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基于数字孪生的光伏跟踪支架控制系统研究

杨磊  
【摘要】:在光伏发电领域,使用跟踪支架减小光线照射在光伏组件上的入射角从而增加单位面积受光量是一种效果较好的增加光伏发电量的方式。大型光伏跟踪电站往往占地辽阔、环境恶劣、条件艰苦、人烟稀少,具有活动机构的跟踪支架在这样的环境中故障率较高。为了实现全生命周期内稳定、可靠、持续的发电,要求具备更高水平的维护保养能力。数字孪生技术具有实时同步、忠实映射、高保真度特性,利用数字孪生和交互式3D技术在虚拟场景中对跟踪支架的跟踪情况进行实时监测与控制成为一种提高运维效率和效果的选择。在上述背景下,本文基于数字孪生的理念和方法,以设计一套具有数字孪生效果的功能全面、普适性强的跟踪支架控制系统为目标进行研究。将该系统归纳为太阳跟踪功能和监控终端功能的集合,并将两功能的实现落实在跟踪支架控制器、监控通信终端和监控终端3个部分上,通过对每部分软、硬件的单独设计,最终完成了该系统的开发。本文首先对目前存在的多种跟踪支架进行介绍,确立了视日运动轨迹跟踪的跟踪方式,分析了跟踪动作控制指令的计算原理和方法。其次对比了多种通信方案,对跟踪支架控制器、监控通信终端的实现方案进行了设计,并且提出了适合光伏跟踪支架控制系统的数字孪生模型,完成了监控终端架构的构建。然后详细介绍了跟踪与通信功能涉及的硬件电路的设计,并使用FreeRTOS实时系统完成了跟踪支架控制器和监控通信终端的程序设计。之后给出了监控终端的整体框架结构,描述了虚拟场景的制作步骤,具体论述了人机交互方案的设计,以虚幻引擎4为主要开发平台,完成了监控终端的开发并介绍了监控终端的使用流程。最后测试了监控终端的运行效果,并通过搭建功能验证平台对完整系统的功能进行测试。通过以上研究,本文开发出了具有数字孪生效果的跟踪支架控制系统。该系统通用性强、跟踪精度高,配套的监控终端运行流畅、沉浸感强、交互完善。通过测试,整套系统可以在太阳跟踪过程中,将运行情况逼真的反馈到监控终端,人机交互效果自然、真实,满足了运维人员使用三维可视化界面巡视跟踪支架工作情况的设想,缩短了发现运行异常的时间,能够提高运维效率、降低劳动强度、改善工作条件。为数字孪生技术应用于光伏跟踪电站的日常运维提供了有效解决方案。


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