CN107885235B - 适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，包括通过无线方式组网实现通讯的集中控制部分和若干子控制部分；集中控制部分包括主控制器、气象数据采集设备、GPS设备；每个子控制部分包括子控制器以及分别与子控制器相连接的采样模块、存储模块、驱动模块、电源模块、通讯模块。主控制器根据光伏跟踪支架的数据、气象数据、地理位置信息和世界时钟信息而分别计算各光伏跟踪支架的追踪角度并传给对应的子控制器，子控制器计算其对应的光伏跟踪支架的追踪角度，并综合主控制器计算的追踪角度和工作模式而生成电机控制信号来控制电机。本发明可以更加高精度、高可靠性地实现智能化的跟踪控制，其功能多样，算法架构合理，逻辑清晰明确。

Description

适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置及方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电领域，涉及一种适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置及方法。

背景技术

随着新能源产业的蓬勃发展，太阳能光伏发展的逐步深入，行业补贴的逐渐降低，降低度电成本成为太阳能光伏行业从业者不得不面对的难题。太阳能跟踪支架的应用作为降低度电成本最有效的方式之一，越来越多的被提及和使用。而跟踪系统尤其是控制器的可靠性及智能性则成为了从业者和业主最大的担忧。目前的光伏跟踪系统中，大多数系统采用简单的闭环控制甚至是开环控制实现跟踪。这些类似的方案成本较低，但是其可靠性、准确性及不能很好的满足当前客户需求。从国内到国外，各种因为控制器的失效而导致的电量损失甚至整个系统损坏的案例比比皆是。据统计，控制器失效在光伏跟踪系统的失效占比超过70%，因为跟踪控制不准确导致的发电量损失，最终造成整个电站收益损失的案例更多。正是这些原因，导致目前虽然中国多年前就是光伏装机容量世界之首，但是跟踪支架的大批量使用却一直小心翼翼，发展缓慢。传统跟踪控制策略的主要缺点是：1）现有的控制器仅仅从跟踪支架本身出发，只考虑了简单的功能实现，没有从整个电站系统的角度去规划产品的定位，导致控制器的功能规划不合理；2）光伏跟踪支架从业者对软件控制策略不够重视，软件算法架构设计不够合理，逻辑思路不够清晰明确，对产品功能的实现和升级形成了较大的阻碍；3）现有控制策略思路结构单一，功能单一，无法实现远程调试、智能故障预判、远程故障排查及修复等功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够综合整个光伏发电站的情况以及众多外围信息，从而提高跟踪控制可靠性、准确型的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，用于控制光伏发电系统中的安装有光伏面板的光伏跟踪支架，其特征在于：所述适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置包括通过无线方式组网实现通讯的集中控制部分和若干子控制部分；

所述集中控制部分包括与光伏电站的电站平台通讯并能够获得发电数据的主控制器、与所述主控制器相通讯而向所述主控制器提供气象数据的气象数据采集设备、与所述主控制器相通讯而向所述主控制器提供地理位置信息和世界时钟信息的GPS设备；

各所述子控制部分与各所述光伏跟踪支架相对应设置，每个所述子控制部分包括子控制器、采样模块、存储模块、驱动模块、电源模块、能够与所述主控制器通讯的通讯模块，所述采样模块、所述存储模块、所述驱动模块、所述电源模块、所述通讯模块分别与所述子控制器相连接；所述采样模块用于对所对应的所述光伏跟踪支架的运动参数、所在环境的环境参数、模拟量和数字量进行采样并提供给所述子控制器，所述电源模块用于为所述子控制器供电；

所述主控制器根据各所述子控制器提供的各所述光伏跟踪支架的数据，并综合所述气象数据、所述地理位置信息和所述世界时钟信息而分别计算各所述光伏跟踪支架的追踪角度并分别传给对应的所述子控制器，所述子控制器用于根据所述采样模块提供的数据计算其对应的所述光伏跟踪支架的追踪角度，并综合所述主控制器计算的追踪角度和所述光伏跟踪支架的工作模式来生成电机控制信号，并通过所述驱动模块控制驱动所述光伏跟踪支架的电机，所述存储模块用于存储所述子控制器工作过程中的各种数据。

