大型光伏电站太阳自动追踪系统的设计及应用

陈 冲，姜春宝，耿晓明

(1.重庆川仪股份有限公司，重庆 400700；2.中华人民共和国惠州海关，广东 惠州 516006)

0 引言

光伏发电作为太阳能利用的主要形式之一，在全球得到了广泛应用[1]。目前，光伏发电系统多采用固定安装方式，但由于太阳能存在光照间歇性和方向周期变化的特点，导致太阳能发电效率不高[2]。另外，光伏电站所处的气候环境各异，在设计时需要考虑抵御各种自然灾害(如大风、大雪、扬尘等)。本文通过对光伏发电自动追踪系统的技术和应用现状进行综合分析，设计了一种基于视日运动轨迹追踪的平单轴太阳自动追踪系统，在有效提升发电效率的同时，实现了低成本控制和提升光伏电站的气候适应能力。

1 光伏电站自动追踪技术发展概述

比较常见的太阳能自动追踪方式有光电检测追踪和视日运动轨迹追踪[3]。

光电检测追踪[4]是一种闭环的随机系统，主要利用光敏传感器对太阳光进行检测，控制伺服系统动作，调整角度使追踪装置对准太阳，完成追踪[5]。光电检测追踪的优点是追踪灵敏度高、结构设计较简单；缺点是受天气等影响比较大，可能会导致执行机构误动作。

视日运动轨迹追踪[6]是一种开环的程控系统，基于当前时间和当地经纬度计算太阳的高度角、方位角等信息，控制执行机构进行追踪[7]。该方法的优点是追踪与太阳光线强度无关，不受天气、灰尘覆盖等影响，但精度没有光电追踪高。光伏电站追踪系统根据轴数可分为单轴和双轴[8]两种。单轴追踪的入射光线不能始终与主光轴平行，会导致发电效率偏低，但由于结构简单而比较常用。单轴跟踪系统根据转轴的方位可以分为平单轴跟踪、倾斜单轴跟踪和竖直单轴跟踪三种。其中，平单轴跟踪系统主要针对大型电站建设，性价比较高，广泛应用于低纬度地区。该系统的特点是只需采用一套驱动装置和控制器就可以使整个阵列实现自动跟踪，采用联动式结构，系统可靠性高，维护成本低，同时能够对各种天气(雨、雪、大风等)进行自动识别和保护。

本文主要针对大型光伏电站，从发电效率、安装成本、日常维护等因素综合考虑，采用平单轴跟踪系统。同时，采用集中控制的方式，由控制主站统一完成工作模式判断、光伏板角度计算等工作，发送控制指令到每个分站执行，从而有效降低控制系统成本。

2 自动追踪系统设计

2.1 系统架构

太阳自动追踪系统架构如图1所示。

图1 太阳自动追踪系统架构图Fig.1 The architecture diagram of solar automatic tracking system

每个光伏电站由一个集中控制主站和若干个控制分站构成。

集中控制主站是整个光伏电站的控制中心。上行通信连接至互联网，可以进行光伏电站远程监控和数据查询等工作。下行通信通过433 MB频段的无线通信连接至若干个控制分站，主站与分站之间的通信协议使用成熟的Modbus RTU协议栈。控制中心集成全球定位系统(global positioning system,GPS)模块、照度、风速风向、积雪厚度、雨量等传感器，用于计算和判断当前控制模式，并周期下发至控制分站，同时完成分站定时巡检、发电量统计等工作。控制分站用于通过无线通信接收主站发送的控制指令，驱动电机完成光伏板的角度调节，同时反馈光伏板的角度、工作状态等信息。

2.2 主要算法及工作模式

①太阳追踪算法。

正常的太阳追踪算法是通过周期性调节转动轴电机的角度，保持太阳能电池板与太阳照射方向垂直。角度通过计算太阳的高度角和方位角获得[9]。

太阳高度角α和方位角β的计算公式为：

α=arcsin(sinq×sinr+cosq×cosr×cost)

(1)

(2)

式中：q为当地的纬度，可由GPS设备获得；t为太阳时角，等于当时的时间与中午12点的小时数差值乘以15°；r为太阳赤道纬度角。

r的计算公式为：

(3)

式中:T为当年的天数，即从当年1月1日算起，计算到当时的天数。

②逆向跟踪阴影躲避算法。

逆向跟踪示意图如图2所示。

在早晨和傍晚时，由于太阳光线与地面夹角较小，当光伏阵列的间距比较小时，会在相邻组件上留下阴影，如图 2(a)所示。这将降低发电效率，并且可能导致光伏模块产生热斑效应而缩短寿命。因此，可以通过逆向跟踪算法来消除阴影遮挡的影响。

