大功率碟式太陽能電站大風預警系統(tǒng)設(shè)計與研究?

劉年霖，彭佑多，王旻輝，胡 亮，彭長清

（1.湖南科技大學 機械設(shè)備健康維護省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湘電集團太陽能事業(yè)部，湖南 湘潭 411101）

0 引言

碟式太陽能電站是包括大型網(wǎng)架支撐機構(gòu)、雙軸驅(qū)動系統(tǒng)和聚光器等在內(nèi)的復雜機電系統(tǒng)，具有空間尺寸大（聚光器直徑Φ13 m，高18 m）、自重大（13 t）和抗風載要求高（8級風正常運行，抗最大風力12級）等特點，是確保太陽能電站高效、可靠、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。極端天氣下的大風對安裝在露天的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的危害很大：①可能會引起太陽能發(fā)電系統(tǒng)的嚴重變形甚至損壞性倒塌，因為整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)幾乎全為鋼結(jié)構(gòu)，其總量占了整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的70%，在強風力的作用下，整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)會出現(xiàn)“頭重腳輕”的現(xiàn)象，導致支撐系統(tǒng)倒塌；②大風會使網(wǎng)架變形，盡管集熱器通過球頭螺栓連接在網(wǎng)架上，但網(wǎng)架變形過大，同樣會引起集熱鏡損壞。因此，設(shè)計研究大風預警系統(tǒng)是有必要和重要意義的。

1 大風預警系統(tǒng)方案優(yōu)選

本文所述大風預警系統(tǒng)主要由傳感器、控制器和驅(qū)動裝置構(gòu)成，可有以下4種組成方案：

（1）運動控制器＋直流驅(qū)動器＋直流電機。該方式使用的年限長，方法穩(wěn)定、可靠，調(diào)速性能好，但是直流電機結(jié)構(gòu)復雜，維護成本高。

（2）運動控制器＋變頻器＋三相異步電機。該方式繼承了直流系統(tǒng)的優(yōu)勢且結(jié)構(gòu)簡單、維護成本低，但是控制精度有待提高。

（3）專用型伺服驅(qū)動器＋伺服電機。專用型伺服驅(qū)動器是將運動控制器用軟件集成的方式寫在伺服驅(qū)動器中，該方案相應(yīng)系統(tǒng)只能完成特定的控制過程，無法實現(xiàn)功能擴展。

（4）運動控制器＋伺服驅(qū)動器＋伺服電機。采用運動控制器，可以根據(jù)任務(wù)的需要更好地擴展其控制功能，并提高控制精度，而且降低了維護成本。

碟式太陽能電站對日跟蹤系統(tǒng)需用雙軸驅(qū)動控制方案，雙軸驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計有確定的伺服電機、驅(qū)動機構(gòu)及控制器硬件系統(tǒng)。因此，本文所述大風預警系統(tǒng)只需在雙軸驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加風速傳感器和預警控制器。同時綜合考慮預警系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和成本，以及系統(tǒng)拓展控制功能的可能需求，擬采用第4種組成方案。預警控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該預警控制系統(tǒng)由傳感器（風速傳感器和絕對位置編碼器）、上位機、運動控制器 （PLC）、伺服驅(qū)動器、伺服電機、機械傳動機構(gòu)和聚光器組成。

2 大風預警系統(tǒng)原理設(shè)計

大風預警控制系統(tǒng)采用業(yè)內(nèi)最為普遍的閉環(huán)控制方式，其優(yōu)點在于運動控制器能根據(jù)給定信號與反饋信號的差值來不斷改變輸出給伺服驅(qū)動器的脈沖頻率，達到實時調(diào)整伺服電機速度的目的，有效消除聚光器大質(zhì)量慣性對位置的影響，從而保證聚光器的位置精度。

在系統(tǒng)運行過程中，風速傳感器將檢測到的風速以脈沖形式輸入到運動控制器中，當輸入的脈沖數(shù)大于運動控制器中已設(shè)定的8級風對應(yīng)的脈沖數(shù)時，運動控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)出一定的脈沖數(shù)和脈沖頻率，驅(qū)動方位角伺服電機停止動作，高度角伺服電機快速使聚光器到達水平狀態(tài)位置（由參考文獻［6］可知，聚光器在水平狀態(tài)位置所受風載荷下的應(yīng)力最?。?，然后停止動作。此時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)以最少迎風受力面躲避大風。預警控制系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖1 預警控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 預警控制系統(tǒng)的控制流程圖

