光伏发电系统太阳方位跟踪装置的研究

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第 34 卷第 10 期2013 年 10 月太阳能学报ACTA ENEＲ GIAE SOLAＲ IS SINICAVol. 34， No． 10Oct ．， 2013收稿日期 2011-09-22基金项目杭州市萧山区科学技术局攻关项目（ 2009112 ）通讯作者仲玉芳（ 1973 ），男，硕士、高级工程师，主要从事自动控制、嵌入式系统、智能照明方面的研究。 yfzhongiipc ．zju ．edu． cn文章编号 0254-0096（ 2013） 10-1762-06光伏发电系统太阳方位跟踪装置的研究仲玉芳 1 ，王慧芬 1 ，叶建锋 2 ，叶星 2 ，吴明光 1（ 1．浙江大学控制科学与工程学系，杭州 310027 ； 2．上方能源技术有限公司，杭州 311215）摘要遵循系统工程设计理念，太阳方位跟踪装置融入沙漠地区并网光伏发电系统中进行设计。光伏发电系统包括 ZigBee无线网络连结的多个光伏发电子系统、 TD-SCDMA 公网和远程监控中心，跟踪装置基于天气、天文和光伏阵列输出功率的复合跟踪机制。远程监控中心设定跟踪装置的晴、阴、雨工作模式和晴天模式下的粗细跟踪精度；阴雨状态时采用天文跟踪并实施开环跟踪控制，晴天则以太阳电池板的输出功率为依据进行闭环跟踪控制，解决光电跟踪易受云层干扰和风沙环境下可用性欠佳的难题；跟踪装置的机械传动应用步进电机及步距角细分技术。关键词光伏发电；太阳方位复合跟踪； TD-SCDMA； ZigBee中图分类号 TP29 文献标识码 A0 引言随着我国经济的持续高速发展，能源供应日趋紧张，能源需求的快速增长对资源的可供量、环境承担能力，以及国家能源安全都提出了严峻的挑战［ 1］。 2007 年 8 月颁布实施的中国可再生能源中长期发展规划明确将沙漠并网发电作为光伏发电的重点［ 2］。光伏系统的发电量取决于太阳辐照度、太阳电池板和逆变器的效率。太阳电池板的转换效率为 15． 7 ～ 19． 2 ，现有技术条件下提高转换效率已非常困难，逆变器变换效率达 90 以上，提升空间也有限，太阳方位跟踪是增加光伏系统发电量的可行途径之一。目前，光伏发电的太阳方位跟踪有光电跟踪、天文跟踪和光电结合天文跟踪 3 种方法。光电跟踪大多采用四象限光敏传感器，属闭环控制［ 3］；光电跟踪精度高，但多云或阴雨天情况下会出现控制失效、盲走［ 4， 5］，且对光敏传感器的一致性、信号处理单元的稳定性有较高的要求，同时沙漠环境中光敏传感器的可用性和运行维护保障至今尚无有效的解决方法。天文跟踪根据地球和太阳的相对运动规律，属开环控制［ 6］；天文跟踪无需传感器，但存在累积误差，地平坐标（太阳高度角和方位角）在天文跟踪中得到广泛应用。光电结合天文跟踪则将光电和天文跟踪结合在一起，互为补充。本文将太阳方位跟踪装置融入沙漠地区并网光伏发电系统中进行设计，消除沙漠环境中光电跟踪这一故障源，解决长期困扰光电跟踪技术的云层干扰难题，可降低成本和运行维护要求，提高系统的可靠性和跟踪精度。1 具有太阳方位跟踪装置的并网光伏发电系统沙漠地区并网光伏发电系统大都采用无人值守、定期巡检的运行维护模式，所以网络通信是光伏发电系统远程监控的必要条件。 GPＲS 属 2． 5G 通信技术，国家工信部规划中已列入限制发展，因此TD-SCDMA 替代 GPＲS 是技术进步的必然。鉴于光伏发电中产生大量工况数据，全部通过公网实时上传会导致通信费用剧增，因此按运行维护要求对工况数据分类，通过在线和离线两种方式将工况数据汇总至远程监控中心。1． 1 沙漠地区并网光伏发电系统的结构具有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统如图 1 所示，系统主要包括远程监控中心、10 期仲玉芳等光伏发电系统太阳方位跟踪装置的研究TD-SCDMA 3G 公网和 ZigBee 无线网络连结的多个光伏发电子系统［ 7］。 ZigBee 无线网络由 N 个光伏发电子系统的 ZigBee节点与光伏发电主系统的 ZigBee协调器组成。各光伏发电系统子系统借助局部范围的 ZigBee 无线网络交换信息。远程监控中心通过Internet、运营商的 GGSN 网关与 TD-SCDMA 相连，GGSN网关对 Internet、 TD-SCDMA 数据包进行协议转换； TD-SCDMA 经光伏发电主系统的 ZigBee/TD-SCDMA 网关接入 ZigBee 网络，光伏发电主系统的 ZigBee 协调器兼作 ZigBee/TD- SCDMA 网关。