一种光伏发电自动跟踪控制方法的研究.doc

一种光伏发电自动跟踪控制方法的研究摘要：提高光伏发电效率的一种重要途径是设计自动跟踪的光伏发电系统，本文针对已有的光伏跟踪控制方法的缺陷与不足，考虑到执行电机在转动时间内对太阳位置角度的变化与跟踪误差范围的预测与控制，提出了一种改进型的间歇跟踪控制方法，并通过理论分析与Matlab/Simulink仿真结果验证了其可行性。关键字：自动跟踪，间歇跟踪，仿真Abstract：A kind of important way to improve the efficiency of PV power generation is to design an automatic tracking system of the PV modules. In this paper, aiming at the defects and shortcomings of the existing tracking control method, an improved intermittent tracking method is proposed, in which the actuating motors rotating takes into account of the position changes of the sun angle and the tracking error range in the rotation time. The feasibility is demonstrated by the theoretical analysis and the simulation results.Key words：Automatic tracking, intermittent tracking, Simulation0 引言太阳能光伏发电产业是当今世界发展速度最迅速的行业之一，为了解决未来能源危机和生态环境恶化，实现可持续发展，世界各国都将光伏发电作为新能源与可再生能源发展中的重点。但目前太阳能光伏发电的一个应用瓶颈就是发电效率低，很大程度上制约了光伏发电的应用和发展。研究发现，在光伏发电系统设计中，光伏组件的安装形式与放置角度对其接收太阳辐射有很大的影响1-2。在光伏电池组件能量转换效率一定的情况下，提高光伏发电效率的一种重要可行的途径是设计光伏组件的自动跟踪。自动跟踪是指太阳升起后根据太阳的高度与方位的变化，调整太阳能光伏组件的偏转角度来跟踪太阳的运行轨迹，使太阳的入射光线尽量垂直照射到太阳能电池板上，从而最大限度地接收太阳辐射能量。据试验得知，同等环境条件下，相同功率的电池组件采用自动跟踪式比固定式安装的光伏发电系统的发电量提高25%以上3-4。 1太阳位置计算太阳能跟踪系统形式多样，根据跟踪方式的不同可以分为光电跟踪与视日运动轨迹跟踪两种方式，在光伏发电跟踪系统中，一般采用视日运动轨迹跟踪。视日运动轨迹是指根据地理位置与实时时间计算出太阳的位置参数，通过计算机控制电机转动，驱动跟踪装置进行轨迹跟踪。地平坐标下，太阳位置可以由高度角与方位角两个量进行描述5。1.1太阳赤纬角太阳光线与地球赤道面的夹角称为赤纬角，记为，一年之内始终在2327间进行变化，太阳赤纬角度随时间的变换规律可以根据Cooper方程6来计算： （1）1.2太阳时角太阳时角是与时间相关的太阳角度，记为。太阳每小时转动15的经度角，正午时，每隔一小时增加15，上午为负，下午为正，可以用式（2）来计算： （2）其中，为当前小时数，为分钟，为秒钟。实际上，时角是一个与真太阳时有关的物理量，计算真太阳时与当地所在经度有关，但是在光伏跟踪系统中，计算时角所用的太阳时用平太阳时替代，一般不考虑经度对时角所产生的影响。1.3太阳高度角太阳高度角为太阳光线与地平面的夹角，记为，可以用式（3）进行计算：（3）其中，为地理纬度；为太阳赤纬角；为太阳时角。1.4太阳方位角太阳方位角是指太阳光线在地面上的投影线与南北方向线间的夹角，记为，可以用式（4）进行计算： （4）其中，为太阳高度角，为地理纬度；为太阳时角；为太阳赤纬角。由式（3）、（4）可以看出，太阳角度的变化规律与安装地地理纬度与所处时间有关，一年之中不同日期及一天之中不同时间，变化规律都有所不同，具有较强非线性。 2跟踪控制方法为了获得较好的跟踪效果，减小控制系统的耗能量，光伏发电跟踪系统一般采用间歇型跟踪方法进行控制。间歇跟踪是指执行电机满足一定的条件下，转动到控制系统的指定位置，其余时间内电机保持静止的运动控制方法。2.1间歇跟踪控制方法的改进在以往的太阳能跟踪控制系统的设计中，间歇跟踪方法的实现方式大都是这样实现的：电机的运动的前提条件是固定的时间间隔，即执行电机在跟踪时间内，每隔时间转动一次，从而带动跟踪器的水平轴或垂直轴调整到与当前太阳运行所在位置的高度角与方位角保持一致。间隔时间内跟踪系统的跟踪双轴保持固定，而执行电机也保持静止状态，如此往复循环，实现太阳能跟踪系统的间歇控制。然而这种实现方式有两个弊端：首先，它忽略了电机转动过程的时间。无论电机采用匀速运动还是加速运动方式，电机运动到指定位置总是需要一定的执行时间，在这个时间段内，太阳的位置也在变化，因此当电机运动到控制指令发出时太阳所在的位置时，太阳已经运动到另外一个位置上，这就导致了跟踪系统在跟踪范围内一直滞后（正向跟踪时）或一直超前（反向跟踪时）于太阳位置，也就是说，太阳入射到跟踪系统的电池板的入射角会一直大于0，这在一定程度上降低了跟踪系统的跟踪效率。其次，跟踪误差范围难以预测与控制。由太阳高度角与方位角的计算公式可知，跟踪系统的双轴的运动规律在不同的时间段是不同的，因此在电机运动的时间内，太阳角度的变化也是不同的，这就导致了当电机运动到指定位置时，跟踪系统的双轴与太阳位置角度之间的差值的变化规律也是不定的，运动过程中的误差就更加难以计算。