3 預警系統(tǒng)綜合性能仿真分析

圖3是預警控制系統(tǒng)的方框圖。其中給定位置是控制器根據(jù)傳感器的輸入值給定的；伺服系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動器和伺服電機構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其包含電流內(nèi)環(huán)和速度內(nèi)環(huán)；高度角傳動機構(gòu)由行星減速器、蝸輪蝸桿和絲桿組成；在輸出端加入絕對位置編碼器，使整個系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，使聚光器動作平穩(wěn)，位置精確。

圖3 預警控制系統(tǒng)的方框圖

3.1 伺服系統(tǒng)模型的建立

圖4 為伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。在該伺服系統(tǒng)中，伺服電機選用交流永磁同步電機，它與伺服驅(qū)動器構(gòu)成電流環(huán)在內(nèi)、速度環(huán)在外的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，能有效抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾和速度波動，提高系統(tǒng)的快速性，并保障系統(tǒng)的安全運行。

圖4 伺服系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖4 中，ω＊為轉(zhuǎn)速給定，i＊為電流給定，L為電樞電感，R為定子電阻，J為轉(zhuǎn)動慣量，Td為負載轉(zhuǎn)矩，Ku為反電勢系數(shù)，KL為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ASR為速度調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，α為速度反饋，β為電流反饋。

3.2 高度角傳動機構(gòu)模型的建立

將高度角傳動機構(gòu)等效為一個二質(zhì)量模型，得方程：

其中：JL為等效轉(zhuǎn)動慣量；B為等效阻尼；θL為機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)角；ML為負載轉(zhuǎn)矩；Me為電機輸出轉(zhuǎn)矩。

在線性范圍內(nèi)，彈性方程可被描述為：

其中：K為等效剛度；θe為機構(gòu)輸入轉(zhuǎn)角。將式（2）代入式（1），并經(jīng)拉普拉斯變換，可得機構(gòu)輸出的角度方程為：

ML被看作是對系統(tǒng)的干擾量，因此，在推導傳遞函數(shù)時可忽略。于是，得傳遞函數(shù)為：

其中：ωn為傳動環(huán)節(jié)的固有頻率，ωn＝；ξ為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)由于最后是由蝸輪蝸桿機構(gòu)傳遞動力和運動，帶動絲桿作旋轉(zhuǎn)直線運動，因此可得：

其中：Ph為絲桿導程。從而式（4）可以改寫為：

3.3 預警控制系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

在預警控制系統(tǒng)中，如果放大器單純采用積分控制，則不能有效減小過渡時間過程和消除穩(wěn)態(tài)誤差，進而不能使聚光器平穩(wěn)快速地到達指定位置。因此，為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)性能要求，這里采用經(jīng)典PID控制。預警控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖5所示。

圖5 預警控制系統(tǒng)仿真模型圖

在單位階躍信號輸入下預警控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖6所示。從仿真曲線圖可以看出，在給定位置信號與實際位置信號相差很大時，系統(tǒng)立即響應(yīng)，快速向給定值趨近，誤差立即減小，隨著差值的減小，響應(yīng)速度也適當放慢，最后平緩地到達指定值。整個過程平穩(wěn)快速，有效地消除了穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量，防止了慣性作用產(chǎn)生的位置誤差，從而有效保障了位置精度。

圖6 預警控制系統(tǒng)單位階躍信號響應(yīng)曲線仿真圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了由運動控制器、伺服驅(qū)動器和伺服電機等構(gòu)成的大風預警控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)進行了詳盡的分析，推導出了伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及機械傳動機構(gòu)的數(shù)學模型，并利用 MATLAB中的Simulink工具箱對系統(tǒng)進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，大風預警控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，能夠滿足快速響應(yīng)和位置精度的要求。當8級以上大風來臨時，可對整個太陽能發(fā)電站的安全保護起到關(guān)鍵性的作用，同時避免設(shè)備的損壞。

［1］ 林雪松，周婧，林德新.MATLAB7.0應(yīng)用集錦［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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