CN110658856A - 一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法 - Google Patents

Abstract

一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，步骤是：1)通过查阅观测点所在经纬度、时区、时间，利用高精度的太阳位置计算方法确定观测点当地一天太阳的高度角h和方位角A；2)对追踪偏差效果测试条件下的光伏组件仿真光伏输出功率与偏差角的几何关系，以此确定追踪装置的容许偏差角β；3)根据香农采样定理，采样入射误差角φ即光线与光伏组件法线的夹角。当时确定追踪装置此刻的追踪位置；4)在电机等待动作时，预测两种减小偏差的效果，一是高度角电机不变方位角电机变化，二是高度角电机变化方位角电机不变，确定其中一方向电机的运动；5)采用超前—滞后的方法进行逐日追踪。本发明方法既能准确追踪，又能降低损耗，达到节能高效的目的。

Description

一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，涉及一种双轴追踪装置逐日追踪的方法，尤其涉及交替式余量型变频率追踪的方法。

背景技术

太阳能作为一种可再生的清洁能源具有其它能源无法比拟的优势，利用光伏技术发电已成为能源利用的潮流。在光伏发电系统中的追踪控制系统中，根据对太阳的跟踪方式不同，一般分为实时追踪、固定步长追踪与变频率追踪。考虑到实时追踪导致机械损耗极高且变频追踪算法不成熟的问题，目前较为常见的跟踪方式为固定步长追踪。但在设置步长大小时，步长过大将导致精度不够，步长过小将导致能耗浪费。再者，对于以容许偏差角β为控制量的双轴变频追踪中，大多为高度角与方位角的同步式跟踪，追踪能耗随各方向电机运动次数同步增加。因此，本发明提出了一种双轴交替式余量型变频率追踪方法。仿真结果发现，本发明的追踪方法相较于固定步长追踪运动次数下降12.5％，比传统变频率运动次数下降21.25％。由计算可知，实时追踪方法的能耗为本发明追踪方法的能耗的近20倍。由此可见本发明方法既能准确追踪，也能降低损耗，达到“节能、高效”的目的。

发明内容

本发明的目的是克服现有光伏发电量低、机械损耗大的缺点，提供一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法。该方法以视日运动轨迹模型为基础，太阳光线与光伏组件平面法线的夹角

为被控量，容许偏差角β为衡量条件，通过判断各方向电机减小偏差效果，在留有一定余量的情况下使方向电机交替式运动。该方法不仅保证了采光量，还有效降低了追踪系统频率，从而使净发电量达到较高的值。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，包括以下步骤：

(1)通过查阅观测点所在经纬度、时区、时间，利用高精度的太阳位置计算方法确定观测点当地一天太阳的高度角h和方位角A；

(2)对追踪偏差效果测试条件下的光伏组件仿真光伏输出功率与偏差角的几何关系，以此确定追踪装置的容许偏差角β；

(3)根据香农采样定理，采样入射误差角

即光线与光伏组件法线的夹角。当

时确定追踪装置此刻的追踪位置；

(4)在电机等待动作时，预测两种减小偏差的效果，一是高度角电机不变方位角电机变化，二是高度角电机变化方位角电机不变，确定其中一方向电机的运动；

(5)采用超前—滞后的方法进行逐日追踪。

进一步优选，所述步骤(1)的具体过程为：

首先通过时角坐标系向地平坐标系转换的方法求得太阳高度角h与太阳方位角A关于太阳赤纬角δ和太阳时角ω的表达式；其次查阅观测点所在经纬度、时区、时间信息；然后利用高精度方法计算太阳赤纬角δ和太阳时角ω；从而得到一种高精度的太阳位置。

进一步优选，所述步骤(2)的具体过程为：

选取某光伏组件在不同偏差角下的最大功率输出，通过归一化处理后得到偏差角与输出功率比的测试数据，进行曲线拟合，得到输出功率比不低于90％的极限偏差角为所述的容许偏差角β。

