韋永蘭

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

目前，“碳中和”口號(hào)已經(jīng)唱響全球，綠色能源發(fā)展日趨重要。大型地面光伏電站將取之不盡用之不竭的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，并將其源源不斷地輸送至千家萬(wàn)戶，大大減少了碳排放，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益，預(yù)計(jì)將在“碳交易”中獲得較大的收益。

光伏發(fā)電發(fā)展之初，人們對(duì)光伏支架的不同安裝方式進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)：采用固定式支架安裝，電站占地面積小、易維護(hù)、投資較小，但發(fā)電量較小，回收期較長(zhǎng)；而采用跟蹤式支架，則占地面積大，維護(hù)量較高，投資也相對(duì)較大，但發(fā)電量較大，回收期較短。而為數(shù)不多的大型光伏跟蹤電站因其軟硬件的配置不一，控制方式和控制邏輯多樣化，存在的問(wèn)題也各不相同，因此業(yè)內(nèi)人士對(duì)跟蹤式光伏電站多持懷疑、謹(jǐn)慎的態(tài)度。

光伏發(fā)電項(xiàng)目生命周期長(zhǎng)、一次性投資大、品質(zhì)形成鏈?zhǔn)江h(huán)節(jié)復(fù)雜、不確定因素多，有關(guān)跟蹤式光伏電站的控制系統(tǒng)技術(shù)的工程實(shí)踐總結(jié)更是空白，這也是人們質(zhì)疑跟蹤式光伏電站綜合效益及阻礙跟蹤技術(shù)發(fā)展的主要原因之一[1]。本文以寧夏某30 MW大型地面跟蹤式光伏電站為例，對(duì)智能化跟蹤控制系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行工程實(shí)踐總結(jié)研究，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 跟蹤式光伏電站的控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工程概述

項(xiàng)目地點(diǎn)位于寧夏中衛(wèi)市某荒灘地，基本無(wú)植被生長(zhǎng)，地面開(kāi)闊，屬于太陽(yáng)輻射資源豐富的地區(qū)。全站太陽(yáng)能電池組件為全跟蹤式支架安裝，共分為28個(gè)光伏陣列，平均單個(gè)光伏陣列裝機(jī)容量為1.071 4 MW，每個(gè)光伏陣列設(shè)2個(gè)逆變子單元，即每個(gè)光伏陣列配置2臺(tái)500 kW的逆變器，實(shí)際裝機(jī)容量為30 MW。

項(xiàng)目于2012年1月1日并網(wǎng)成功，于2012年5月正式完成跟蹤控制系統(tǒng)的整體試車(chē)并投入使用。

1.2 跟蹤控制系統(tǒng)的構(gòu)成

在電站中心控制室內(nèi)設(shè)全站跟蹤系統(tǒng)中心控制系統(tǒng)，每個(gè)光伏陣列逆變器室內(nèi)設(shè)置子陣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全站智能化追日跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心控制系統(tǒng)與各子陣控制系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立又互相統(tǒng)一。中心控制系統(tǒng)主要起到采集氣象數(shù)據(jù)、同步各子陣控制系統(tǒng)的控制器時(shí)鐘，以及對(duì)各子陣控制系統(tǒng)下發(fā)“一鍵式”整體指令，確保所有跟蹤支架安全性等作用，是全站各跟蹤分控系統(tǒng)的智能“中心大腦”。

全站分為28個(gè)跟蹤控制陣列單元，形成28個(gè)分控系統(tǒng)，每個(gè)分控系統(tǒng)既可以單獨(dú)對(duì)各自陣列跟蹤支架進(jìn)行追日跟蹤控制，又可以控制跟蹤支架面板在雪天進(jìn)行自清潔維護(hù)，也可接收中心控制器下發(fā)的指令對(duì)所有光伏支架進(jìn)行統(tǒng)一的安全保護(hù)控制。

2 跟蹤式光伏電站的控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 機(jī)械特點(diǎn)

