CN105955319B - 一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，该系统包括光伏电池方阵，光伏电力输出单元，控制光伏电池方阵转动的驱动源，电机控制器；还设置有逆变器和极值搜索器，所述逆变器采集光伏电力输出单元的电力信号，并将采集到的电力信号输送给极值搜索器，极值搜索器根据接收到的电力信号计算出光伏电池方阵的理想摆放角度，并将该角度值反馈给电机控制器；电机控制器比较接收到的光伏电池方阵的角度与理想摆放角度，再控制驱动源带动光伏电池方阵转动至理想摆放角度位置处。本发明所述太阳跟踪器控制系统，通过极值搜索器获得不同天气条件下光伏电池方阵的最大输出功率，从而提高光伏电池方阵的发电量。可广泛应用于太阳跟踪领域。

Description

一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统

技术领域

本发明涉及太阳能跟踪领域，涉及一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统。

背景技术

在地球自转过程中，地表某固定地点的太阳能光伏发电系统受太阳环绕地球相对运动而产生光照角度变化的影。

常规的太阳跟踪器能够有效地保证太阳能电池板时刻正对太阳，使得发电效率达到最佳状态。目前，世界上通用的太阳能跟踪器的工作原理需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，靠计算该固定地点每一时刻的太阳位置以实现跟踪。它是一类基于天文信息计算阳光角度的太阳跟踪控制方法。然而，在阴天、多云、雾霾的天气情况下，太阳直射光不再有优势，常常出现非太阳直射光产生了更高的辐照度。在这些天气情况下，同样功率的太阳能电站，会出现固定式发电比跟踪太阳式的发电不相上下。甚至，固定式产生更大的发电量。人们对基于天文信息计算阳光角度的太阳跟踪器产生质疑。此类控制原理不适用所有地区或天气。

类似地，采用阳光象限传感器的反馈式跟踪方式，也有明显弱点。例如：乌云遮挡太阳，使得其他乌云的反射光强度大于太阳光。那么，采用阳光象限传感器的反馈式跟踪方式就会跟踪乌云反射光。而这种现象不会持久，导致整体发电量水平没有上去，反而跟踪器耗电量变大。类似地，此类控制原理不适用所有地区或天气。

人们渴望发明出更智能的太阳跟踪器，它的控制目标是实现太阳能发电量最大化，而不仅仅跟踪太阳或某束阳光，从而适应各种天气情况，如：晴天、阴天、雾霾天等等。

发明内容

本发明的目的是针对现有太阳跟踪器的不足，提供一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统；该系统以逆变器端最大功率输出为跟踪器角度调节的控制目标，实现了不同天气状况下的自动化、智能化、最优化，尤其是在存在严重漫反射光的情况下，最大程度地发挥太阳跟踪器的工作效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，包括光伏电池方阵，与光伏电池方阵电路连接的光伏电力输出单元，控制光伏电池方阵转动的驱动源，电机控制器；所述电机控制器接收光伏电池方阵的角度信号，同时控制驱动源带动光伏电池方阵转动；还设置有逆变器和极值搜索器，所述逆变器采集光伏电力输出单元的电力信号，并将采集到的电力信号输送给极值搜索器，极值搜索器根据接收到的电力信号计算出光伏电池方阵的最佳摆放角度，并将该角度值反馈给电机控制器；电机控制器比较接收到的光伏电池方阵的角度与最佳摆放角度，再控制驱动源带动光伏电池方阵转动至最佳摆放角度位置处。

为方便控制光伏电池方阵转动，所述驱动源包括控制光伏电池方阵高度角方向旋转的第一电机驱动系统和控制光伏电池方阵方位角方向旋转的第二电机驱动系统；所述极值搜索器根据接收到的电力信号计算出光伏电池方阵的最佳高度角和方位角。

所述极值搜索器的计算公式如下：

P^*(t)＝max_θ(t),φ(t){P(θ(t),φ(t),t)}

式中，P^*(t)为最大反馈功率，

θ(t)为光伏电池方阵在t时段的方位角；

φ(t)为光伏电池方阵在t时段的高度角；

t代表时间点；

反馈功率是方位角度和高度角度的乘法函数，该输出函数通过不断调整θ(t)和φ(t)的值，得到一个反馈功率极值；通过反馈功率来判断调整方位角度和高度角度如何一步步逼近最佳角度，找到最大功率输出点，完成一次未知乘法函数搜索极值的自适应控制过程。