优选的，所述集中控制部分和各所述子控制部分通过Zigbee方式组网通讯。

优选的，所述电源模块与安装在所述光伏面板相连接并获得电能。

本发明还提供一种合理、清晰，功能多样的适用于上述光伏跟踪的智能跟踪控制装置的智能跟踪控制方法，所述智能跟踪控制方法包括按周期实施的以下步骤：

步骤1：所述主控制器由所述GPS设备获取地理位置信息和世界时钟信息并传送给各所述子控制器；各所述子控制器由所述采样模块获取其对应的所述光伏跟踪支架的数据并上传给所述主控制器；

步骤2：所述主控制器综合各所述子控制器上传的各所述光伏跟踪支架的数据和所述气象数据、所述地理位置信息和所述世界时钟信息，采用矩阵投影延伸法计算各所述光伏跟踪支架的阴影，进而分别计算出各所述光伏跟踪支架的跟踪角度并传给对应的各所述子控制器；

步骤3：各所述子控制器基于所述理位置信息和世界时钟信息计算其对应的所述光伏跟踪支架的跟踪角度；各所述子控制器根据其计算得到的其对应的所述光伏跟踪支架的跟踪角度、所述主控制器计算得到的其对应的所述光伏跟踪支架的跟踪角度以及所述光伏跟踪支架的工作模式确定其对应的所述光伏跟踪支架的目标跟踪角度并生成包含所述目标跟踪角度的所述电机控制信号来控制所述电机。

优选的，所述步骤2中，所述主控制器将相邻所述光伏跟踪支架之间的间距、所述光伏面板的长度作为常量，将相邻所述光伏跟踪支架之间的高度差作为变量进行所述矩阵投影延伸法计算。

优选的，所述子控制器通过依次执行时间处理子任务，计算跟踪角度任务，获取当前角度任务，获取当前环境任务，获取开关量、模拟量任务，系统状态处理任务和电机处理任务而完成所述步骤3；

所述时间处理子任务的流程为：所述子控制器判断由所述主控制器获得的世界时钟信息是否正确，若正确则更新其时间；

所述计算跟踪角度任务的流程为：所述子控制器根据由所述主控制获得的地理位置信息和世界时钟信息而采用天文算法计算太阳高度角和方位角，并基于所述太阳高度角和方位角计算所述光伏跟踪支架的跟踪角度；

所述获取当前角度任务的流程为：所述子控制器由检测所述光伏跟踪支架当前所处角度的角度传感获得当前角度信息，并基于当前角度信息与前一次获得的角度信息的对比结果和一段设定之间内所述光伏跟踪支架的角度累计变化量更新角度值；

所述获取当前环境任务的流程为：所述子控制器根据当前所述光伏跟踪支架所处的环境确定所述光伏跟踪支架是否应处于具有固定角度的固定工作模式；

所述获取开关量、模拟量任务的流程为：所述子控制器获取拨码信息、按键信息和限位信息作为开关量，并基于所述开关量判断是否出现故障；所述子控制器获取电机的电流作为模拟量，并基于所述模拟量判断所述电机是否出现故障；

所述系统状态处理任务的流程为：所述子控制器根据手动运行按键是否被按下判断所述光伏跟踪支架应处于手动工作模式或自动工作模式；

所述电机处理任务的流程为：所述子控制器根据所述光伏跟踪支架的应处于所述固定工作模式或所述手动工作模式或所述自动工作模式而产生对应的所述电机控制信号；当所述光伏跟踪支架的应处于所述固定工作模式时，所述电机控制信号中包含的目标跟踪角度为对应的固定角度；当所述光伏跟踪支架的应处于所述手动工作模式时，所述电机控制信号中包含的目标跟踪角度为手动按键输入角度；当所述光伏跟踪支架应处于所述自动工作模式时，所述电机控制信号中包含的目标跟踪角度为所述主控制器计算获得的跟踪角度或所述子控制器计算获得的跟踪角度。

优选的，当所述光伏跟踪支架应处于所述自动工作模式时，判断所述主控制器计算获得的跟踪角度与所述子控制器计算获得的跟踪角度之差是否大于预设的阈值，若是，则所述目标跟踪角度为所述主控制器计算获得的跟踪角度，若否，则所述目标跟踪角度为所述子控制器计算获得的跟踪角度。

优选的，当一个所述子控制部分对应的光伏面板发电量明显低于其他所述光伏面板时或所述采样模块获得的数据出现异常时，所述子控制器进入共享跟踪模式，所述子控制器获取与其参数最接近的另一所述子控制器的数据而用于进行跟踪控制。