本工程采用中國(guó)恩菲自主設(shè)計(jì)的跟蹤支架——8°微傾角單軸柔性聯(lián)動(dòng)跟蹤支架技術(shù)，由一臺(tái)交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一組并排設(shè)置并通過(guò)柔性聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)連接的8°傾角單軸跟蹤支架(6～8個(gè))，每個(gè)跟蹤支架安裝4行×10列太陽(yáng)能電池組件，如圖2所示。

圖2 跟蹤支架結(jié)構(gòu)

2.1.1 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

從性能上看，采用8°傾角跟蹤支架可以獲得更好的季節(jié)性發(fā)電收益，并減少占地面積，且通過(guò)柔性聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)連接，降低了剛性聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)因大風(fēng)天氣導(dǎo)致的共振帶來(lái)的整組帆板承受力；從成本上看，采用8°傾角跟蹤支架大大節(jié)省了剛性聯(lián)接所需的鋼材量，從而節(jié)省了投資成本。

2.1.2 技術(shù)缺點(diǎn)

采用8°傾角跟蹤支架，每年需增加定期緊固柔性裝置的人工維護(hù)費(fèi)，但是這一部分費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由此節(jié)省下來(lái)的投資成本以及大風(fēng)天氣造成的損失的總和。

2.2 控制特點(diǎn)

2.2.1 控制陣列布置

本工程采用基于PLC控制器的用戶程序跟蹤控制方法：每個(gè)1 MW光伏陣列單元為一個(gè)子陣控制單元，并配置一套PLC控制系統(tǒng)，整套PLC控制柜布置于相應(yīng)的單元逆變器室中，每套PLC子陣控制系統(tǒng)根據(jù)單元裝機(jī)容量控制13～18組太陽(yáng)能電池組件跟蹤支架。

采用以上配置，一方面可進(jìn)行同步跟蹤，使得單元光伏逆變器每個(gè)回路的輸入電壓因輻照度及輻照角度造成的微小偏差值最小，從而獲得最佳輸入電壓，減少電能的損耗，提高發(fā)電量；另一方面便于維護(hù)，以光伏陣列單元作為子陣控制系統(tǒng)單元便于維護(hù)人員辨識(shí)，在逆變器配套的監(jiān)控系統(tǒng)不夠充足的條件下更容易在光伏跟蹤系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺(tái)上查找故障原因，例如因跟蹤支架故障導(dǎo)致的逆變器輸出功率降低。

2.2.2 控制邏輯

每組太陽(yáng)能電池組件跟蹤支架采用8°微傾角單軸智能聯(lián)動(dòng)控制方式，即一個(gè)電機(jī)拖動(dòng)多個(gè)8°微傾角的太陽(yáng)能電池組件支架。采用此種方式，是追求經(jīng)濟(jì)與實(shí)用性能相結(jié)合，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得到的產(chǎn)出與投入比最高的途徑[2]。

本案例電站工程控制采用的是中國(guó)恩菲自主研發(fā)的用戶程序跟蹤方式，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 控制邏輯

本案例電站采用自主研發(fā)的創(chuàng)新時(shí)控跟蹤邏輯：基于天文公式，通過(guò)自主研發(fā)的邏輯算法自動(dòng)計(jì)算電站每天的日照時(shí)長(zhǎng)，按照最優(yōu)綜合收益比，舍棄日出后及日落前兩小時(shí)的弱光照強(qiáng)度的發(fā)電量，將最佳跟蹤日照時(shí)長(zhǎng)劃分為N個(gè)跟蹤間隔，結(jié)合電機(jī)跟蹤行程的固定時(shí)間參數(shù)，計(jì)算得出每臺(tái)電機(jī)的每日跟蹤時(shí)間間隔以及相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，從而控制太陽(yáng)能電池組件帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.2.3 控制模式

本案例電站采用的控制方法由多條件下不同跟蹤模式的算法設(shè)定。

1)東啟模式：跟蹤支架的跟蹤以水平位置為起點(diǎn)，在日出后預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)采用相同時(shí)間間隔啟動(dòng)電機(jī)至設(shè)定的跟蹤角度(正常跟蹤模式的啟動(dòng)位置)。