采用线搜索迭代方法来实现极值搜索控制，从而获得一组θ(t)和φ(t)，公式如下：

式中：代表功率输出搜索方向，其中为功率的梯度值，β(k)代表搜索步长，式中角度的迭代过程的调整量是由功率输出搜索方向和搜索步长的乘积来确定。

为方便远程监控，所述逆变器还连接设置有环形网络结构，环形网络结构上包括回流箱，终端设备和气象站信息。所述逆变器与环形网络结构间通过以太网的传输方式进行数据传输。

本发明的有益效果：首先，假设太阳光入射方向就是产生光伏方阵功率最大输出所需的太阳跟踪器面板朝向，那么本发明调整太阳跟踪器角度的目标与基于天文计算原理的太阳跟踪器控制目标一致。虽然二者采用了不同的控制原理，但是二者达到的效果相同，都搜索到最佳方位角和高度角，使得光伏方阵输出最大功率。在这种假设条件下，本发明所述智慧型跟踪器与基于天文计算原理的太阳跟踪器性能基本一致。

其次，假设阳光最强方向就是产生光伏方阵功率最大输出所需的太阳跟踪器面板朝向，那么本发明调整太阳跟踪器角度的目标与基于阳光象限检测原理的太阳跟踪器控制目标一致。虽然二者采用了不同的控制原理，但是二者达到的效果相同，都搜索到最佳方位角和高度角，使得光伏方阵输出最大功率。在这种假设条件下，本发明所述基于逆变器的智慧型跟踪器与基于阳光象限检测原理的太阳跟踪器性能基本一致。

再次，假设太阳光入射方向或者阳光最强方向(二者有可能不同，如：乌云反射光往往大于被遮挡的太阳直射光)不是产生光伏方阵功率最大输出所需的太阳跟踪器面板朝向，那么本发明调整太阳跟踪器角度的目标就比传统的太阳跟踪器有明显优势，产生更大的发电量，性能最佳。

最后，环形网络主从结构的设计，实现了电站数据信息、视频监控信息及天气因素等的集中管理，为后期的故障诊断、数据分析、运维服务等提供了极大的便利。

综上所述，本发明所述基于逆变器方案的智慧型跟踪器基本原理不但能够在常规条件下达到传统太阳跟踪器提升光伏发电效率的指标，而且能够在光漫反射、光源不明显的情况下确保光伏发电效率的提升，加上集总式环形网络的设计，大大方便了后期的服务，比传统太阳跟踪器有明显优势。能够推广应用。因此，本发明所述太阳跟踪器，更智能化、更优化、现代化，能够在不同环境条件下提高光伏电站的电力输出效率，具有通用性，可以推广应用，具有很好的实用价值。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1是本发明示意图。

图2是基于逆变器方案的智慧太阳跟踪器的控制原理框图。

图3是时控太阳跟踪器的环网及主从结构的控制原理框图。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，包括光伏电池方阵5，与光伏电池方阵5电路连接的光伏电力输出单元4，控制光伏电池方阵5转动的驱动源，电机控制器18；所述电机控制器18接收光伏电池方阵5的角度信号，同时控制驱动源带动光伏电池方阵5转动；还设置有逆变器2和极值搜索器19，所述逆变器2采集光伏电力输出单元4的电力信号，并将采集到的电力信号输送给极值搜索器19，极值搜索器19根据接收到的电力信号计算出光伏电池方阵5的最佳摆放角度，并将该角度值反馈给电机控制器18；电机控制器18比较接收到的光伏电池方阵5的角度与最佳摆放角度，再控制驱动源带动光伏电池方阵5转动至最佳摆放角度位置处。

太阳跟踪器的基本控制电路拓扑结构与基本机械安装结构描述如下。控制盒13分别与功率反馈信号线14、第一电机控制电源线与信号线8、第二电机控制电源线与信号线9等电路连接。控制盒13固定在立柱10上，并通过安装机构11固定在地面安装基础12上面。逆变器2分别与光伏电力输出单元4、功率反馈信号线14电路连接。光伏电池方阵5与光伏电力输出单元4电路连接。光伏电池方阵5的底座依次与第一电机驱动系统6和第二电机驱动系统7机械联接。第一电机驱动系统6置于第二电机驱动系统7之上，第二电机驱动系统7置于立柱10之上。所述立柱10、第一电机驱动系统6、第二电机驱动系统7和光伏电池方阵5构成太阳能跟踪器的支架21。环网结构15分别与信号输出单元1、气象站16、电脑等终端设备17及回流箱20、摄像头等外接设备连接。

基于机械连接方式，太阳跟踪器有两个方向的自由度，是一个双轴运动系统。如果在第一电机驱动系统6或者第二电机驱动系统7不工作，那么太阳跟踪器退化为一个单轴运动系统。在双轴工作模式下，若第一电机驱动系统6产生运动作用，太阳跟踪器的光伏方阵面板能够在高度角方向旋转；若第二电机驱动系统7产生运动作用，太阳跟踪器的光伏方阵面板能够在方位角方向旋转。

