CN104949357B - 应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法。控制器检测到启动跟踪控制信号有效，进入平稳跟踪处理模块：首先计算和判断角度差值Δθ；然后将获得的角度差值和设定值Δθ₀相比较，确定跟踪方式；若角度差值大于设定值，则控制电机以恒定转速进行跟踪；若角度差值小于等于设定值，则采用两点定标的控制方法，根据时间瞬时值t由计算公式求得速度瞬时值v，以此控制电机转速进行跟踪。通过实时改变控制电机的转速，本发明克服了传统控制方法在跟踪过程中存在速度阶梯，导致跟踪角度难以控制，跟踪精度不足的缺点，提高了跟踪控制的平稳性。

Description

应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种槽式太阳能热发电的控制方法。

背景技术

近年来，随着能源与环境问题的日益严重，使得可再生能源的研究与应用成为当今的一个热点，而太阳能因其丰富性和持久性更是引起了人们的极大关注。

太阳能发电是一种开发和利用太阳能的重要途径，其发电种类主要分为太阳能光伏发电和太阳能热发电。在光伏技术尚未取得重大突破之前，太阳能热发电较光伏发电在大规模应用中更具优势。目前，常见的太阳能热发电方式主要有塔式、槽式、蝶式和线性菲涅耳式等，其中只有槽式太阳能热发电实现了商业化运行。为了使槽式太阳能聚光器最大效率的采集和利用阳光，在集热过程中必须采用跟踪控制装置，使聚光器跟踪太阳。

在传统的跟踪控制方法中，通常是根据跟踪角度差值的大小，设置不同的跟踪速度，以此来实现实际角度向目标角度的跟踪控制。但该方法速度设定值有限，而且存在较大的速度阶梯，导致跟踪角度难以控制，跟踪的平稳性较差。

发明内容

本发明的目的是克服传统控制方式存在的不足，提出一种应用于槽式太阳能热发电的控制方法，该方法可以提高槽式太阳能聚光器目标角度跟踪的平稳性和跟踪精度。

本发明跟踪控制方法包括如下步骤：

(1)在太阳能热发电***启动跟踪信号有效时，进行槽式太阳能聚光器目标角度跟踪控制；

(2)通过角度计算公式获得跟踪的目标角度θ，利用位置传感器测得跟踪的实际角度θ'，两者相减得到角度差值△θ；

(3)根据角度差值△θ和角度差值的设定值△θ₀确定跟踪控制方式，若△θ>△θ₀，则执行步骤(4)，若△θ≤△θ₀，则执行步骤(5)；

(4)控制器控制槽式太阳能聚光器的电机以恒定转速v₀驱动槽式太阳能聚光器进行目标角度跟踪，执行步骤(2)，直至角度差值△θ小于等于设定值△θ₀；

(5)采用两点定标的控制方法，由时间瞬时值t计算出速度瞬时值v，并以此v值控制电机转速，驱动聚光器进行目标角度跟踪；

(6)重复步骤(2)至(5)，直至角度差值为零，电机停止。

与传统跟踪控制方法相比，本发明设定了跟踪角度差值和计时时间，采用了两点定标的控制方法，根据跟踪角度差值的大小自动调节跟踪速度，改变原有单一位置环的控制方式而加入速度环，实现双闭环控制，消除了跟踪过程中存在速度阶梯，导致跟踪角度难以控制，跟踪精度不足的缺点，提高了跟踪控制的平稳性。

根据角度差值的不同，本发明跟踪控制有两种工作状态：当目标角度和实际角度的差值△θ大于设定值△θ₀时，控制器控制电机以恒定转速v₀驱动聚光器跟踪目标角度，聚光器的实际角度逐渐接近于目标角度，角度差值△θ逐渐接近于设定值△θ₀；当角度差值△θ小于等于设定值△θ₀时，定时器从设定时间t₀开始计时直到0为止，并周期性的输出时间瞬时值t，控制器根据时间瞬时值t由速度计算公式v＝K₀·t计算出速度瞬时值v，并以此v值控制电机转速，驱动聚光器跟踪目标角度，直至速度瞬时值v为零，电机停止。其中，K₀是由恒定转速v₀和设定时间t₀确定的比例常数，即K₀＝v₀/t₀。

