基于ZigBee的分布式樓宇光伏電站群控系統設計

姚仲敏，柳希廣

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

責任編輯:魏雨博

目前，太陽能發電技術在世界各國的應用，在一定程度上減少了人類對日益枯竭的化石能源的依賴［1－2］。我國為加快光伏屋頂電站的應用建設，推出了金太陽屋頂計劃和財政補貼政策［3］。光伏樓宇電站目前主要分散地建在城市、企事業單位、場館等建筑屋頂上，而對這些分布在屋頂上的分散的分布式樓宇光伏電站進行太陽光跟蹤控制，可以提高分布式樓宇光伏電站的發電效率，達到充分利用太陽能資源的目的［4－5］。

隨著分布式樓宇光伏電站的應用，采用Internet、485總線等有線網絡方式對其跟蹤控制［6－7］存在著布線復雜、設備靈活性差和成本高等問題，實現相對困難;借助GSM/GPRS無線移動通信技術來實現存在傳輸模塊功耗大、靈活性差等問題［8－9］。本文針對城市里相對分散的屋頂分布式樓宇光伏電站的特點，設計了一種低成本、高效的基于ZigBee無線技術的分布式樓宇光伏電站自動群跟蹤控制系統。系統根據光跟蹤變送器采集的太陽光高度角和方位角變化分發跟蹤控制命令，實現一點控制每個區域中的分布式樓宇光伏電站，進行太陽光自動群跟蹤。該系統不僅解決了有線網絡布線復雜、成本高等問題，而且大大降低了自動跟蹤的成本和能耗，提高了分布式樓宇光伏電站系統群控的靈活性和效率。

1 系統的設計與實現

ZigBee技術是一種新興的雙向無線通信技術，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低成本和低功耗和低數據速率［10］。其組網靈活方便，且性價比高，適用于工業、智能樓宇及分布式光伏電站監控等領域。ZigBee技術不僅能夠進行數據收發，還具有微處理器芯片所具有的數據處理及控制功能。目前，大多數應用研究集中在第1個功能，而對第2個功能的應用研究較少［11］。本文把ZigBee技術這兩種功能結合起來應用在分布式樓宇光伏電站群控系統中，充分開發運用。

分布式樓宇光伏電站群控系統的整體結構設計如圖1所示。分布式樓宇光伏電站群控系統主要是由光跟蹤變送器、ZigBee終端控制節點、ZigBee路由節點和ZigBee協調器組成的。網狀拓撲網絡構成的光跟蹤變送器進行光信號強度采集，并把其轉變為控制步進電機轉動跟蹤控制命令，其利用4光敏傳感器(橫軸和縱軸各有2個，即步進電機橫軸與縱軸的旋轉的控制信息源)完成數據采集，經過閾值比較算法對數據判斷處理，并由ZigBee協調器通過ZigBee網絡把跟蹤控制命令分發到其他ZigBee終端控制節點，實現一點控制每個區域中分布式光伏電站的目的，從而到達群跟蹤控制。

圖1 分布式樓宇光伏電站群控系統的整體結構設計

2 系統硬件設計

光跟蹤變送器與ZigBee終端控制節點硬件結構框圖如圖2所示。由于光跟蹤變送器和ZigBee終端控制節點結構相似，這里僅以光跟蹤變送器硬件設計為例進行介紹。

光跟蹤變送器主要有4個光敏傳感器傳送光強度信息，根據自動群跟蹤控制程序算法實現群控，由光跟蹤旋轉平臺和硬件電路組成智能自動跟蹤裝置。其中光跟蹤旋轉平臺主要實現光強度信號采集、定位檢測、光跟蹤器隨太陽光高度角和方位角變化進行跟蹤旋轉。硬件電路主要實現群自動跟蹤控制程序算法、電機控制和群自動跟蹤控制信號傳輸等。

光跟蹤變送器的硬件電路設計主要包括電源電路、JN5139射頻、TH6560步進電機驅動電路和光照強度采集電路等。

圖2 光跟蹤變送器與ZigBee終端控制節點電路硬件結構框圖

1)JN5139射頻微處理器集成了32 bit高性能微處理器、4路12位 ADC、2路 UART、2個應用計時器、21通用I/O和SPI端口、優越的2.4 GHz IEEE 802.15.4射頻、192 kbyte的ROM和96 kbyte的RAM等，提供了低成本的無線網雙向網絡應用方案，用于完成光敏傳感器信號的獲取和傳輸、AD采樣轉換、雙軸步進電機的控制、PWM脈沖和數據傳輸等功能。

2)TLP521－4隔離電路是對控制步進電機工作的CLK，CW，ENABLE 3個輸入端信號采用輸入端和負載完全隔離的方法，確保步進電機穩定和安全工作，不受滯后、畸變等干擾影響。

3)TH6560步進電機驅動的OUT_AP，OUT_AM，OUT_BP，OUT_BM4引腳為步進電機兩相輸出接口，直接控制步進電機的轉動。引腳M1=0，M2=1實現步進電機的1/16細分方式運轉。步進電機的3個輸入控制信號CLK，CW，ENABLE通過光耦隔離芯片TLP521－4隔離后送到驅動芯片，保證步進電機運行的穩定性、可靠性和準確性。JN5139與TH6560驅動芯片電路引腳連接圖如圖3所示。