由上述运动结构的原理可知。一方面，若第一电机驱动系统6接收到第一电机控制电源线与信号线8的驱动电流以及控制信号，则控制盒13内置的控制器可以任意控制第一电机驱动系统6的旋转，进而控制太阳跟踪器的面板在高度角方向旋转；同时，能够接收第一电机控制电源线与信号线8反馈回来的电机旋转角度或速度的信号；构成一套高度角的反馈控制系统。另一方面，若第二电机驱动系统7接收到第二电机控制电源线与信号线9的驱动电流以及控制信号，则控制盒13内置的控制器可以任意控制第而电机驱动系统7的旋转，进而控制太阳跟踪器的面板在方位角方向旋转；同时，能够接收第二电机控制电源线与信号线9反馈回来的电机旋转角度或速度的信号；构成一套方位角的反馈控制系统。

因此，控制盒13、第一电机驱动系统6、第二电机驱动系统7、第一电机控制电源线与信号线8、以及第二电机控制电源线与信号线9构成第一套控制回路，用于控制太阳跟踪器的方位角和高度角。

由网络通信结构可知。一方面逆变器2将功率信息反馈给电机控制器18，实现系统的智慧跟踪。另一方面逆变器的信息会通过以太网等方式传入环形网络结构，并且网络上的每个结构都是主从结构，环网结构会并存其他汇流箱20的信息及摄像头采集的一些现场情况。这样，在综合各种状况信息的情况下，可以通过通信网络将控制信息经逆变器2传回智慧跟踪的控制器端，对太阳跟踪器的方位角和高度角进行控制。

下面，阐述一下本发明的特点。

本发明采用的第二套控制回路。第二套控制回路是一套由控制盒13、功率反馈信号线14、逆变器2、光伏电力输出单元4、光伏电池方阵5组成的电力反馈控制系统。基本工作原理为，光伏电池方阵5产生的电力信号(如：电流、电压、功率)通过光伏电力输出单元4输送到逆变器2；由逆变器器2检测到光伏电池方阵5的功率信号，并通过功率反馈信号线14反馈到控制盒13。由控制盒13内置的极值搜索器19搜索到最佳的方位角和高度角的参考量。图中，G_i代表从不同方向投射到太阳能电池组件的光源强度与方向，如：漫反射、折射等。

这里我们采用基于逆变器的方案进行功率信号的反馈。根据反馈的功率信号，控制系统不断调节太阳能电池板的方位和角度，这样即使是在乌云遮挡和漫反射强烈的情况下也能做到系统始终追踪太阳能功率的最大输出。同时，逆变器是光伏发电系统中必不可少的一部分，直接从逆变器中反馈信号，巧妙的做到了功率信号的再次使用，避免了一个附加的功率检测单元。

因此，本发明所述基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，是一类通过逆变器反馈的功率，调整太阳跟踪器的方位角和高度角，搜索光伏电池方阵的最大功率输出点。结合数学表达式：

P^*(t)＝max_θ(t),φ(t){P(θ(t),φ(t),t)}

式中，P^*(t)为最大反馈功率，

θ(t)为光伏电池方阵在t时段的方位角；

φ(t)为光伏电池方阵在t时段的高度角；

t代表时间点；

反馈功率是方位角度和高度角度的乘法函数，该输出函数通过不断调整θ(t)和φ(t)的值，得到一个反馈功率极值；通过反馈功率来判断调整方位角度和高度角度如何一步步逼近最佳角度，找到最大功率输出点，完成一次未知乘法函数搜索极值的自适应控制过程。

采用线搜索迭代方法来实现极值搜索控制，从而获得一组θ(t)和φ(t)，公式如下：

式中：代表功率输出搜索方向，其中为功率的梯度值，β(k)代表搜索步长，式中角度的迭代过程的调整量是由功率输出搜索方向和搜索步长的乘积来确定。

结合图2做进一步说明，图2是基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统的控制原理框图。图中U(t)代表电机控制器的控制信号，该框图有两套控制回路。第一套控制回路，反馈了太阳跟踪器的高度角φ(t)和方位角θ(t)两个变量。电机控制器18基于这些反馈变量可以判断太阳跟踪器实际的高度角和方位角。然后，比较方位角和高度角的参考值，给出正确的控制指令。第二套控制回路，反馈了置于太阳跟踪器面板上的光伏方阵的电力信号，如：功率(有反馈的电流、电压的乘积计算)。通过极值搜索器19判断高度角和方位角的理想值，并反馈给电机控制器18，用于比较真实的方位角和高度角，由电机控制器18给出正确的控制指令。因此，在两套控制回路的共同作用下，太阳跟踪器通过调节方位角、高度角搜索到光伏方阵的最大输出功率，从而发挥太阳跟踪器提升光伏方阵性能的目的。

