時控型太陽能跟蹤支架控制器的最大功率跟蹤控制方法與流程

2024-03-23 15:34:05

本發明涉及太陽能跟蹤控制的技術領域，尤其是指一種基於最優控制的時控型太陽能跟蹤支架控制器的最大功率跟蹤控制方法。

背景技術：

高倍聚光太陽能發電系統是由發電模組、跟蹤支架、逆變升壓及通訊監控等部分組成，具有發電效率高、生產汙染小、土地利用率高等優點，越來越受到人們的關注。雙軸跟蹤支架由立柱、網架、水平及俯仰方向的轉動機構、控制器組成。高倍聚光模組安裝於網架上，太陽位置分解為水平和俯仰兩個角度，水平及俯仰轉動機構在跟蹤控制器的控制和驅動下帶動高倍聚光模組在水平方向及俯仰方向上轉動到太陽的位置並對準，太陽運動支架也跟隨其運動並始終保持正對，使太陽光垂直照射在模組面上。高倍聚光太陽能的特點要求跟蹤支架跟蹤太陽須非常精準。

目前，跟蹤支架的控制方式有時控、光控兩種方式。時控是按照支架所在的地理位置和時間按照天文算法計算出太陽位置並跟蹤；光控通過光傳感器感知太陽位置，支架在光傳感器的引導下跟蹤太陽。時控方式實現簡單但受支架安裝誤差影響即使太陽位置計算準確也會存在跟蹤誤差。光控方式在日光比較好的情況下跟蹤精確，但易受雲層影響存在跟蹤盲區。

這兩種方法都不能很好地滿足高倍聚光的跟蹤要求。

最優控制理論是現代控制理論的核心，在許多情況下要求系統的某種性能為最優，這就要求人們對控制問題都必須從最優控制的角度去進行研究和設計。指導思想為：先擇一個容許的控制律，使得被控對象按預定要求運行，並使某一性能指標達到最優值。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺點和不足，提供一種基於最優控制的時控型太陽能跟蹤支架控制器的最大功率跟蹤控制方法，能很好地滿足高倍聚光的跟蹤要求，實現高精度的跟蹤目的，從而使支架可以非常精準地跟蹤太陽。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：時控型太陽能跟蹤支架控制器的最大功率跟蹤控制方法，在以天文算法為基礎的太陽軌跡的基礎上，即在時控的基礎上，做最大功率搜索，找出最大功率點，並記錄最大功率點位置與時控位置的偏差量，作為時控軌跡的校準量，經過校準量修正的時控軌跡即可使太陽能跟蹤支架始終運行在最大功率位置，其具體情況如下：

太陽能跟蹤支架總電流通過霍爾電流傳感器轉化成控制器可測量的電壓信號輸入到控制器的模擬量埠，然後平衡校準精度與校準次數，使控制器每到設定時間內做一次最大功率搜索，並把偏移量存儲下來，根據跟蹤需求，一天要存儲相應數量的校準點，每個校準點包含高度和方位兩個變量；而在進行最大功率搜索時，是採用優化的十字形搜索方法：先向一個方向運行太陽能跟蹤支架，同時控制器對電流採樣每秒進行多次，如果電流變大則記下最大電流和支架角度及時間，並隨著支架運動更新迭代，直到四個方向都搜索完畢，太陽能跟蹤支架運動到最大功率點處為止，此時記錄下該點與天文算法太陽位置的偏差，作為校準量；其中，上述十字形搜索方法的優化點是：若控制器在一個方向上取得的採樣電流連續變小，達到設定次數，則結束在該方向上的搜索，以達到快速搜索的目的。

所述迭代計算如下：

Xk+1＝Xk+dk

式中，k為當前迭代次數，Xk為當前校準量，dk為偏差量，Xk+1為下一次的校準量；在第K次迭代時，從已知點出發，沿給定方向求最優。

所述變量為帶符號短整型數據，使用單片機內部EEPROM即可實現存儲，不需要外加存儲器。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、本發明方法實質上是一種時控加最大功率校準(即功時結合)的控制方式，在時控的基礎上，通過對最大功率校準(操作相對簡單)，可有效解決完全靠時控跟蹤精度不夠(主要由安裝誤差導致，這是無可避免的問題)的問題，實現高精度跟蹤，對發電量有較顯著的提升。

2、採用本發明方法節省了安裝光感的成本，節省了調試光感的成本，而無光感也不需要清洗維護，從而有利於降低生產成本。

3、由於可以提高每一臺光電設備的發電效率，對大型的光伏電站、光熱系統可很大程度提高太陽能利用效率，為生產生活提供跟多更穩定的清潔能源。

附圖說明

圖1為優化的十字形搜索方法流程圖。

圖2為33號測試支架最大功率校準運行的功率曲線圖。

圖3為33號測試支架最大功率點校準修正後正常運行的功率曲線圖。

圖4為2號綠源支架功率曲線圖。

圖5為34號測試支架4.6日功率曲線圖(當日發電量：86.7度)。

圖6為15號測試支架4.6日功率曲線圖(當日發電量：88度)。

圖7為有雲情況下最大功率電控校準功率曲線圖。

圖8為青海明陽基地3#(功時結合)、4#(光時結合)支架發電量對比圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明。