优选的，所述子控制器中预设有故障部件失效前后及失效临界点的状态信息，所述子控制器基于所述故障部件失效前后及失效临界点的状态信息判断是否出现故障，并在出现故障时控制所述电机停止运行或进行异常指示。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置能够综合气象数据信息、地理位置信息、环境参数等多种影响因素而实现对光伏跟踪支架的控制，并通过联网通讯实现控制的既相互独立又相互联系，是一种优化的控制系统架构，功能结构合理。

2、本发明的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置的智能跟踪控制方法，从整个光伏电站角度出发，综合考虑多种因素而对光伏跟踪支架进行跟踪控制，可以更加高精度、高可靠性地实现智能化的跟踪控制，其功能多样，算法架构合理，逻辑清晰明确。

附图说明

附图1为本发明的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置的系统框图。

附图2为本发明的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置中子控制器的主程序流程图。

附图3为本发明的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置中子控制器的获取当前角度任务流程图。

附图4为本发明的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置中获取当前环境任务的对风速进行判断的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：设置在光伏电站中的光伏发电系统包括若干成列设置的光伏跟踪支架，光伏跟踪支架上安装有光伏面板。光伏跟踪支架需要在控制装置的控制下运动而实现对日追踪，以使光伏面板达到最佳发电状态。通常，光伏电站中设置有用于对其发电情况进行统一管理的电站平台。而光伏发电系统中还包括多种传感器。

如附图1所示，一种适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，包括集中控制部分和若干子控制部分。集中控制部分和各子控制部分之间通过无线方式组网而实现通讯。本实施例中，集中控制部分和各子控制部分通过目前物联网领域应用广泛的Zigbee方式组网通讯。该方式是通过网状传输的方式，有效增加传输距离和提升通讯可靠性，解决目前常规RS485通讯传输不稳定的问题。

集中控制部分包括主控制器、气象数据采集设备（气象站中）和GPS设备，主控制器既与光伏电站的电站平台相通讯而获得其提供的发电数据，还分别与气象数据采集设备和GPS设备相通讯，从而气象数据采集设备向主控制器提供气象数据，而GPS设备向主控制器提供地理位置信息和世界时钟信息。

各子控制部分与各光伏跟踪支架相对应设置，即每个子控制部分对应控制一组光伏跟踪支架（如一列光伏跟踪支架），具体为控制驱动该组光伏跟踪支架动作的电机。每个子控制部分均包括子控制器、采样模块、存储模块、驱动模块、电源模块和通讯模块。其中，采样模块、存储模块、驱动模块、电源模块、通讯模块分别与子控制器相连接。通讯模块能够与主控制器通讯，从而子控制器能够通过通讯模块而与主控制器相组网通讯。在每个子控制部分中，采样模块用于对所对应的光伏跟踪支架的运动参数、所在环境的环境参数、模拟量和数字量进行采样得到采样数据并将采样数据提供给子控制器。这里的各种采样数据包括光伏跟踪支架的实际跟踪角度、环境风速、电机电流以及光伏发电系统中的拨码开关、按键、限位装置的状态量等。电源模块用于为子控制器供电，电源模块与安装在光伏面板相连接并获得电能，并提供给子控制器。直接从光伏阵列取电，区别于用一块专门的组件和蓄电池给控制器供电，直接从光伏阵列取电，即使是光照很微弱的情况下，阵列所提供的能量也足够控制器运行到安全模式下，无需额外的后备电池供电。

该适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置中，主控制器根据各子控制器提供的各光伏跟踪支架的数据，并综合气象数据、地理位置信息和世界时钟信息而分别计算各光伏跟踪支架的追踪角度并分别传给对应的子控制器。子控制器用于根据采样模块提供的数据计算其对应的光伏跟踪支架的追踪角度，并综合主控制器计算的追踪角度和光伏跟踪支架的工作模式来生成电机控制信号，并通过驱动模块控制驱动光伏跟踪支架的电机。存储模块用于存储子控制器工作过程中的各种数据。