本文综合考虑光伏发电系统的跟踪系统的精度与能耗的要求，在原有的间歇跟踪方法的基础上，提出了一种改进型的间歇跟踪方法。跟踪控制方法的基本原理如图1所示。图1 跟踪控制方法原理示意图图中，表示跟踪系统前一时刻所处的位置角度，表示电机带动跟踪系统转动之后所处的位置角度，与表示转动前后太阳所处的位置角度，为跟踪系统双轴驱动电机转动的触发条件，即当太阳位置角度与跟踪系统的位置角度差值大于等于时，驱动电机进行转动从而带动跟踪器进行太阳跟踪。考虑到执行电机在转动时间内太阳位置角度的变化，引入跟踪修正量，即满足跟踪系统运动的触发条件后，跟踪控制系统驱动执行电机带动角度轴在时间内转动角度量的行程，并一直保持到下一次误差大于等于，跟踪时间中重复上述过程，从而实现了跟踪系统的间歇控制方法。每次控制电机多转动角度量，既能避免电机的连续转动，造成电能的不必要的损耗，同时也改善了以往间歇跟踪方法的太阳入射到跟踪系统的电池板的入射角会一直大于0的问题，使跟踪系统静止的时候更多的太阳入射角为零的情况发生，从而对提高太阳能电池板接收的太阳辐射量，提高光伏发电系统的发电量有很大的帮助。2.2参数讨论为了确定修正值，本文进行如下讨论，电机运动到指定位置时太阳位置角度与跟踪系统的位置角度差值如式（5）所示： （5）假设忽略电机的转动时间，考虑其极限情况，即趋近与零时，角度的差值如式（6）所示：（6）由上式可以看出，忽略电机转动时间，电机转动到指定跟踪位置时，跟踪系统的位置角度与太阳的角度差值有，若，这样就满足了跟踪系统执行电机的转动的触发条件，电机便立即开始转动，这样就违背了间歇跟踪方法的设计原则，显然，。正常情况下，即电机的转动时间不为0，跟踪系统的位置角度与太阳的角度差值，因此，正常跟踪情况下，可以等于。综上可知，理论情况下，。根据工程经验，值的选择不宜过大或过小，过大会导致跟踪时间内角度误差值增大，过小会导致电机转动频率增大，因此工程中一般取。3跟踪控制规律仿真分析3.1控制效果仿真分析为了验证间歇跟踪方法的可行性，直观跟踪系统的控制效果，下面选取，选取典型日期冬至日时采用该间歇跟踪控制方法的跟踪效果进行仿真，仿真过程中忽略电机转动所耗用的时间，即假设，并且修正值也取得的极限状态，仿真的采样间隔为144s，得到冬至日的高度角与方位角的跟踪仿真曲线如图2所示。由于设计中跟踪系统的启动条件为高度角大于或等于20，从图中仿真曲线还可以明显地看出，跟踪系统的运动轨迹围绕着太阳的运动轨迹变化，并且跟踪时间内，电机运动到指定位置后，等待下一个触发条件的到来时，跟踪系统的位置与太阳位置有完全重合的状态点，随后角度误差逐渐增大，等待下一个电机运动的时刻。同时由图2可以比较出高度角与方位角跟踪规律的区别：高度角的角度正午之前是一直增大的，而正午过后开始减小，变化趋势相对于正午时分对称，正午时高度角变化虽快，但变化的幅度不大，因此其角度变化频率在正午时达到最小，越靠近日出日落时分角度变化的幅度越大，因此电机动作的频率也会加快。而方位角的变化一直为增大趋势，靠近正午时，角度变化加快，电机跟踪频率也加快。9101112131415-20020时间(小时) 跟踪角度计算角度方位角(度)9101112131415202224262830323436时间(小时) 计算角度跟踪角度高度角(度)（a）高度角跟踪曲线（b）方位角跟踪曲线图2跟踪仿真曲线 3.2误差分析9.51010.51111.51212.51313.51414.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时间(小时)高度角(度)由前面分析可知，改进后的间歇跟踪方法的跟踪误差取决于、与电机转速，由于仿真时忽略了电机的运行过程，因此跟踪误差曲线走势取决于前两者，跟踪系统运行时误差仿真曲线如图3所示。9101112131415-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时间(小时)方位角(度)（a）高度角误差曲线（b）方位角误差曲线图3 误差仿真曲线可以看出，跟踪时间内，跟踪系统双轴的位置角度与太阳位置角度的误差保持在与之间，并且误差曲线经过0线。4结论通过对采用间歇跟踪方法的跟踪系统的跟踪轨迹仿真曲线与误差仿真曲线的分析，跟踪系统的轨迹曲线与太阳的运动轨迹曲线基本吻合，误差也在可控的范围内，可以证明改进后的间歇控制策略是可行的。在具体的跟踪控制系统的设计中，应综合考虑工程需求与性价比等因素，选取合适的执行电机转动的触发条件、转动角度修正值及选取与系统相匹配的电机转速。参考文献1 Mousazadeh H, Keynani A, Javadi A, et al. A review of principle and sun tracking methods for maximizing solar system output J. Renewable and sustainable Energy Reviews, 2009, 13(8): 1800-1818.2 Wenjam S R, Green M A. Applied photovoltaics M. Shanghai：Shanghai jiaotong university press, 2008: 85- 100.3 余海.太阳能利用综述及提高其利用率的途径J.新能源研究与利用，2004，7(3)：34- 37.4 Salah A. The effect of using sun tracking systems on the voltage current characteristics and power generation of flat plate ph