2)正常跟蹤模式：當(dāng)東啟模式結(jié)束后，支架將啟動(dòng)正常的追日跟蹤模式——根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得跟蹤太陽(yáng)入射光線始終落于微傾角法向平面內(nèi)，直到轉(zhuǎn)至西向跟蹤角度的極限位置。

3)夜返模式：在日落前的預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)啟動(dòng)返回水平位置的控制程序，以避免太陽(yáng)落下前的光影遮擋，以此獲得最大的余光收益，提高電站的日發(fā)電量。

4)大風(fēng)模式：整個(gè)控制系統(tǒng)通過(guò)追日跟蹤智能監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站風(fēng)速。當(dāng)電站環(huán)境風(fēng)速高于設(shè)定安全閾值時(shí)，調(diào)平支架，以確保安全；當(dāng)風(fēng)速小于一定值時(shí)，可通過(guò)控制算法使跟蹤支架重新進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。

5)保護(hù)模式：同時(shí)，程序中加入了雙重角度限位保護(hù)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作得到充分的保護(hù)，保障執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命；利用角度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤支架的運(yùn)行方位角，以確保位于中控室的運(yùn)維人員通過(guò)追日跟蹤光伏系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

3 跟蹤控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)計(jì)分析

3.1 先進(jìn)的電站管理理念

在電站設(shè)計(jì)之初，就以“少人值守”智能化跟蹤式光伏電站為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在電站建設(shè)之初，便考慮了追日跟蹤控制系統(tǒng)的智能監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)，使得電站值班人員可以通過(guò)操作工作站實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境條件，如風(fēng)速以及太陽(yáng)輻照度等，每組跟蹤支架的運(yùn)行狀態(tài)、啟停、旋轉(zhuǎn)的方位角度、故障報(bào)警等，使追日跟蹤控制系統(tǒng)易于維護(hù)。

同時(shí)，電站值班人員可通過(guò)智能監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程操作任意一組跟蹤支架，使其在需要維修、清洗以及故障修復(fù)調(diào)平時(shí)無(wú)需人工就地操作，大大節(jié)省了人力支出。

3.2 設(shè)計(jì)周全的硬件系統(tǒng)

電站設(shè)計(jì)之初為節(jié)約用地以及投資，不單獨(dú)設(shè)PLC控制室，PLC控制柜需整體布置到逆變器室中。為避免強(qiáng)電信號(hào)干擾及強(qiáng)電沖擊導(dǎo)致控制器的損壞，在PLC的供電電源輸入端配置了小型電氣隔離裝置。

經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)行實(shí)踐，截至目前，裝機(jī)容量30 MW的電站28個(gè)逆變器室中的28套PLC控制系統(tǒng)供電電源穩(wěn)定，信號(hào)輸入清晰，極大減少了電網(wǎng)的沖擊以及電磁干擾。

3.3 創(chuàng)新安全的控制邏輯

本電站的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)年限為至少25年，因此設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定的控制邏輯是必要的。

1)設(shè)計(jì)合理的電機(jī)啟動(dòng)間隔，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。本電站采用了近500臺(tái)跟蹤支架驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果每次跟蹤啟動(dòng)都同時(shí)進(jìn)行，有可能對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，降低電網(wǎng)的質(zhì)量，也影響發(fā)電量從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益的減少。為降低這種可能性，設(shè)計(jì)之初便將子陣單元的所有電機(jī)啟動(dòng)分成了5組，每組啟動(dòng)設(shè)置了合理的啟動(dòng)間隔，確保每次跟蹤啟動(dòng)分組分步啟動(dòng)到位。實(shí)踐證明，這樣的考慮保障了電站電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，至目前尚未發(fā)生任何因電機(jī)啟停沖擊造成電網(wǎng)擾動(dòng)的現(xiàn)象。

2)不依賴角度傳感器或光照度傳感器的高精度控制邏輯。整個(gè)追日跟蹤控制邏輯依賴電機(jī)特性及地理位置計(jì)算跟蹤角度，定位誤差在3%以內(nèi)。一組跟蹤支架僅配置一個(gè)角度傳感器，而角度傳感器僅僅起到監(jiān)控支架旋轉(zhuǎn)角度的作用，不作為跟蹤角度的閉環(huán)反饋。不采用光照傳感器，是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度不穩(wěn)定，容易造成系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)或者跟蹤誤差增大，所以設(shè)計(jì)的追日跟蹤控制邏輯不依賴角度傳感器或光照度傳感器，可最大程度確保跟蹤系統(tǒng)在任何天氣下都能追隨太陽(yáng)方位角，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的效果。