上述光伏跟踪的智能跟踪控制装置的智能跟踪控制方法具体如下：

智能跟踪控制方法包括按周期实施的以下步骤：

步骤1：主控制器由GPS设备获取地理位置信息和世界时钟信息并传送给各子控制器。地理位置信息即光伏跟踪支架所在位置的经纬度信息，世界时钟信息即时间信息，包括光伏跟踪支架所在时区及本地时间。各子控制器则由其所连接的采样模块获取其对应的光伏跟踪支架的数据并上传给主控制器。

步骤2：主控制器综合各子控制器上传的各光伏跟踪支架的数据和气象数据、地理位置信息和世界时钟信息，采用矩阵投影延伸法计算各光伏跟踪支架的阴影，进而分别计算出各光伏跟踪支架的跟踪角度并传给对应的各子控制器。

在已有的常规算法中，即传统的阴影算法中，提前预设好相邻两列光伏跟踪支架之间的高度差、两列光伏跟踪支架之间的间距、光伏跟踪支架上安装的光伏面板的长度，这些预设值是始终不变的，从而基于这些预设值根据几何投影方法计算两列光伏跟踪支架之间是否有阴影影像，进而计算每列光伏跟踪支架所需要的跟踪角度。

随着光伏应用技术的发展，光伏电站建设的地理条件也越来越差，山地、沉陷、水面等复杂地形地质越来越多，两列光伏跟踪支架间的高度差会因为沉降、地形等因素而不一致，甚至在运行一段时间以后还会出现变化，因此开发一种现场自适应的跟踪算法意义深远。正是基于此，本方案采用了一种基于矩阵的自学习策略，该算法采用矩阵投影延伸的方法来计算每排跟踪支架的阴影，当相邻两列支架之间的阴影不重合，则相互之间的阴影不重合。本算法中，主控制器将相邻光伏跟踪支架之间的间距、光伏面板的长度作为常量，将相邻光伏跟踪支架之间的高度差作为变量进行矩阵投影延伸法计算。因而其可以随着两列相邻的光伏跟踪支架之间的高度差的变化而调整计算结果，即调整主控制器计算所得的每列光伏跟踪支架的跟踪角度。主控制器可同时采集相关发电参数，根据太阳光辐射数据（与气象信息相关）、电池板发电参数等参量的变化来在基准数据的基础上调整高度差之间的变化，实现阴影算法的自适应。当某一因素的影响增加时，应按一定比例增加高度差。

步骤3：各子控制器基于理位置信息和世界时钟信息计算其对应的光伏跟踪支架的跟踪角度。各子控制器根据其计算得到的其对应的光伏跟踪支架的跟踪角度、主控制器计算得到的其对应的光伏跟踪支架的跟踪角度以及光伏跟踪支架的工作模式确定其对应的光伏跟踪支架的目标跟踪角度并生成包含目标跟踪角度的电机控制信号来控制电机。

如附图2所示，子控制器的主程序通过依次执行时间处理子任务，计算跟踪角度任务，获取当前角度任务，获取当前环境任务，获取开关量、模拟量任务，系统状态处理任务和电机处理任务而完成该步骤。

在执行上述各任务前，子控制器先完成硬件和软件初始化，由存储设备读取数据，这些数据为系统提供了初始运行状态依据。接着子控制器初始化任务定时器后为各任务分配轮询时间，后续按照所分配的轮询时间执行各任务。接着，子控制器判断是否完成校准，若完成校准，即可开始依次执行上述任务；若未完成校准，则子控制器与主控制器通讯完成地理位置信息和世界时钟信息的校准后，再始依次执行上述任务。

1、时间处理子任务

时间处理子任务的流程为：当该时间处理子任务的轮询时间到时，子控制器由主控制器获得当前的世界时钟信息，并判断由世界时钟信息是否正确，即当前的世界时钟信息是否小于子控制器的出厂时间，若是则说明世界时钟信息异常，返回主程序；若否则说明世界时钟信息正确，则依据新获得的世界时钟信息更新其时间。该时间为后续子控制器执行计算跟踪角度任务提供必要条件。

2、计算跟踪角度任务

计算跟踪角度任务的流程为：子控制器确定其时间已更新后，根据由主控制获得的地理位置信息和世界时钟信息而采用天文算法计算当地此时的太阳高度角和方位角，并基于太阳高度角和方位角计算光伏跟踪支架的跟踪角度，即当前太阳跟踪支架应处于的角度位置。