本實施例所述的時控型太陽能跟蹤支架控制器的最大功率跟蹤控制方法，其基本思路是：以高精度天文算法為基礎的太陽軌跡的基礎上(即在時控的基礎上)，做最大功率搜索，找出最大功率點，並記錄最大功率點位置與時控位置的偏差量，作為時控軌跡的校準量，經過校準量修正的時控軌跡即可使太陽能跟蹤支架始終運行在最大功率位置。其具體情況如下：

太陽能跟蹤支架總電流通過霍爾電流傳感器轉化成控制器可測量的電壓信號輸入到控制器的模擬量埠。平衡校準精度與校準次數，控制器每10分鐘(10分鐘是對校準精度與校準次數的平衡選擇)做一次最大功率搜索，並把偏移量存儲下來，一天最多可存儲20個小時120個校準點，可滿足跟蹤需要。每個校準點包含高度和方位兩個變量，每個變量為2位元組的帶符號短整型數據，即每個時間點存儲字節共4個字節，120個校準點共480個字節。使用單片機內部EEPROM即可實現存儲，不需要外加存儲器，節約成本。

在進行最大功率搜索時，以最優控制為理論指導，以擾動觀測法為實現手段，如圖1所示，採用優化的十字形搜索方法：先向一個方向運行太陽能跟蹤支架，同時控制器對電流採樣每秒5次，如果電流變大則記下最大電流和支架角度及時間，並隨著支架運動更新迭代，直到四個方向都搜索完畢，太陽能跟蹤支架運動到最大功率點處為止，此時記錄下該點與天文算法太陽位置的偏差，作為校準量。其中，上述十字形搜索方法的優化點是：若控制器在一個方向上連續10次電流變小，則結束在該方向上的搜索，以達到快速搜索的目的。採用數學規劃法求最大功率的迭代計算如下：

Xk+1＝Xk+dk

式中，k為當前迭代次數，Xk為當前校準量，dk為偏差量，Xk+1為下一次的校準量；在第K次迭代時，從已知點出發，沿給定方向求最優。

參見圖2至圖4所示曲線，通過分析太陽能跟蹤支架的功率曲線，說明調試的過程和跟蹤效果：

綠源2號在發電量方面屬於比較好的一臺(實際與理論發電量的比值大於1)，具有參考性。通過功率曲線可以看到，最大功率搜索過程毛刺小，對發電幹擾少，電量損失也少。正常跟蹤後功率曲線平滑，與帶光感的綠源支架功率曲線一致。考慮到33號支架有兩塊模組需要調整，功率值比2號綠源支架略低屬於正常。

通常太陽能跟蹤支架在做MPPT搜索時會產生發電量損失，以現實當時2.1日為例：

在做MPPT搜索時功率下降平均為0.4KW，MPPT的時間小於60秒，則一次MPPT帶來的發電量損失為0.4KW*60S/2/3600＝0.0033KWH。假設每天最多做12個小時的最大功率追蹤每小時6次，則最大的發電量損失為0.0033*12*6＝0.24KWH。

參見圖5和圖6所示曲線，通過圖5、圖6比較看到：34號支架在最大功率搜索+時控的方式控制下，所發電為86.7度，15號支架在光控+時控的方式控制下所發電為88度。從曲線可以看到34號支架由於下限位位置較高，早晚有發電損失。綜上可得出兩者發電量相當。

參見圖7所示曲線，從圖7可以看到，在多雲的天氣情況下，無光感電控仍然可以準確搜索到最大功率點進行校準，並準確跟蹤太陽。可達到光時結合的控制水平。根據支架運行情況，目前暫定每10天進行一次最大功率的搜索操作。34號支架上次校準時間為5.14～5.15號，5.26號從9:00到18:00發電69KWH，15號支架在相同的時間段發電67KWH。

參見圖8所示，可以看到，從9.16～9.3半個月的時間裡面的發電量，3號支架與4號支架的比值除了一天在1以下，其他都在1以上，3號支架的發電量比4號支架多最高可到4.7％，平均2.2％。因此，有效證明了本發明控制方法對發電量有較顯著的提升。

備註：1、最大功率校準要求校準時輻照穩定，減少外界對搜索的幹擾；2、一年四季太陽軌跡不同，校準量也不同，故需根據季節變化進行校準；3、本發明控制方法以精確的角度位置為基礎，若有重設定位開關等改變角度與位置對應的情況，需重新校準；4、實時時鐘的偏差會影響到跟蹤精度，必須保證實時時鐘的準確。

以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，並非以此限制本發明的實施範圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護範圍內。