进一步优选，在所述步骤(3)中，所述的香农采样定理，选取的极限采样频率需大于两倍的当日太阳运动最大变化速率下的最小采样频率，从而保证不失真；判断入射误差角

与容许偏差角β的几何关系，当时，各方向电机均处于等待状态，当时，需确定该追踪装置的位置为基准点，并预测下一周期内各方向电机减小偏差的效果。

进一步优选，在所述步骤(4)中，所述的预测各方向电机减小偏差的效果，确定其中一方向电机运动包括以下步骤：

(4-1)设当前跟踪器法线所指太阳高度角与方位角分别为h_n(t₀)和A_n(t₀)，下一周期开始时太阳高度角与方位角为h_l(t₀+t_s)和A_l(t₀+t_s)；当高度角电机变化，方位角电机不变，即h_n(t₀+t_s)＝h_l(t₀+t_s)，A_n(t₀+t_s)＝A_l(t₀)，计算偏差角R₁；当高度角电机不变，方位角电机变化，即h_n(t₀+t_s)＝h_l(t₀)，A_n(t₀+t_s)＝A_l(t₀+t_s)，计算偏差角R₂；

(4-2)若R₁≤R₂，则确定水平方向旋转，跳转至步骤(5-1)；若R₁>R₂，则确定竖直方向旋转，跳转至步骤(5-2)。

进一步优选，在所述步骤(5)中，所述的采用超前—滞后的方法逐日跟踪，具体包括以下步骤：

(5-1)以

时的采样点为基准点，对高度角电机h_n继续变化而方位角电机A_n保持不变的N个周期内太阳光线与光伏组件平面法线的入射误差角度

进行迭代计算判断；设P₁为第n个采样点时入射误差角，P₂为第n+1个采样点时入射误差角；当|P₁|≤β,|P₂|≤β时，各电机均保持不动作，直到|P₁|≤β,|P₂|>β时，执行高度角电机至入射误差角为P₁时光伏组件平面法线所指向的高度角与方位角的位置；其中n＝2,3,4…n,n+1…N；

(5-2)以

时的采样点为基准点，对高度角电机h_n保持不变而方位角电机A_n继续变化的N个周期内太阳光线与光伏组件平面法线的入射误差角度

进行迭代计算判断；设Q₁为第n个采样点时入射误差角，Q₂为第n+1个采样点时入射误差角；当|Q₁|≤β,|Q₂|≤β时，各电机均保持不动作，直到|Q₁|≤β,|Q₂|>β时，执行方位角电机至入射误差角为Q₁时光伏组件平面法线所指向的高度角与方位角的位置；其中n＝2,3,4…n,n+1…N；

(5-3)运动结束后，跳转至步骤(3)。

与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

1.本发明采用了以容许偏差角为衡量条件的跟踪，相比较于传统以固定步长为衡量条件的追踪，追踪的根本依据发生了主要变化。该方法使得光伏组件在保证了输出功率的条件下对太阳进行了有效跟踪。

2.本发明在双轴追踪装置追踪时通过条件选择，只需某一方向电机的运动即可达到减小误差的目的，这样大大降低机械运动磨损。在观测日仿真结果中，同步式变频率追踪高度角电机和方位角电机各追踪40次，而利用本发明方法方位角电机仅运动23次。利用某一算例计算机械损耗，同步式追踪的能耗是交替式追踪能耗的1.27倍。

3.本发明采用超前—滞后跟踪，在留有一个容许偏差角余量下使追踪装置在等待的过程中经历入射误差角由大变小再变大的过程。通过光能函数F＝Psint+P₀可知，

该追踪方式即可以使电机运动更接近视日运动轨迹，接受到更多太阳辐射能量。

附图说明

图1是本发明一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法的一种实施例的逐日追踪流程图。其中图1a为主流程图，图1b为确定某一方向电机运动的选择流程图，图1c为在进行逐日追踪的流程图。

图2是本发明一实施例选取的某光伏组件在不同误差角度下最大输出功率比的测试数据拟合曲线图。

图3是本发明一实施例求取太阳高度角、方位角的地平坐标系与时角坐标系转换示意图。

图4是本发明一实施例在2018年6月21日(夏至日)10:30—12:30之间光伏组件对太阳的追踪仿真图。其中图4a为光伏组件对高度角追踪，图4b为光伏组件对方位角追踪。