在子控制器中进行的光伏跟踪支架的跟踪角度的计算是仅考虑其所控制的光伏跟踪支架自身的地理位置与太阳位置关系这一单一条件的计算，在无任何其他干扰因素的情况下，该计算结果可以直接应用。这里的天文算法属于已有方法，不再赘述。

3、获取当前角度任务

获取当前角度即获取对应的光伏跟踪支架所处的角度。获取当前角度任务的流程为：子控制器由检测光伏跟踪支架当前所处角度的角度传感获得当前角度信息，并基于当前角度信息与前一次获得的角度信息的对比结果和一段设定之间内光伏跟踪支架的角度累计变化量更新角度值。

具体如附图3所示，当该任务的轮询时间到时，根据电机处于运行状态以及角度传感器的通讯状态确定采样周期，例如若角度传感器通信正常时采样周期采用200ms，否则采样周期采用1s。接着子控制器向角度传感器发送请求角度命令帧，在数据传输标志位置1时，角度传感器向子控制器传输数据，子控制器利用CRC校验码来判断所接收到的数据是否正确。若数据错误，则将数据错误计数进行累加，并返回主程序，或在累加到两次以上后提示传感器数据错误并返回主程序。若数据正确，则由所接收到的信息中解析出角度值，并与前一次由角度传感器获得的角度值进行比对，求出二者的差值。接下来判断差值是否大于3°。若是则表明所获得的角度异常，则将角度异常计数进行累加，并在累加达到两次以上时提示角度突变并返回主程序。若差值为大于3°，则说明角度数据正确，继而判断一定时间内采样地光伏跟踪支架的累计变化角度情况，如判断20s内角度变化是否小于1°，若是则将当前角度信息中包含的角度值进行更新，以供使用。

4、获取当前环境任务

获取当前环境任务的流程为：子控制器根据当前光伏跟踪支架所处的环境确定光伏跟踪支架是否应处于具有固定角度的固定工作模式。

光伏跟踪支架具有固定角度的固定工作模式包括有以下几种情况：当遭遇恶劣天气，如大风、降雪时；当处于夜间时；当需要清洗光伏面板（定时触发清洗或主动触发清洗）时等，均需要将光伏跟踪支架调至特定的所需角度。因此，子控制器它可以通过风速传感器获得风速数据、由降雪传感器获取降雪情况、由光照传感器获得光照情况或由相关控制器件获取是否需要清洗光伏面板。

以对风速进行判断为例，如附图4所示，通过风速传感器获得当前的风速值。预设有由大到小的极限风速、保护风速和恢复风速三个节点值。当当前风速值大于或等于极限风速时，即需要执行大风保护动作，将光伏跟踪支架放至特定角度。而当当前风速大于或等于保护风速且小于极限风速且持续时间达到设定的保护时间，如30s时，也需要执行大风保护动作。而当当前风速降低至大于恢复风速且小于保护风速时，返回主程序，当当前风速降低至恢复风速及以下时，若此刻没有执行风速保护动作则返回主程序，若此时正在执行风速保护动作，则开始恢复时间计时，当恢复时间计时达到设定的恢复时间，如300s时停止风速保护动作。由此就可以判断出是否需要根据风速情况将光伏跟踪支架调至特定角度。

5、获取开关量、模拟量任务

开关量主要包括光伏发电系统中拨码开关、按键和限位装置等的码信息、按键信息和限位信息，模拟量主要包括电机的电机电流以及温度等。获取开关量、模拟量任务的流程为：子控制器获取拨码信息、按键信息和限位信息作为开关量，并基于开关量判断是否出现故障；子控制器获取电机的电流作为模拟量，并基于模拟量判断电机是否出现故障。若出现故障情况，则不能继续进行跟踪控制。

当对模拟量进行采集时，可以多次采集并求平均值来作为该模拟量的采样值用作判断。例如，针对电机电流，若多次（如50次）采用均值大于4A时，判断电机过载故障，而若电机处于运转状态且电机电流平均值却小于0.5A时，则判断电机处于不动故障状态。

对开关量进行采集时，轮询不同开关量的端口而获得对应的开关量。

6、系统状态处理任务

系统状态处理任务的流程为：子控制器根据手动运行按键是否被按下判断光伏跟踪支架应处于手动工作模式或自动工作模式，还可以进而进行是否有异常状态的判断。

7、电机处理任务

电机处理任务的流程为：子控制器根据光伏跟踪支架的应处于固定工作模式或手动工作模式或自动工作模式而产生对应的电机控制信号。电机控制信号中包含有基于工作模式而确定目标跟踪角度，该目标跟踪角度即当前实际需要使光伏跟踪支架旋转的跟踪角度。

