路与系统

E-mail：814725061@qq.com

高健(1976—)，男，江苏徐州，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为基于FPGA的图像处理、物联网嵌入式系统设计.

E-mail：jiangao@nju.edu.cn

TM615

A

1002-4956(2017)4-0051-05