李 潔 孔 浩 張 飛 劉 雅 白云舟

(內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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雙軸跟蹤系統(tǒng)在光伏電站的應用

李 潔 孔 浩 張 飛 劉 雅 白云舟

(內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

光伏電站組件多為固定角度安裝，很大程度上制約了整個電站的發(fā)電效率。為提高電站整體發(fā)電效率，提出將雙軸跟蹤系統(tǒng)應用于光伏電站。采用時控法與反饋修正法相結(jié)合的追蹤方式，主從控制器相配合的分散式與集中式相結(jié)合的控制方式，工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)級無線相結(jié)合的綜合式通信方式。理論分析和設(shè)計表明，該方法在保證最大發(fā)電效率的同時，減少了能量消耗，易于電站推廣應用。關(guān)鍵詞： 光伏電站 雙軸跟蹤系統(tǒng) 主從控制器 工業(yè)以太網(wǎng) 時控法 反饋修正法

Feedback correction method

0 引言

目前，化石能源日益緊縮，太陽能的利用越來越受關(guān)注[1]，國內(nèi)外加大了光伏電站的建設(shè)，然而絕大部分電站中光伏組件都是以最佳角度固定安裝，雖然這種安裝方式較其他角度安裝發(fā)電效率有所提高，但是光伏方陣總體發(fā)電量的提高還受太陽光入射角的制約，從而制約整個光伏電站的發(fā)電效率[2-3]。為了提高電站發(fā)電效率，本文提出了將雙軸跟蹤系統(tǒng)應用于光伏電站，控制過程中采用主從控制器相互配合的集中式與分散式相結(jié)合的控制方式，提高了整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。采用工業(yè)級以太網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信方式，不僅提高了整個系統(tǒng)的靈活性，而且大大減小了施工過程中的條件制約性，具有穩(wěn)定性好、靈活性強等優(yōu)點，適合在電站建設(shè)中大范圍推廣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 天文算法的選擇

時控跟蹤法的跟蹤精度很大程度上取決于天文算法的選擇[4]，綜合比較各種算法后，采用王炳忠提出的太陽赤緯角和Lamm提出的時差算法完成太陽位置的計算。

(1) 太陽高度角計算公式：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

式中:φ為系統(tǒng)所在地的地理緯度；δ為計算時刻的太陽赤緯角；ω為計算時刻的太陽時角。

王炳忠提出的赤緯角的計算公式[5-6]：

δ=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9sin2θ-

0.171 2sin3θ-0.758cosθ+

0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ

(2)

式中:θ為日角，由式(3)求得。

θ=2π(N-N0)/365.242 2

(3)

式中:N為積日，從歷年的第一天起連續(xù)累計的日數(shù)，N0由式(4)求得。

N0=79.676 4+0.242 2(year-1985)-

INT(year-1985)/4

(4)

式(1)中還涉及另一個參數(shù)ω，單位時間內(nèi)地球自轉(zhuǎn)的角度為時角，即15°/h，由式(5)求得。

ω=15°×(t-12)

(5)

由式(5)可以看出，12點時刻時角為0°，這就意味著中午12點為太陽高度角最大時刻，但是各個經(jīng)線上不同地區(qū)的地方時各異，計算當?shù)貢r間時，必須經(jīng)過精度修正[7]。由于2個區(qū)時相差1 h，經(jīng)度相差15°，所以經(jīng)度每差1°時差就是4 min[8]。除了經(jīng)度修正外，還需時差修正，時差的計算y由Lamm提出的計算公式[9]，由式(6)求得。

(6)

由此某地的地方時可由式(7)求得。

t=t當?shù)?Et

(7)

綜上所述，可求出任意緯度、任意時刻的太陽高度角。

(2) 太陽方位角計算公式：

(8)

