兆瓦级光伏电站双轴跟踪系统的设计与实现

【摘要】：随着世界人口的不断持续增长和经济的飞速发展，常规能源越来越不能满足人类生产生活的需要，常规能源中的煤炭、石油和天然气是化石能源，为不可生资源，而且化石能源利用过程中造成空气严重污染，导致全球气候变暖、冰山融化、海平面上升等自然灾害。新能源的出现在很大程度上缓解了上述出现的问题，相比新能源中发展比较快的几种，太阳能的利用越来越受人类的关注，太阳能资源能量丰富、分布广泛、清洁无污染、可以再生，所以太阳能发电成为新能源中发展最快的技术。但是太阳能利用过程中存在不易收集、能量密度低、易受环境因素影响等缺点，因此如何更高效的利用太阳能资源成为全球都在关注的问题，目前，最为广泛的利用形式为光伏电站。现在的光伏电站组件多为固定角度安装，对于发电量的提高很受限制，虽然绝大部分安装角度为最佳角度，但是不能随着周围环境的变化实现跟踪，所以很大程度上制约了整个光伏电站的发电效率。为提高电站整体发电量，本文提出了双轴跟踪系统在光伏电站的应用。 采用时控法与反馈修正法相结合的追踪方式，首先通过天文计算公式得到太阳高度角及方位角完成开环控制，然后通过倾角仪反馈的角度值进行反馈修正，跟踪过程中考虑到一天中方位角与高度角不同的变化规律提出了不同时间段不同跟踪步长的跟踪方式；主从CPU相互配合的集中式分散式相结合的控制方式，主控制器完成特殊天气下的集控策略及通过信号采集模块采集到的光照及地理信息为从控制器提供控制依据，从控制器完成太阳高度角及方位角的计算，正常情况下的跟踪控制及运行数据及发电量数据的采集；工业以太网与工业级无线并用的通讯方式，主控制器与上位机之间、各从控制器之间通过工业以太网相连，从控制器与主控制器之间通过工业级无线连接，该连接方式使整体的通讯方案更加灵活，易于整个系统的容量扩张，很大程度上减小了前期的施工量及后期的维护量。理论分析和设计表明，该方法在保证最大发电效率的同时，减少了能量消耗，易于电站推广应用。 【关键词】：双轴跟踪系统 光伏电站 多CPU 时控法 反馈修正法
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 引言9-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 课题研究背景10-13
• 1.1.1 能源发展现状及趋势10
• 1.1.2 太阳能发电的优缺点10-11
• 1.1.3 太阳能发电的类型11-12
• 1.1.4 光伏发电应用分类12-13
• 1.2 课题研究意义13-16
• 1.2.1 影响光伏发电的因素13-15
• 1.2.2 研究双轴跟踪系统的必要性15-16
• 1.3 光伏电站国内外发展现状16-17
• 1.4 太阳跟踪系统国内外发展及研究状况17-19
• 2 跟踪系统概述19-24
• 2.1 太阳运动轨迹计算19-22
• 2.1.1 地平坐标系19
• 2.1.2 太阳高度角与方位角计算19-22
• 2.2 跟踪方法原理简介22-23
• 2.3 跟踪系统简介23-24
• 3 跟踪系统的总体设计24-33
• 3.1 控制方案设计24-29
• 3.1.1 控制模式选择24-26
• 3.1.2 太阳跟踪方案的选择26-29
• 3.1.3 通讯方式的选择29
• 3.2 跟踪系统电气设计29-33
• 3.2.1 主电路设计30
• 3.2.2 控制电路设计30
• 3.2.3 安全链电路设计30-31
• 3.2.4 PLC 输入输出电路设计31
• 3.2.5 防雷设计31-33
• 4.跟踪系统的硬件设计33-43
• 4.1 系统组成33-34
• 4.2 硬件设备选型34-43
• 4.2.1 控制器选型34-35
• 4.2.2 无线通讯设备选型35
• 4.2.3 执行机构选型35-36
• 4.2.4 信号采集模块选型36-39
• 4.2.5 GPS 模块选型39-40
• 4.2.6 HMI 选型40
• 4.2.7 逆变器选型40-42
• 4.2.8 时控开关选型42-43
• 5 跟踪系统软件设计43-52
• 5.1 控制器软件平台设计43-48
• 5.1.1 控制器主程序43-45
• 5.1.2 太阳位置跟踪程序设计45-46
• 5.1.3 时间间隔模式程序设计46-47
• 5.1.4 特殊天气应急程序设计47
• 5.1.5 太阳高度角及方位角计算程序设计47-48
• 5.2 实时监控数据及远程与本地 HMI 监控平台设计48-52
• 5.2.1 实时监控数据48-49
• 5.2.2 监控平台及工程组态设计49-52
• 6 结论和展望52-53
• 6.1 课题研究设计总结52
• 6.2 展望52-53
• 结论53-54
• 参考文献54-58
• 附录A 主要电路图58-64
• 附录B 主要程序64-71
• 在学研究成果71-72
• 致谢72

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