實(shí)踐證明，不依賴外部傳感器，追日跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，盡管犧牲了一定的跟蹤精度，但是卻節(jié)省了大量的傳感器，也減少傳感器帶來(lái)的不確定性以及電機(jī)頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致的損耗。

4 跟蹤式光伏電站與固定式光伏電站的對(duì)比

在案例跟蹤式光伏電站的一墻之隔安裝了相同裝機(jī)容量的固定式地面光伏電站，其支架安裝傾角為站點(diǎn)地理位置最佳傾角，兩個(gè)電站2019年月發(fā)電量如圖4所示。

為了獲得允許上網(wǎng)的最大裝機(jī)容量，跟蹤式光伏電站的跟蹤支架的布置因場(chǎng)地限制，設(shè)計(jì)的時(shí)候犧牲掉一部分發(fā)電量，因此整體電站設(shè)計(jì)的南北間距并未按照最佳距離進(jìn)行布置，但是通過(guò)圖4的對(duì)比分析可知，跟蹤式光伏電站仍然比相同裝機(jī)容量的固定式光伏電站獲得更大的發(fā)電量，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

究其原因?yàn)椋?)寧夏的夏秋兩季為用電高峰期，限電較少，而跟蹤式光伏電站恰恰在春秋兩季的發(fā)電量遠(yuǎn)大于固定式光伏電站，相反，固定式發(fā)電量較高的冬春兩季為寧夏用電低峰期，限電率較高；2)太陽(yáng)能電池組件表面積灰或積雪會(huì)造成發(fā)電量的損失，長(zhǎng)期運(yùn)行后，固定式支架落灰積雪量往往比跟蹤式支架大(支架旋轉(zhuǎn)可以減少積灰積雪)，只能依賴于人工清洗。

相對(duì)于固定式光伏電站，跟蹤式光伏電站有著不可替代的優(yōu)勢(shì)：

1)由于跟蹤方式下的太陽(yáng)能電池面板始終與太陽(yáng)光線形成最佳入射角，因此該模式下的光伏發(fā)電曲線更為穩(wěn)定平和[2]，更適應(yīng)電網(wǎng)的入網(wǎng)要求，對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響小于固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率更高。

2)跟蹤支架太陽(yáng)能電池組件不易積灰積雪，減少人工清洗量，發(fā)電量更高，維護(hù)更容易。

3)跟蹤支架減少了荒灘地的蒸發(fā)量，同時(shí)使牧草獲得充分的光照和適量的遮擋，有效地改良了土地植被，同時(shí)支架底部空間充裕，為牧羊提供了天然的優(yōu)勢(shì)基地，同時(shí)獲得良好的光- 農(nóng)互補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略中具有重要地位。

中國(guó)恩菲自主研發(fā)的應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能追日跟蹤控制系統(tǒng)無(wú)論跟蹤性能、可靠性、穩(wěn)定性方面都頗具優(yōu)勢(shì)：一是控制程序采用時(shí)序間隔控制方式，可以控制追日跟蹤誤差小于3%；二是由于跟蹤控制方式并不依賴于外部傳感器，因此控制系統(tǒng)幾乎不受外界條件擾動(dòng)，跟蹤性能可靠；三是跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行更穩(wěn)定；四是無(wú)需頻繁啟動(dòng)跟蹤電機(jī)，從根本上延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命；五是整體控制邏輯合理，減少了大量電機(jī)啟停對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

該系統(tǒng)在寧夏大型跟蹤光伏電站的成功應(yīng)用以及近10年的穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，智能化追日跟蹤控制系統(tǒng)構(gòu)建方便可靠，真正實(shí)現(xiàn)了低碳效應(yīng)，顯著提高了生產(chǎn)可靠性和新能源發(fā)電企業(yè)綜合自動(dòng)化水平，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。