图 1 并网光伏发电系统的结构图Fig ． 1 The structure diagram of grid-connectedphotovoltaic power generationsystem1． 2 光伏发电主系统的 ZigBee 协调器光伏发电主系统的 ZigBee 协调器结构框图如图 2 所示，协调器兼作 ZigBee /TD- SCDMA 网关，主要包括控制器主控模块 S3C2440 、电能计量模块 ADE7169 、步进电机驱动模块 TA8435 、TD-SCDMA 无线模块 TDM330 、 ZigBee 协调器通信模块 CC2430 和无线 USB 模块 CYWUSB6935 。光伏发电子系统的 ZigBee 节点无需存储、处理数据，也不直接接入公网，因此未配置图 2 中的各USB 模块。图 2 ZigBee协调器结构框图Fig ．2 The structure diagram of ZigBee Coordinator3671太阳能学报 34 卷光伏发电主系统的 ZigBee 协调器上电后，主控模块对 ZigBee 模块、 TD-SCDMA 模块、无线 USB 模块和步进电机驱动模块进行初始化；接收远程监控中心发送的跟踪装置工作模式和粗细跟踪参数，并转发至光伏发电子系统；基于天气、天文和光伏阵列输出功率的复合跟踪机制， ZigBee 协调器定时向光伏发电子系统发送跟踪命令。 ZigBee 协调器的主控模块接收并存储光伏发电子系统上传的工况参数，对工况数据按运行维护要求分类，重要工况参数经TD-SCDMA 实时上传，一般参数暂存 ZigBee 协调器、由手持无线 USB 的巡检员离线采集。重要工况参数包括步进电机异常电压、电流值，光伏阵列温度值，按运行维护要求的统计发电量值（如每小时发电量等），控制器自检时的故障信息等。电能计量部分不仅要采集由逆变器转换后的电能量和谐波量值，而且还要监测太阳电池板温度、太阳电池阵列电压、蓄电池电压、太阳电池阵列电流、蓄电池电流等运行参数。2 太阳方位跟踪2． 1 太阳电池板输出功率为依据的闭环跟踪控制光电跟踪大多采用四象限光敏传感器检测太阳方位，保证四象限光敏传感器和调理电路的长期一致性绝非易事，同时传感器配套的机械传动部件又使系统的可靠性下降。此外，消除光敏传感器的沙尘遮盖干扰，就沙漠地区的工程实施和运行维护而言几无可能。从系统工程的全局理念审视光电跟踪技术，采集太阳电池板的输出功率作为跟踪的直接依据更合理、更简捷，也可解决长期困扰光电跟踪技术的云层干扰难题。笔者借助电能计量模块 ADE7169 采集太阳能电池板的输出功率（参见图 2 ），并以其为依据实施闭环跟踪控制。2． 2 远程监控中心设定跟踪装置工作模式远程监控中心拥有完备的仪器仪表、实时精确的气象资料、专业齐全的工程师，由远程监控中心而非太阳方位跟踪装置设定其工作模式（晴、阴、雨模式），以及晴天工作模式下的粗细跟踪精度，突破了太阳方位跟踪完全拘泥于跟踪装置本身的传统设计思路，精简沙漠环境中太阳方位跟踪装置的结构和功能，提高系统的可靠性和跟踪精度，充分体现了系统工程设计理念的科学性。2． 3 太阳方位跟踪流程沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪流程如图 3 所示。图 3 沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪流程图Fig ． 3 The flow diagram of solar azimuth tracking of grid-connectedphotovoltaic power generationsystem in desert region467110 期仲玉芳等光伏发电系统太阳方位跟踪装置的研究远程监控中心参照气象资料、经 TD-SCDMA 公网设定跟踪装置工作模式（晴、阴、雨模式），以及晴天工作模式下的粗细跟踪精度雨天模式、以及每天的 08 00 前和 18 00 后不跟踪；阴天模式下 08 00 ～18 00 之间采用天文跟踪；晴天模式下 08 00 ～11 00、 15 00 ～ 18 00 之间采用粗跟踪， 11 00 ～15 00之间采用细跟踪。