4)電源和光照強度采集電路。系統硬件電路工作電源為12 V，12 V電源為步進電機驅動芯片THB6560供電;12 V電源通過7805濾波和整流輸出5 V直流電源，5 V直流電源可為隔離電路芯片、步進電機驅動芯片THB6560邏輯控制電路等供電;5 V電源再通過AS2830濾波和整流產生3.3 V電源，為JN5139射頻微處理芯片供電。光照強度采集電路負責光照強度的檢測，并把檢測的光強度信號送到JN5139射頻模塊進行處理。

圖3 JN5139與TH6560驅動芯片電路引腳連接圖(截圖)

3 系統軟件設計

系統軟件是實現自動群跟蹤系統控制的關鍵，包括光強度采集處理、閾值比較判斷和跟蹤控制命令傳輸等。

1)光強度采集利用JN5139內部4路11位AD轉換器來實現。4路AD通道函數設置通過PRIVATE void vAdc_Config(uint8 channel)來實現，初始化AD函數vAdc_Config(E_AHI_ADC_SRC_ADC_1/2/3/4)，數據轉換函數sPresaSensor.u16PresaReading=(uint32)(u16Adc1Reading*586)/1000。

2)跟蹤控制命令發送與接收?？刂泼畹陌l送利用函數PRIVATE void vSendData(void)通過定義數組AF_Transaction_sasTransaction［1］，asTransaction［0］.u8SequenceNum=u8AfGetTransactionSequence(TRUE)，asTransaction［0］.uFrame.sMsg.u8TransactionDataLen=10實現數據發送。PUBLICbool_t JZA_bAfMsgObject(void)是數據接收函數定義，uint16u16Presa，uint16 u16Presb，uint16 u16Presc和uint16 u16Presd為4路AD采集轉換后的數據接收變量。

3)步進電機控制設置。函數vTimerConfig()產生PWM脈沖，vAHI_DioSetOutput(E_AHI_DIO8_INT，0)是正反轉控制引腳CW 函數，vAHI_Dio SetOutput(E_AHI_DIO7_INT，0)控制步進電機的使能引腳ENABLE。

群控自動跟蹤程序流程圖如圖4所示。群控程序算法先進行不同的天氣情況判斷，如果光強度數據大于閾值，則表示白天正常光照，比較橫軸及縱軸光強度大小，直接通過ZigBee無線網絡分發控制命令到其他ZigBee終端控制節點，進行步進電機的橫軸和縱軸的旋轉調整;如果小于閾值，則表示陰天、夜晚等情況，直接不分發控制命令，不進行電機調整，有利于減少能源損耗;如果為0，停止工作進入休眠狀態。由于同一局部區域內太陽的入射角基本一致，所以完全可以做到同步群自動跟蹤控制。程序算法的具體描述如下:

1)陰天、夜晚等光照強度弱的情況

(1)光跟蹤變送器檢測光強度并進行比較。

(2)光強度≤光強度閾值，不分發數據。

(3)判斷光強度大小。

①如果大于閾值，則比較光強度大小，分發跟蹤控制命令，進行群控;

②如果小于閾值，當其值不為0，等待，數據比較，否則，系統結束工作。

2)白天等光照正常的情況

(1)光跟蹤變送器檢測光強度并進行比較。

(2)光強度＞光強度閾值，則比較光跟蹤變送器橫軸及縱軸光強度數據，進而控制調整光跟蹤變送器橫軸及縱軸角度并分發群跟蹤控制命令，直至所檢測的光強度值趨于相等時，不再調整，進入保持狀態。

(3)各光伏電站的ZigBee終端控制節點接收群跟蹤控制命令后，群自動跟蹤器進行橫軸和縱軸自動調整。

(4)重復算法1)中的(3)步驟。

4 實驗測試

圖4 群控自動跟蹤程序流程圖

實驗取光跟蹤變送器自動跟蹤裝置、ZigBee協調器和2個ZigBee終端控制節點自動跟蹤。光跟蹤變送器負責采集光強度并發送步進電機旋轉控制命令，由ZigBee協調器轉發至ZigBee終端控制節點進行自動跟蹤控制，實驗結果達到預期跟蹤控制的要求。同時對群跟蹤控制的發電效率進行了實驗，如圖5所示，曲線2和曲線3分別記錄了跟蹤控制的兩節點的發電效率和時間的關系，曲線1是不跟蹤的情況下發電效率和時間的關系。結果是在跟蹤的情況下發電效率提高30%以上，不但能夠實現光伏電站群控跟蹤，而且提高了光伏電站的發電效率。

圖5 3種情況下發電量與時間關系

5 小結

本文在現有的獨立式太陽光自動跟蹤器和群自動跟蹤器研究的基礎上，以ZigBee無線網絡技術為基礎，設計了低功耗、低成本的分布式樓宇光伏電站的自動群跟蹤控制系統，實現一點對每個區域中的分布式樓宇光伏電站進行自動群跟蹤控制。群跟蹤系統測試的結果基本達到預期目標，具有實際的推廣和應用價值。

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