图5所示是本发明一实施例在2018年6月21日(夏至日)11:00—12:00之间光伏组件的高度角电机与方位角电机具体追踪角度变化表。

图6是本发明的一实施例在2018年6月21日(夏至日)采用不同追踪策略下追踪轨迹的对比仿真图。其中图6a为双轴固定步长追踪方法下的追踪轨迹仿真图，图6b为双轴变频率追踪(同步滞后追踪)下的追踪轨迹仿真图，图6c为交替式余量型双轴变频率追踪下的追踪轨迹仿真图。

具体实施方式

本发明的原理是：本发明一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法是以视日运动轨迹模型为基础，以入射误差角为被控量，以容许偏差角β为衡量条件。当

时，电机不动作，一直对太阳高度角及方位角进行采样，一旦

时，各方向电机均处于预备追踪状态。在光伏组件某一电机转动之前首先预测下一周期的两种情况：①高度角电机变化，方位角电机不变时的减小偏差的效果；②高度角电机不变，方位角电机变化时的减小偏差的效果。在确定某一方向电机转动后即可逐日追踪。在追踪过程中，采用超前—滞后的方法，即冗余一个容许偏差角的余量，保证光伏组件与太阳光线法线之间的夹角大小在±β之间。该方法既保证了输出功率最大化，也保证了单方向电机转动，减小磨损。

本发明是一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，包括以下步骤：

(1)通过查阅观测点所在经纬度、时区、时间，利用高精度的太阳位置计算方法确定观测点当地一天太阳的高度角h和方位角A；

(2)对追踪偏差效果测试条件下的光伏组件仿真光伏输出功率与偏差角的几何关系，以此确定追踪装置的容许偏差角β；

(3)根据香农采样定理，采样入射误差角

即光线与光伏组件法线的夹角；当

时确定追踪装置此刻的追踪位置；

(4)在电机等待动作时，预测两种减小偏差的效果，一是高度角电机不变方位角电机变化，二是高度角电机变化方位角电机不变，确定其中一方向电机的运动；

(5)采用超前—滞后的方法进行逐日追踪。

进一步优选，所述步骤(1)的具体过程为：

首先通过时角坐标系向地平坐标系转换的方法求得太阳高度角h与太阳方位角A关于太阳赤纬角δ和太阳时角ω的表达式；其次查阅观测点所在经纬度、时区、时间信息；然后利用高精度方法计算太阳赤纬角δ和太阳时角ω；从而得到一种高精度的太阳位置。

进一步优选，所述步骤(2)的具体过程为：

选取某光伏组件在不同偏差角下的最大功率输出，通过归一化处理后得到偏差角与输出功率比的测试数据，进行曲线拟合，得到输出功率比不低于90％的极限偏差角为所述的容许偏差角β。

进一步优选，在所述步骤(3)中，所述的香农采样定理，选取的极限采样频率需大于两倍的当日太阳运动最大变化速率下的最小采样频率，从而保证不失真；判断入射误差角

与容许偏差角β的几何关系，当

时，各方向电机均处于等待状态，当

时，需确定该追踪装置的位置为基准点，并预测下一周期内各方向电机减小偏差的效果。

进一步优选，在所述步骤(4)中，所述的预测各方向电机减小偏差的效果，确定其中一方向电机运动包括以下步骤：

(4-1)假设当前跟踪器法线所指太阳高度角与方位角分别为h_n(t₀)和A_n(t₀)，下一周期开始时太阳高度角与方位角为h_l(t₀+t_s)和A_l(t₀+t_s)；当高度角电机变化，方位角电机不变，即h_n(t₀+t_s)＝h_l(t₀+t_s)，A_n(t₀+t_s)＝A_l(t₀)，计算偏差角R₁；当高度角电机不变，方位角电机变化，即h_n(t₀+t_s)＝h_l(t₀)，A_n(t₀+t_s)＝A_l(t₀+t_s)，计算偏差角R₂；