具体实施如下［ 8 ～ 10］ 1）远程监控中心设定沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置的晴、阴、雨工作模式，以及晴天工作模式下的粗细跟踪精度，并通过Internet、 GGSN、 TD-SCDMA、光伏发电主系统的ZigBee/TD- SCDMA 网关传送至 ZigBee 网络；兼作ZigBee/TD- SCDMA 网关的 ZigBee 协调器转发远程监控中心设定的跟踪工作模式和跟踪精度，光伏发电主系统和光伏发电子系统根据远程监控中心设定的跟踪工作模式和跟踪精度运行， ZigBee 协调器由光伏发电主系统主控模块和 ZigBee 协调器通信模块组成。2）雨天工作模式，沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置停止跟踪，光伏阵列转至设定的太阳高度角和方位角，其中太阳方位角沿用前一天太阳方位角，太阳高度角采用下式计算 H 90° － │ μ － β │ （ 1）式中， μ 当地地理纬度； β 太阳直射点地理纬度。3）阴天工作模式，沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置采用天文跟踪。天文跟踪根据地球和太阳的相对运动规律，确定光伏阵列的太阳高度角和方位角，步进电机跟踪精度选用缺省步距角，天文跟踪地平坐标的计算公式为 sinα sinδ sinφ cosδ cosφ cosω （ 2）cosγ （ sinα sinφ － sinδ ） / cosα cosφ （ 3）式中， α 太阳高度角； γ 太阳方位角；δ 太阳赤纬角，每月变化 8° ； φ 当地的纬度角； ω 时角，每小时变化 15° 。考虑太阳方位跟踪能耗、驱动装置寿命，以及跟踪精度与输出功率的综合因素，天文跟踪周期取 1h。4）晴天工作模式，沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置采用天文跟踪和光伏发电系统最大输出功率的复合跟踪。光伏阵列的初始太阳高度角、方位角，以及跟踪的起始、终止时间由远程监控中心设定。光伏发电主系统和光伏发电子系统的控制器经步进电机驱动模块 TA8435，输出与高度角和方位角对应的步进电机角位移所需的电脉冲信号。依据光伏发电系统最大功率点的跟踪，远程监控中心设定跟踪装置的跟踪起始时间 Ts 、终止时间Te；粗、细跟踪时段 Td 、 Tm ，以及相应的变步长跟踪精度值 t ∈ Td 粗跟踪时段，选用 1 /2 细分步距角，跟踪周期为 30min； t ∈ Tm 细跟踪时段，选用 1 /4 细分步距角，跟踪周期为 15min。光伏发电子系统的电能计量模块采集光伏阵列的电压、电流信号，计算出的输出功率值保存在控制器的存储器中；电能计量模块的采样周期为 1s，每连续采样 5 次、剔除最大最小值取中间 3 次功率的平均值，定义为 “ 功率均值 ” ， “ 功率均值 ” 保存在控制器的存储器中。t ∈ Td 为粗跟踪时段，每隔 30min、光伏发电主系统和光伏发电子系统的控制器经步进电机驱动模块 TA8435 以 1 /2 细分步距角跟踪太阳方位，跟踪准则为 “ 功率均值 ” 最大。 TA8435 输出指令的时间间隔为 30s，用于机械传动时间、新位置光伏阵列反应时间和新位置获取功率均值时间。每跟踪一步，首先用新位置的功率均值与前 30min 的最大功率均值比较，若小于最大功率均值的 70 ，则判定发生云层干扰，放弃光伏发电系统最大功率点跟踪，转用天文跟踪；否则，根据功率均值最大准则跟踪太阳高度角和方位角。功率均值最大准则即光伏阵列跟踪转动时，将新位置采样的功率均值与上一位置采样的功率均值比较，若大于上一位置采样的功率均值，则转动 1 /2 步距角，并继续采样新位置功率均值；若小于上一位置采样的功率均值，则转回原位置，此次跟踪周期光伏阵列不再转动。t ∈ Tm 为细跟踪时段，每隔 15min、光伏发电子系统的控制器经步进电机驱动模块 TA8435 以 1 /4细分步距角跟踪太阳方位，跟踪准则为 “ 功率均值 ”最大；细跟踪的流程与粗跟踪类似，唯一区别是跟踪周期从 30min 降至 15min。3 结论提出了一种全新的沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪方法，与现有技术相比，具有如下优点 1）有别于现有的天文结合光电的太阳方位跟踪方法，基于系统工程设计理念协同系统的各单元实施太阳方位跟踪，提出天文结合光伏发电系5671太阳能学报 34 卷统最大功率点的跟踪方法，即从光伏发电系统的控制器提取发电量参数作为跟踪依据，消除沙漠环境中光电跟踪这一故障源，同时解决了长期困扰光电跟踪技术的云层干扰难题。