由式(8)可以看出，此式有兩個解：正解意味著太陽方位角位于正南以西，負解意味著太陽方位角位于正南以東。

結(jié)合以上公式及地平坐標系下太陽運動軌跡模型，可以計算出地球上任意位置、任意時刻太陽位置。

1.2 跟蹤方案選擇

本系統(tǒng)采用時控法與反饋修正法相結(jié)合的控制方式，開始時，由當?shù)亟?jīng)緯度、實時時間，通過天文算法計算出當前太陽的高度角h及方位角γ。從控制器根據(jù)此信息通過程序處理后發(fā)出相應的脈沖、方向信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，使光伏組件快速對準太陽的理論位置，完成初步跟蹤。由于跟蹤過程中存在誤差，傾角儀采集光伏組件跟蹤后的角度并反饋給從控制器，然后從控制器判斷角度偏差是否在允許范圍內(nèi)，如果超出該范圍，控制器輸出相應的脈沖完成微調(diào)，使偏差角度達到偏差要求，偏差在允許范圍內(nèi)系統(tǒng)重復上述過程，完成整個跟蹤過程。

1.3 控制方式的選擇

目前主流的控制方式主要分為：集中式控制、分散式控制、集中式與分散式相結(jié)合的控制方式[10]，綜合比較以上種方法優(yōu)缺點及電站運行特點后，該系統(tǒng)采用主從控制器相互配合集中式與分散式相結(jié)合的控制方式。控制方式拓撲圖如圖1所示。

圖1 控制方式拓撲圖

如圖1所示，主從控制器相互配合組成了整個控制系統(tǒng)，主控制器采用比從控制器運算速度快、處理信息量大的CPU，主要完成對從控制器信息的傳輸，信號模塊信息采集，特殊天氣下的集控；每個從控制器完成太陽位置計算，逆變器發(fā)電量信息采集，響應反饋信息發(fā)出相應脈沖完成對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動，從而實現(xiàn)對太陽的追蹤。

1.4 通信方式的選擇

考慮到光伏電站面積大、布線比較困難的特點，本系統(tǒng)采用性價比較高的綜合式通信接入方案，采用無線和硬線結(jié)合的方式。

信號采集模塊與從控制器之間為硬線連接，逆變器與從控制器通過工業(yè)總線連接，從控制器之間的通信方式為硬線連接的Profinet網(wǎng)絡(luò)。主控制器之間、主控制器與上位機之間采用西門子工業(yè)級無線通信網(wǎng)絡(luò)。綜合式通信方式既可以減少有線式連接的施工費用，也可以靈活地確立通信方案，性價比較高。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由遠程監(jiān)控模塊、現(xiàn)場HMI模塊、跟蹤控制系統(tǒng)、無線通信模塊、信號采集模塊、驅(qū)動模塊及外圍電路組成。

遠程監(jiān)控模塊，完成對整個系統(tǒng)電能質(zhì)量及運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控；現(xiàn)場HMI模塊，實現(xiàn)對支架運行狀況進行本地組態(tài)顯示；跟蹤控制系統(tǒng)，由主從控制器組成，主控制器為西門子S7-1200CPU1217C，從控制器為CPU1214C，兩者相互配合保證了整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行；無線通信模塊，采用西門子SCALANCEW系列產(chǎn)品，是連接控制系統(tǒng)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)的橋梁；信號采集模塊，主要由總輻射傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、傾角儀組成，協(xié)助控制系統(tǒng)完成相應的控制策略；驅(qū)動模塊，為直流電機與減速器組成的推桿，帶動跟蹤支架轉(zhuǎn)動完成追蹤。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為兩個部分：自動跟蹤主程序、HMI程序設(shè)計。

3.1 自動跟蹤主程序設(shè)計

自動跟蹤主程序是在從控制器內(nèi)用SCL語言編寫并實現(xiàn)，完成太陽高度角及方位角的計算以及根據(jù)采集模塊采集到信息制定相應的控制策略，跟蹤流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

