一种带多路选择PID控制的光伏发电优化研究

胡徐胜 纪 萍

（河海大学文天学院 安徽马鞍山 243031）

太阳能光伏发电系统利用电池组件将太阳能辐射能转换为电能。目前如何提高太阳能的收集效率成为研究的热点[1]。一般采用光电跟踪和视日轨迹跟踪两种模式以实现对太阳光照的跟踪以提高跟踪效果[2]。

一、太阳能光伏发电系统的构成

控制系统总体控制框图如图1所示，电池板接收太阳能后由光电传感器检测光信号并转换为电信号；角度编码器检测电池板实际转动角度和理论转动角度之间的误差，并把该数据作为反馈信号送至控制器[3]；控制器通过串行通信模块实现与上位机的通信；当遇到太阳光线照射较差的天气状况时采用定时跟踪控制策略，即采用算法计算出太阳角度信息，在某些特定时刻驱动太阳板的转动装置转动至相应角度从而完成实时跟踪[4]；限位开关保证系统在安全角度范围内运行；通过切换开关，可以实现系统的自动-手动模式的切换；手动模式主要用于安装调试阶段和特殊情况下的手动操作等[5]。

图1 系统硬件控制框图

太阳能光伏发电系统，其主要组成部分有太阳能接收装置、光伏控制器、蓄电池、交流逆变器等[6]。并网光伏发电系统的原理图如图2所示。

（一）太阳能电池组件。太阳能电池组件在有阳光的时候，可以吸收光能然后将其转化为电能[7]。太阳能电池组件的工作原理是通过电池组件吸收电能，在光生电压的作用下，电池组件的两端产生了电动势实现了光能到电能之间的转换[8]。太阳能电池组件产生的电能，可以通过蓄电池储存起来，也可以给负载提供电能。

图2 并网光伏发电系统的原理图

（二）蓄电池。蓄电池将电能储存起来，在负载需要供电的时候，随时可以对其提供电能，是太阳能的储能原件。

（三）光伏控制器。为了提高实现太阳能光伏发电系统的效率，使用太阳能光伏控制器实现对蓄电池的控制[9]。控制系使整个系统的核心，确保系统可靠正常的工作。光伏技术不断的在提高，太阳能光伏控制器的功能不断得到强化，现如今的光伏控制器可以具有温度补偿的功能在温差大的时候，也可以具有显示功能即显示蓄电池充放电是的的电量状态，显现集成的趋势[10]。

（四）交流逆变器。交流逆变器的作用是将太阳能电池组件产生的直流信号经过逆变后转换成交流供给负载，它是电网能量转换的中心[11]。

基于以上设计方案，拟结合单片机STC89C51的具体特性，设计控制系统实现太阳能面板对太阳照射的跟踪控制。

二、视日运动轨迹跟踪控制

视日运动轨迹跟踪通过计算太阳高度角和方位角来标定出太阳的实时位置以实现对太阳照射的跟踪，其系统原理框图如图3所示[12]。时钟模块为单片机提供时钟信息，单片机通过控制系统检测角度信号，并通过闭环系统控制角度驱动步进电机进行角度控制，最终实现对太阳能电池的角度控制，以达到视日运动轨迹跟踪控制的目的[13]。

图3 视日运动轨迹跟踪控制原理图

（一）主程序设计。主程序流程图如图4所示，主要处理实时性要求较低的功能，构建了整个控制系统的框架，其中SPM波的生成和参数设定是控制系统的核心[14]。

图4 主程序流程图

（二）一种带多路选择的复合型PID角度跟踪控制算法。为提高太阳能角度跟踪控制的稳定性和控制精度，主要采用一种带多路选择的复合型PID控制[15]。其具体算法如下：

（1）根据实际情况，设定角度变化范围ε和ε0，其中εt＞ε0＞0。

系统的控制算法流程图如图5所示。

图5 一种带多路选择的复合型PID控制

三、实验与仿真

根据图4的主流程图和图5的带多路选择的复合型PID角度跟踪控制算法控制算法，可实现PWM波的输出，具体数据如表1所示。

表1 PWM细分数据表

由表1可见，在每个象限内，输出的波形结果都很理想，实现了预期控制目标。

四、结语

在对太阳能光伏发电系统进行分析和原理研究的基础上，提出了一种带多路选择的复合型PID角度控制算法对太阳能的角度进行跟踪控制。设计了主流程图和控制算法，实现了SPWM波形的输出，实验数据表明控制效果良好。