当光伏跟踪支架的应处于固定工作模式（夜间、保护、清洗等模式）时，电机控制信号中包含的目标跟踪角度为对应的固定角度，从而使得光伏跟踪支架旋转至所需的固定角度。

当光伏跟踪支架的应处于手动工作模式时，电机控制信号中包含的目标跟踪角度为手动按键输入角度。即根据手动开关对应的操作，来标记电机运行方向标识为正转或反转，从而控制电机正转或反转。而停止按动按键时，则电机运行方向标志设置为停止，电机停转。上述手动操作过程均在光伏跟踪支架未达到机械限位的情况下执行，一旦达到机械限位位置，则电机运行方向标志设置为停止，电机停转。

当光伏跟踪支架应处于自动工作模式时，电机控制信号中包含的目标跟踪角度为主控制器计算获得的跟踪角度或子控制器计算获得的跟踪角度。由于子控制器所计算的跟踪角度仅为基于其自身地理位置信息和时间的理论角度，在较为理想的状态下，如天气晴好，相邻光伏跟踪支架无明显影响时适用。而主控制器所计算的跟踪角度则综合考虑了天气、相邻光伏跟踪支架之间的阴影等因素，适用于非理想状态。因此子控制器所计算的跟踪角度的和主控制器计算的跟踪角度在理想状态下偏差不大，在非理想状态下会出现较大偏差。因此，当光伏跟踪支架应处于自动工作模式时，子控制器判断主控制器计算获得的跟踪角度与子控制器计算获得的跟踪角度之差是否大于预设的阈值，若是，则电机控制信号中的目标跟踪角度为主控制器计算获得的跟踪角度，若否，则电机控制信号中的目标跟踪角度为子控制器计算获得的跟踪角度，从而达到更好的追踪效果。在实际的追踪过程中，根据目标跟踪角度与角度传感器检测的实际角度之差判断应使电机正转或反转，且需在角度传感器检测的实际角度处于光伏跟踪支架的最小跟踪角到最大跟踪角的范围内时进行追踪动作。

以上智能跟踪控制装置中，各个子控制部分通常均是独立运行的，但子控制部分也可以共享临近或相近的其他子控制部分的运行参数。例如当一个子控制部分对应的光伏面板发电量明显低于其他光伏面板时或采样模块获得的数据出现异常时，子控制器进入共享跟踪模式，子控制器获取与其参数最接近的另一子控制器的数据而用于进行跟踪控制。区别于常规的光复跟踪装置，一旦传感器等失效后设备就不能运行。本方案中基本相近两列或者多列之间的数据共享，一旦传感器等出现故障后，设备进入一种共享跟踪模式，共享其他相似设备的数据应急运行，待故障部件恢复后再进入正常跟踪模式，实现部分部件故障时，设备仍然能自动运行

子控制器中预设有常见的故障部件失效前后及失效临界点的状态信息，如电机电流、电机温度、驱动模块温度、编码器数据、传感器曲线、当前列对应的组串电压及电流；如电机温度过高可能是支架变形或者电机接近故障状态，如电机电流过大可能是输出堵转，电机电流过线可能是空载转动等等，子控制器基于故障部件失效前后及失效临界点的状态信息判断是否出现故障，即基于故障部件失效前后及失效临界点的状态信息形成经验判断条件用于判断，并在出现故障时控制电机停止运行或进行异常指示。当某些参数达到预设值时，提前告警，做到故障提前预警及故障准确自诊断，直接指导现场运维人员更换相关部件，实现快速故障诊断及设备恢复。

除了上述功能外，子控制器还可以设置限位和GPS异常处理任务，即能够判断针对光伏跟踪支架的追踪动作的限位装置是否出现异常或损坏并进行提示，能够判断GPS设备是否正常连接以及数据是否正确。对其他设备，如角度传感器风速传感器等也可以根据其状态判断是否故障并进行相关指示。