本发明利用两点定标的控制方法，根据时间瞬时值t，由线性计算公式确定速度瞬时值v，采用位置和速度双闭环控制方式，分别实现跟踪角度差值和跟踪速度向零点的线性趋近。

为保证跟踪效果并考虑跟踪的平稳性，设定角度差值和计时时间的参考值，分别记为△θ₀和t₀；参考值需根据工程经验和实际需要选取：参考值偏小，跟踪的实时性较好，因而跟踪效果较好，但***频繁启停而且加速度较大，难免造成跟踪的稳定性较差；参考值偏大，实际角度逐渐向目标角度接近，跟踪的平稳性较好，但跟踪过程相对较缓慢，跟踪的实时性较差，跟踪效果必然受到影响。

附图说明

图1是两种控制方法的速度曲线对比图；

图2是聚光器平稳跟踪示意图；

图3是跟踪角度差值与跟踪时间关系图；

图4是跟踪速度与跟踪时间关系图；

图5是本发明的跟踪控制流程图。

具体实施方式

如图5所示，本发明所述的应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法，具体实现步骤如下：

(1)定义槽式太阳能聚光器的自动跟踪控制方式：若目标角度θ和实际角度θ'的差值△θ大于零，则电机正转；若角度差值△θ小于零，则电机反转；若角度差值△θ等于零，则电机停止；

(2)根据稳定性和实时性等实际工程需要，设定角度差值的设定值△θ₀和计时时间t₀；

(3)检测太阳能热发电***的启动跟踪信号：当跟踪信号有效时，则进行槽式太阳能聚光器目标角度的跟踪控制，执行步骤(4)；当跟踪信号无效时，则结束跟踪控制；

(4)通过角度计算公式获得跟踪的目标角度θ，利用位置传感器测得跟踪的实际角度θ'，两者相减得到角度差值△θ；

(5)比较角度差值△θ和设定值△θ₀确定跟踪控制方式：若△θ>△θ₀，则进行电机恒转速控制，执行步骤(6)；若△θ≤△θ₀，则进行平稳跟踪控制，执行步骤(7)；

(6)控制器控制槽式太阳能聚光器的电机以恒定转速驱动槽式太阳能聚光器进行目标角度跟踪，执行步骤(4)，直至角度差值△θ小于等于设定值△θ₀；

(7)进入控制器的中断服务子程序；定时器从设定时间t₀开始计时，直到0为止，并周期性的输出时间瞬时值t；

(8)控制器由时间瞬时值t根据速度计算公式v＝K₀·t计算出速度瞬时值v，并以此v值控制电机转速，驱动聚光器跟踪目标角度；其中K₀＝v₀/t₀；

(9)判断速度瞬时值v：若v值为零，则电机停止，结束跟踪；若v值不为零，则执行步骤(8)，继续跟踪；

(10)重复执行步骤(3)～(9)。

为了加深对本发明的解释，下面结合参考附图对本发明作进一步的详述。该实施实例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示，图中实线为采用传统跟踪控制方法的速度曲线。当目标角度和实际角度的差值△θ大于设定值0.8°时，控制器控制电机以1000r/min的转速进行跟踪；当角度差值△θ位于0.5°和0.8°之间时，电机的跟踪速度为500r/min；当角度差值△θ小于0.5°时，电机的转速为100r/min；当角度差值△θ为零时，电机停止。由此形成速度的三级阶梯，不利于平稳控制，特别是当聚光器惯性较大时，容易形成控制振荡，聚光器反复偏转，从而影响跟踪精度和跟踪效果。

图1中虚线为采用本发明跟踪控制方法的速度曲线。当目标角度和实际角度的差值△θ大于设定值0.8°时，控制器控制电机以1000r/min的转速进行跟踪；当目标角度和实际角度的差值△θ小于等于设定值0.8°时，由相关公式计算出电机转速v并以此进行跟踪控制，直至角度差值为零，电机停止。

如图2所示，采用本发明跟踪控制方法，聚光器由当前位置A点逐渐移动到目标位置0点时，角度差值△θ和跟踪速度v均随时间t而变化，是时间的函数。本发明采用两点定标的控制方法，角度差值△θ和跟踪速度v均为时间t的线性函数，将三维坐标分解为二维坐标，即得到图3和图4所示的曲线。

如图3所示，当角度差值△θ逐渐减小时，时间t也逐渐减小，直至趋近于零。由此，角度差值△θ可表示为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0}{t_0}t---\left(1\right)$