既可降低成本和运行维护要求，又能提高系统的可靠性和跟踪精度。2）由远程监控中心，而非本地的太阳方位设定跟踪装置工作模式，以及晴天工作模式下的粗细跟踪精度突破了把跟踪装置从光伏发电系统割裂出来单独设计的传统思路，可简化沙漠环境中太阳方位跟踪装置的功能，从而进一步提高系统的可靠性和跟踪精度。3）光伏发电子系统间通过 ZigBee 无线网络进行通信，采用定时唤醒的间歇工作方式，节约电能。ZigBee 网络的协调器兼做 ZigBee/TD- SCDMA 网关；通过 TD-SCDMA 3G 公网与远程监控中心进行通信，可降低通信费用。4）光伏发电系统工况数据按运行维护要求分类，或经 TD-SCDMA 公网实时上传；或暂存协调器在巡检时离线采集。采用 TD-SCDMA 公网实时在线上传与离线本地巡检无线 USB 采集工况数据的策略，在满足运行维护要求的同时可减少数据采集费用。5）跟踪装置的机械传动采用步进电机，可减少太阳方位跟踪装置的机械传动损耗。步进电机中引入步距角细分技术，可满足天文跟踪以及晴天工作模式下粗细跟踪的不同精度要求；使系统的可靠性和跟踪精度进一步得到提升。［参考文献］［ 1］陆晓楠，黄立培．中国光伏发电产业的现状及发展趋势［ J］．环球电气， 2009，（ 2） 86 88．［ 1］ Lu Xiaonan， Huang Lipei ． Actualities and developingtrend of China PV industry［ J］． Global Electric， 2009，（ 2） 86 88．［ 2］中华人民共和国国家发展和改革委员会．中国可再生能源中长期发展规划［Ｒ］．北京， 2007 ．［ 2］ National Development and Ｒ eformCommission of thePeople’ s Ｒ epublic of China ． Middle and long termprogrammeof China renewableenergy development［Ｒ］．Beijing， 2007．［ 3］ Liang Yong， Liang Weiming， Lu Wenquan， et al ．Muti- azimuth detection and track technology of solarphotovoltaic generation ［ J］．Ｒ enewable EnergyＲ esources， 2008，（ 2） 80 82．［ 4］ Liu Deyou， Xu Chang， Wan Dingsheng， et al ． Studyon the integrated control system at solar power towerplants［ A］． World Solar Conference［ C］， Beijing，2007， 1743 1748．［ 5］ Garcia-Martin F J， Berenguel M， Valverde L， et al ．Heuristic knowledge-based heliostat field control for 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astronomy andPV power output ． Working mode and tracking precision of the tracking device are set by the remote monitoringcenter ． According to the weather condition， the different tracking control method are used to solve difficult problemof PV tracking being vulnerable to the cloud interference and poor availability of sand environment ． Stepper motorand stepper angle fraction technique were applied in the mechanical transmission of tracking device ．Keywords PV power generation； composite tracking of the solar azimuth； TD-SCDMA； ZigBee7671