上述智能跟踪控制方法中，软件内部采用模块化的处理方法可以根据现场使用条件，实时调用所需要模块，智能化的调整模块参数，实现跟踪控制装置对不同要求的自适应使用。

上述智能跟踪控制装置使用的位置传感器集成了多重功能，地磁和加速度传感器粗略定位设备位置，感光和电量传感器实现跟踪设备的准确跟踪，可以实现现场完全智能跟踪，无需人工调试；而且该多功能传感器之间可以相互备份，做到多重保护及跟踪，大大提高了设备的可靠性。

本装置从电站系统角度出发，综合支架跟踪、电源供电、系统组网、数据采集与处理、现场自适应学习与优化等各个环节的需求，提出了一种综合程度高、性价比优越的控制装置。该装置使用多合一传感器，可以根据不同工况要求启用传感器的不同功能，实现跟踪支架的快速、准确免调试跟踪。该装置使用将智能物联无线通讯方式应用到光伏跟踪系统中，可有效的降低系统成本及提高系统可靠性；该系统内置大容量存储卡，可实时存储控制器的本地数据，并根据本地数据分析处理，可自动调整支架跟踪角度，做到准确跟踪电站；该装置内部软件按照模块化的方式设计，各功能模块通过软件接口的方式相互联系，做到既相互独立又相互联系，实现了控制架构的最优设计。

该适用于光伏跟踪的智能跟踪控制方法及装置，从整个光伏电站系统角度考虑控制装置的功能定位及开发，在设计上兼顾功能性、可靠性及成本，是目前较为完善的光伏跟踪控制装置。本方案所提到的跟踪控制策略有很多是基于跟踪电站的大数据分析后得出，是前几年没有办法实现的。该装置大大提高了可靠性、智能性和客户体验，在技术上可以基于后续数据的更新与发掘不断完善，以可靠智能跟踪为基础，以最大化发电量为手段，以提高客户收益为目的。该装置同时基于当前市场最大的弊端做了大量的基础算法工作，通过光伏电站的已有数据收集，通过相关算法的优化，实现了不同地形、不同天气、不同时间的自适应学习算法，做到现场能完全免调试运维的高精度、高可靠性的跟踪，有效降低运维及售后成本，提升发电收益，做到光伏电站业主收益最大化。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，用于控制光伏发电系统中的安装有光伏面板的光伏跟踪支架，其特征在于：所述适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置包括通过无线方式组网实现通讯的集中控制部分和若干子控制部分；

所述集中控制部分包括与光伏电站的电站平台通讯并能够获得发电数据的主控制器、与所述主控制器相通讯而向所述主控制器提供气象数据的气象数据采集设备、与所述主控制器相通讯而向所述主控制器提供地理位置信息和世界时钟信息的GPS设备；

各所述子控制部分与各所述光伏跟踪支架相对应设置，每个所述子控制部分包括子控制器、采样模块、存储模块、驱动模块、电源模块、能够与所述主控制器通讯的通讯模块，所述采样模块、所述存储模块、所述驱动模块、所述电源模块、所述通讯模块分别与所述子控制器相连接；所述采样模块用于对所对应的所述光伏跟踪支架的运动参数、所在环境的环境参数、模拟量和数字量进行采样并提供给所述子控制器，所述电源模块用于为所述子控制器供电；

所述主控制器根据各所述子控制器提供的各所述光伏跟踪支架的数据，并综合所述气象数据、所述地理位置信息和所述世界时钟信息而分别计算各所述光伏跟踪支架的追踪角度并分别传给对应的所述子控制器，所述子控制器用于根据所述采样模块提供的数据计算其对应的所述光伏跟踪支架的追踪角度，并综合所述主控制器计算的追踪角度和所述光伏跟踪支架的工作模式来生成电机控制信号，并通过所述驱动模块控制驱动所述光伏跟踪支架的电机，所述存储模块用于存储所述子控制器工作过程中的各种数据；

所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置的智能跟踪控制方法，包括按周期实施的以下步骤：

步骤1：所述主控制器由所述GPS设备获取地理位置信息和世界时钟信息并传送给各所述子控制器；各所述子控制器由所述采样模块获取其对应的所述光伏跟踪支架的数据并上传给所述主控制器；

步骤2：所述主控制器综合各所述子控制器上传的各所述光伏跟踪支架的数据和所述气象数据、所述地理位置信息和所述世界时钟信息，采用矩阵投影延伸法计算各所述光伏跟踪支架的阴影，进而分别计算出各所述光伏跟踪支架的跟踪角度并传给对应的各所述子控制器；