如圖2所示，開始時從控制器根據(jù)所在地地理信息計算出當天的日出日落時間，將該時間段做為設(shè)定值，然后讀取實時時間，判斷該時間是否在該時間段內(nèi)，如果不在則系統(tǒng)復位回到初始位置；若時間在該時間段內(nèi)，進一步讀取總輻射傳感器測得的總輻射值。當輻射值大于設(shè)定值(陰雨天輻射值)時，系統(tǒng)開始啟動追蹤，計算出太陽高度角及方位角，然后根據(jù)時間所處的時間段，按照方位角和高度角各自的跟蹤間隔模式來調(diào)整太陽能電池板陣列的位置。該動作完成后接收來自傾角儀的反饋值，將反饋值與理論值做差，判斷差值是否在允許的范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)則重復上述過程，如果不在范圍內(nèi)系統(tǒng)做出微調(diào)后回到正常的跟蹤模式下。如果輻射值小于設(shè)定值，系統(tǒng)延時后再判斷，當控制器接收到的輻射信號滿足要求時，系統(tǒng)重復上述過程。所有從控制器的控制策略相同，彼此相互獨立，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

特殊天氣下，通過遠程或本地監(jiān)控向主控制器發(fā)出相應命令，使光伏組件處于最佳受保護角度，減少整個電站光伏組件的損壞率。

3.2 HMI程序設(shè)計

隨著科技的飛速發(fā)展, 越來越多的機器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機界面[11]，本系統(tǒng)通過HMI程序設(shè)計完成對電站運行情況及發(fā)電量信息的遠程及本地監(jiān)控。監(jiān)控畫面涉及的信息比較全面，包括了某個支架運行情況、使用地的地理信息及該地實時太陽高度角及方位角、支架的實時發(fā)電量及總發(fā)電量、節(jié)能減排的效果等。HMI除具有實時監(jiān)測功能外，還可以實現(xiàn)簡單控制，包括順時針及逆時針對跟蹤角度的校正以及以任意角度進行手動調(diào)節(jié)。

4 運行結(jié)果分析

抽取某日某個時間段跟蹤數(shù)據(jù)，觀察跟蹤效果，理論值為計算公式計算所得值,實際值為跟蹤后傾角儀反饋值，運行結(jié)果如表1所示。

表1 運行結(jié)果

通過該時間段內(nèi)運行結(jié)果表明，高精度傾角儀及控制算法的應用使跟蹤精度穩(wěn)定在10%之內(nèi)，在保證跟蹤精度的前提下很大程度上提高整個電站的發(fā)電效率。

5 結(jié)束語

時控法與反饋修正法相結(jié)合的追蹤方式，實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制，高精度的太陽位置算法與傾角儀相互配合保證了整個系統(tǒng)跟蹤的精確度；主從控制器相配合的分散式與集中式相結(jié)合的控制方式，具備了開發(fā)成本低、開發(fā)周期短、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，很大程度上增加了整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)級無線相結(jié)合的綜合式通信方式，在減少前期施工量的同時增加了系統(tǒng)通信方案的靈活性。綜上所述，該系統(tǒng)非常適合在光伏電站內(nèi)大范圍推廣。

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Application of the Dual-axis Tracking System in Photovoltaic Power Station

The subassemblies in photovoltaic (PV) power station are mostly installed in fix angle, this largely restricts the power generation efficiency; in order to increase the overall generation efficiency of the power station, the application of dual-axis tracking system in PV power station is proposed. In the system, the tracking mode of combining time-control method and feedback correction method is used; and the master-slave decentralized and centralized control mode is adopted; as well as the combination of industrial Ethernet and industrial wireless communication mode is selected. The theoretical analysis and design show that this method can ensure the maximum generation efficiency and reduce the energy consumption at the same time, so it is easy to be promoted in application of power stations.

Photovoltaic power station Axis tracking system Master-slave controller Industrial Etherret Time-control method

李潔(1965-)，女，1994年畢業(yè)于北京科技大學自動化專業(yè)，獲碩士學位，副教授；主要從事新能源、工業(yè)過程控制的研究。

TP273;TH86

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601014

修改稿收到日期：2014-12-10。