参考图3，陈述本发明所述基本网络拓扑结构。在图中我们可以看出，整个网络结构分为两大部分，一部分是基于云端的上层环网结构，另一部分则是下层的主从组网结构。下层主从组网结构中，控制追踪器根据逆变器2反馈的功率信号，不断调整，使得太阳能电池板始终处于最大功率输出状态，也就组成了下层的主从结构。上层环网结构中包含电脑等终端输入的控制信息和摄像头采集的现场情况，以及各个汇流箱汇总的太阳能发电系统的信息，而且还包含有从下层主从组网结构中传入的功率、控制角度等信息。值得说明的是上层环网结构和下层主从组网结构之间的结点可以做到相互信息的传输，每个上层环网结构可以接入多个下层主从组网结构。这样太阳能跟踪系统信息的集中管理，不仅大大方便了控制的统一综合管理，而且大量相关数据的采集能为以后的大数据分析等做好准备，为进一步的服务做好准备。环网结构上的每个节点都有双向的特点，所以，我们可以根据一些天气情况等作出预测的情况下，做出特殊情况下基于复杂事件的智慧控制。

综上所述，本发明所述基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统不但能够在常规条件下达到传统太阳跟踪器提升光伏发电效率的指标，而且能够在光漫反射、光源不明显的情况下确保光伏发电效率的提升，比传统太阳跟踪器有明显优势。能够推广应用。因此，本发明所述太阳跟踪器，更智能化、更优化、现代化，能够在不同环境条件下提高光伏电站的电力输出效率，具有通用性，可以推广应用，具有很好的实用价值。

Claims (6)

1.一种基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，包括光伏电池方阵(5)，与光伏电池方阵(5)电路连接的光伏电力输出单元(4)，控制光伏电池方阵(5)转动的驱动源，电机控制器(18)；其特征在于：所述电机控制器(18)接收光伏电池方阵(5)的角度信号，同时控制驱动源带动光伏电池方阵(5)转动；还设置有逆变器(2)和极值搜索器(19)，所述逆变器(2)采集光伏电力输出单元(4)的电力信号，并将采集到的电力信号输送给极值搜索器(19)，极值搜索器(19)根据接收到的电力信号计算出光伏电池方阵(5)的最佳摆放角度，并将该角度值反馈给电机控制器(18)；电机控制器(18)比较接收到的光伏电池方阵(5)的角度与最佳摆放角度，再控制驱动源带动光伏电池方阵(5)转动至最佳摆放角度位置处。

2.如权利要求1所述的基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，其特征在于：所述驱动源包括控制光伏电池方阵(5)高度角方向旋转的第一电机驱动系统(6)和控制光伏电池方阵(5)方位角方向旋转的第二电机驱动系统(7)；所述极值搜索器(19)根据接收到的电力信号计算出光伏电池方阵(5)的最佳高度角和方位角。

3.如权利要求2所述的基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，其特征在于：所述极值搜索器(19)的计算公式如下：

P^*(t)＝max_θ(t),φ(t){P(θ(t),φ(t),t)}

式中，P^*(t)为最大反馈功率，

θ(t)为光伏电池方阵在t时段的方位角；

φ(t)为光伏电池方阵在t时段的高度角；

t代表时间点；

反馈功率是方位角度和高度角度的乘法函数，该输出函数通过不断调整θ(t)和φ(t)的值，得到一个反馈功率极值；通过反馈功率来判断调整方位角度和高度角度如何一步步逼近最佳角度，找到最大功率输出点，完成一次未知乘法函数搜索极值的自适应控制过程。

4.如权利要求3所述的基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，其特征在于：采用线搜索迭代方法来实现极值搜索控制，从而获得一组θ(t)和φ(t)，公式如下：

式中：代表功率输出搜索方向，其中为功率的梯度值，β(k)代表搜索步长，式中角度的迭代过程的调整量是由功率输出搜索方向和搜索步长的乘积来确定。

5.如权利要求1所述的基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，其特征在于：所述逆变器(2)还连接设置有环形网络结构(15)，环形网络结构(15)上包括回流箱(20)，终端设备(17)和气象站信息(16)。

6.如权利要求5所述的基于逆变器输出功率的太阳跟踪器控制系统，其特征在于：所述逆变器(2)与环形网络结构(15)间通过以太网的传输方式进行数据传输。