图2 逆向跟踪示意图Fig.2 Reverse tracking diagram

此时，需要调节光伏板角度，避免遮挡临排光伏组件。已知θ、L、W，求夹角γ：

(4)

③主要工作模式。

工作模式即光伏板角度的调节方式，按控制方式分为手动模式和自动模式。手动模式下，由操作员手动控制光伏板角度；自动模式下，由主控站根据实际情况自动判断当前的运行模式。自动模式分为正常追踪模式、逆向跟踪模式、夜间模式、阴天模式、大风保护模式、积雪模式和清洗模式等。

在正常情况下，白天运行正常追踪模式，早晚运行逆向跟踪模式。若检测到风速超过一定阈值，且风向基本与轴向垂直，则进入大风保护模式，中间一排水平，两边成八字形，降低光伏板风阻。当检测到光伏板上积雪厚度(通过物位计检测)超过3 cm或大雨时，进入积雪模式或清洗模式，光伏板呈最大倾角放置。

2.3 主控站设计

主控站的控制算法和数据处理采用工业控制计算机实现，外接UM402无线通信透传模块、GPS模块、照度、风速风向、积雪厚度、雨量、电量统计等传感器。其中，GPS模块用于获取经纬度和时间，照度、风速风向、积雪厚度和雪量传感器等用于综合判断当前气候情况。主控站周期性地通过时间、经纬度地理信息和气候情况确定当前控制模式，根据控制模式计算光伏板的角度，并将时间、角度等数据下发至控制子站。

控制模式判断流程如图 3所示。

图3 控制模式判断流程图Fig.3 Control mode calculating flow chart

控制模式由控制条件和执行内容组成。控制条件即控制模式成立的判断逻辑，执行内容即各控制子站光伏板的角度。用户可以对每个模式下各子站光伏板的位置进行设定，同一时刻只能有一种控制模式执行。主控站软件默认集成了正常追踪、逆向跟踪、夜间模式、大风保护和清洗等模式。用户可以选择是否启用除正常追踪以外的模式，也可以通过脚本添加或编辑自定义用户模式。

除此之外，主控站软件还完成用户手动操作、子站分别控制和数据查询、数据统计显示等工作。

2.4 控制子站设计

控制子站的通信、电机控制和数据采集处理采用Microchip的PIC18F45单片机实现。光伏板的角度控制采用无刷直流电机，位置传感器采用霍尔元件，具有结构简单、性能可靠等优点。当单片机接收到控制子站的光伏板角度控制指令后，计算目标电机位置，并结合当前的电机角度位置控制电机动作。控制子站的控制支持本地操作和远程操作。

3 应用情况

该系统研发完成后，为便于调试和进行自动追日系统的对比测试，在公司生产大楼屋顶(地理坐标：106.499 13,29.619 268)建设了两套试验测试装置，分别采用固定安装和平单轴追日系统，发电功率均为26.4 kW。

两套光伏发电系统进行了长期运行对比测试和统计，并在运行过程中对平单轴追日系统算法进行优化。图4为一天中发电功率和光伏板倾角位置等实时数据趋势图。

图4 实时数据趋势图Fig.4 Trend chart of real-time data

表1为2017年4月12日～2017年5月14日的发电量统计表，不含雨天。经过优化后，发电效率较固定安装平均提升26.30%(去除阴雨天)。

表1 测试装置发电量统计表Tab.1 Power generation statistics of test device

控制方案优化后，该套追日系统成功在赤峰金色能源100 MWp装机容量光伏电站项目中的10 MWp电站安装并应用。该电站采用南北安装、东西追踪的方式进行太阳跟踪，每个控制子站用一个电机控制，转动轴长90 m，控制精度小于1°。该项目至今运行良好。

经统计，相对于固定安装的光伏发电系统，应用该追日系统的光伏发电系统的总发电量提升25%。同时，气象检测和不同运行模式的应用也提升了光伏电站的气候耐受性，降低了维护成本。

4 结论

本文总结和分析了当前用于光伏发电的太阳追踪方法及优缺点，设计了一种用于大型光伏电站的平单轴视日运动轨迹追踪系统。追踪系统由集中控制主站和若干控制分站构成，集中控制主站集成GPS、气象检测传感器和光照度传感器等；根据控制策略确定当前的工作模式，包括正常跟踪模式、逆向跟踪阴影躲避模式、积雪模式、大风保护模式、清洗模式等；计算光伏板位置，通过无线通信发送控制指令至每个控制分站，完成光伏板的角度控制和状态监测。

根据控制方案，设计并安装屋顶测试系统，通过长期对比试验和性能跟踪，对控制算法进行优化。该追日系统已经应用于实际光伏电站，至今运行状态良好。相对于固定安装系统，其成本增加不到1%，平均发电效率提高达25%以上，抵抗大风、雨雪等灾害天气的能力也大大增强。