步骤3：各所述子控制器基于所述理位置信息和世界时钟信息计算其对应的所述光伏跟踪支架的跟踪角度；各所述子控制器根据其计算得到的其对应的所述光伏跟踪支架的跟踪角度、所述主控制器计算得到的其对应的所述光伏跟踪支架的跟踪角度以及所述光伏跟踪支架的工作模式确定其对应的所述光伏跟踪支架的目标跟踪角度并生成包含所述目标跟踪角度的所述电机控制信号来控制所述电机；

所述子控制器通过依次执行时间处理子任务，计算跟踪角度任务，获取当前角度任务，获取当前环境任务，获取开关量、模拟量任务，系统状态处理任务和电机处理任务而完成所述步骤3；

所述时间处理子任务的流程为：所述子控制器判断由所述主控制器获得的世界时钟信息是否正确，若正确则更新其时间；

所述计算跟踪角度任务的流程为：所述子控制器根据由所述主控制获得的地理位置信息和世界时钟信息而采用天文算法计算太阳高度角和方位角，并基于所述太阳高度角和方位角计算所述光伏跟踪支架的跟踪角度；

所述获取当前角度任务的流程为：所述子控制器由检测所述光伏跟踪支架当前所处角度的角度传感获得当前角度信息，并基于当前角度信息与前一次获得的角度信息的对比结果和一段设定之间内所述光伏跟踪支架的角度累计变化量更新角度值；

所述获取当前环境任务的流程为：所述子控制器根据当前所述光伏跟踪支架所处的环境确定所述光伏跟踪支架是否应处于具有固定角度的固定工作模式；

所述获取开关量、模拟量任务的流程为：所述子控制器获取拨码信息、按键信息和限位信息作为开关量，并基于所述开关量判断是否出现故障；所述子控制器获取电机的电流作为模拟量，并基于所述模拟量判断所述电机是否出现故障；

所述系统状态处理任务的流程为：所述子控制器根据手动运行按键是否被按下判断所述光伏跟踪支架应处于手动工作模式或自动工作模式；

所述电机处理任务的流程为：所述子控制器根据所述光伏跟踪支架的应处于所述固定工作模式或所述手动工作模式或所述自动工作模式而产生对应的所述电机控制信号；当所述光伏跟踪支架的应处于所述固定工作模式时，所述电机控制信号中包含的目标跟踪角度为对应的固定角度；当所述光伏跟踪支架的应处于所述手动工作模式时，所述电机控制信号中包含的目标跟踪角度为手动按键输入角度；当所述光伏跟踪支架应处于所述自动工作模式时，所述电机控制信号中包含的目标跟踪角度为所述主控制器计算获得的跟踪角度或所述子控制器计算获得的跟踪角度。

2.根据权利要求1所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，其特征在于：所述集中控制部分和各所述子控制部分通过Zigbee方式组网通讯。

3.根据权利要求1所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，其特征在于：所述电源模块与安装在所述光伏面板相连接并获得电能。

4.根据权利要求1所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，其特征在于：所述步骤2中，所述主控制器将相邻所述光伏跟踪支架之间的间距、所述光伏面板的长度作为常量，将相邻所述光伏跟踪支架之间的高度差作为变量进行所述矩阵投影延伸法计算。

5.根据权利要求1所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，其特征在于：所述电机处理任务中，当所述光伏跟踪支架应处于所述自动工作模式时，判断所述主控制器计算获得的跟踪角度与所述子控制器计算获得的跟踪角度之差是否大于预设的阈值，若是，则所述目标跟踪角度为所述主控制器计算获得的跟踪角度，若否，则所述目标跟踪角度为所述子控制器计算获得的跟踪角度。

6.根据权利要求1所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，其特征在于：当一个所述子控制部分对应的光伏面板发电量明显低于其他所述光伏面板时或所述采样模块获得的数据出现异常时，所述子控制器进入共享跟踪模式，所述子控制器获取与其参数最接近的另一所述子控制器的数据而用于进行跟踪控制。

7.根据权利要求1所述的适用于光伏跟踪的智能跟踪控制装置，其特征在于：所述子控制器中预设有故障部件失效前后及失效临界点的状态信息，所述子控制器基于所述故障部件失效前后及失效临界点的状态信息判断是否出现故障，并在出现故障时控制所述电机停止运行或进行异常指示。

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