如图4所示，当跟踪速度v逐渐减小时，时间t也逐渐减小，直至趋近于零。由此，跟踪速度v可表示为：

$v=\frac{v_0}{t_0}t---\left(2\right)$

在跟踪过程中，角度差值△θ和跟踪速度v同时随时间t而变化，即角度差值和跟踪速度趋近于零的时间相等，由计算公式(1)和计算公式(2)可得：

△θ·v₀＝v·△θ₀ (3)

在跟踪过程中，v₀为角度差值△θ未到达设定值△θ₀时的恒定转速，即为已知；△θ₀为角度差值的设定值，可根据实际工程设定。由计算公式(3)可知，跟踪的角度差值△θ和跟踪速度v相互关联，成正相关。

在计算公式(2)中，将比例因子记为K₀，则得到跟踪速度v的另一种表示：

v＝K₀·t (4)

在计算公式(4)中，时间t值由定时器计时并周期输出。当角度差值△θ小于等于设定值△θ₀时，触发控制中断进入服务子程序，定时器从设定时间t₀开始计时直到0为止，并周期性的输出时间瞬时值t；由计算公式(4)求得跟踪的速度瞬时值v，并以v值控制电机转速进行跟踪，直至v值为零，电机停止。

由计算公式(3)可以看出，当跟踪速度v改变时，角度差值△θ随v正相关变化。由于计时过程是个递减的倒计时过程，因此，整个过程中跟踪速度v不断减小，角度差值△θ亦不断减小。当时间t值为零时，速度瞬时值v为零，电机停止转动，角度差值△θ为零或近似为零(考虑误差)，实际角度接近目标角度，由此实现速度和角度的平稳跟踪。

Claims (4)

1.一种应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法，其特征在于所述的控制方法包括以下步骤：

(1)在太阳能热发电***启动跟踪信号有效时，进行槽式太阳能聚光器目标角度跟踪控制；

(2)通过角度计算公式获得跟踪的目标角度θ，利用位置传感器测得跟踪的实际角度θ'，两者相减得到角度差值Δθ；

(3)根据角度差值Δθ和角度差值的设定值Δθ₀确定跟踪控制方式，若Δθ>Δθ₀，则进行步骤(4)，若Δθ≤Δθ₀，则进行步骤(5)；

(4)控制器控制槽式太阳能聚光器的电机以恒定转速驱动槽式太阳能聚光器进行目标角度跟踪，执行步骤(2)，直至角度差值小于等于设定值；

(5)采用两点定标的控制方法，由时间瞬时值t计算出速度瞬时值v，并以此v值控制电机转速，驱动聚光器进行目标角度跟踪；

(6)重复步骤(2)至(5)，直至角度差值为零，电机停止。

2.根据权利要求1所述的应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法，其特征在于：当目标角度和实际角度的角度差值Δθ大于设定值Δθ₀时，控制器控制电机以恒定转速驱动槽式太阳能聚光器跟踪目标角度，实际角度逐渐接近于目标角度，角度差值Δθ逐渐接近于设定值Δθ₀；当角度差值Δθ小于等于设定值Δθ₀时，定时器从设定时间t₀开始计时直到0为止，并周期性的输出时间瞬时值t，控制器根据t值计算出速度瞬时值v，并以v值控制电机转速跟踪目标角度，直至v值为零，电机停止。

3.根据权利要求1所述的应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法，其特征在于：利用两点定标的控制方法，速度瞬时值v的获取由线性计算公式确定，采用位置速度双闭环控制方式，分别实现跟踪角度差值和跟踪速度向零点的线性趋近。

4.根据权利要求1所述的应用于槽式太阳能聚光器的平稳跟踪控制方法，其特征在于：为保证跟踪效果并考虑跟踪的平稳性，设定角度差值的设定值Δθ₀和设定时间t₀；角度差值设定值的设定和设定时间的选取需根据工程经验和实际需要：角度差值的设定值和设定时间偏小，跟踪的实时性较好，因而跟踪效果较好，但***频繁启停而且加速度较大，难免造成跟踪的稳定性较差；角度差值的设定值和设定时间偏大，实际角度逐渐向目标角度接近，跟踪的平稳性较好，但跟踪过程相对较缓慢，跟踪的实时性较差，跟踪效果必然受到影响。