(4-2)若R₁≤R₂，则确定水平方向旋转，跳转至步骤(5-1)；若R₁>R₂，则确定竖直方向旋转，跳转至步骤(5-2)。

进一步优选，在所述步骤(5)中，所述的采用超前—滞后的方法逐日跟踪具体包括以下步骤：

(5-1)以

时的采样点为基准点，对高度角电机h_n继续变化而方位角电机A_n保持不变的N个周期内太阳光线与光伏组件平面法线的入射误差角度

进行迭代计算判断；设P₁为第n个采样点时入射误差角，P₂为第n+1个采样点时入射误差角；当|P₁|≤β,|P₂|≤β时，各电机均保持不动作，直到|P₁|≤β,|P₂|>β时，执行高度角电机至入射误差角为P₁时光伏组件平面法线所指向的高度角与方位角的位置；其中n＝2,3,4…n,n+1…N；

(5-2)以

时的采样点为基准点，对高度角电机h_n保持不变而方位角电机A_n继续变化的N个周期内太阳光线与光伏组件平面法线的入射误差角度

进行迭代计算判断；设Q₁为第n个采样点时入射误差角，Q₂为第n+1个采样点时入射误差角；当|Q₁|≤β,|Q₂|≤β时，各电机均保持不动作，直到|Q₁|≤β,|Q₂|>β时，执行方位角电机至入射误差角为Q₁时光伏组件平面法线所指向的高度角与方位角的位置；其中n＝2,3,4…n,n+1…N；

(5-3)运动结束后，跳转至步骤(3)。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1所示是本发明一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法的一种实施例的逐日追踪流程图，包括以下步骤：

(1)通过查阅观测点所在经纬度、时区、时间，利用高精度的太阳位置计算方法确定观测点当地一天太阳的高度角h和方位角A；

(2)对追踪偏差效果测试条件下的光伏组件仿真光伏输出功率与偏差角的几何关系，以此确定追踪装置的容许偏差角β；

(3)根据香农采样定理，采样入射误差角

即光线与光伏组件法线的夹角。当

时确定追踪装置此刻的追踪位置；

(4)在电机等待动作时，预测两种减小偏差的效果，一是高度角电机不变方位角电机变化，二是高度角电机变化方位角电机不变，确定其中一方向电机的运动；

(5)采用超前—滞后的方法进行逐日追踪。

图2所示是本发明一实施例选取的某光伏组件在不同偏差角下最大输出功率比的测试数据拟合曲线图。在双轴装置追踪过程中，定义“入射误差角”

为太阳入射光线

与光伏组件法线的夹角。定义高度角为h，方位角为A。当入射误差角

为0，即光伏组件恰好垂直于太阳入射光线，此时接收效率最高，接收的辐射能量最大。在地平坐标系下，任意时刻的太阳入射光线的位置点坐标为

光伏组件的法线坐标为则

与

之间的夹角，即入射误差角可由公式(1)求得：

由于太阳在连续运动，如果追踪装置一直保持“等待”状态，那么入射误差角将不断增大，角度的增大必然会使光伏组件输出功率减小。使光伏组件输出功率比不超过90％的角度称为光伏组件的工作角度。本发明将满足该极限要求的工作角定义为“容许偏差角”β。

图3所示是本发明一实施例求取太阳高度角、方位角的地平坐标系与时角坐标系转换示意图。通过将两坐标系坐标原点重合可知，Z轴与z轴夹角为θ＝90°-l_a，其中l_a为观测点纬度。由左手旋转法则知，时角坐标系经逆时针旋转θ取负后得到地平坐标系，坐标变换过程为：

式中，

——地平坐标系中的坐标；

——时角坐标系中的坐标

通过坐标转换可推导出太阳高度角及方位角公式：

h＝arcsin(sinδsinl_a+cosδcosωcosl_a)(3)

式中，h——太阳高度角；A*——未修正方位角，即光线投影与正南轴构成的夹角。在以正北为0°的情况下需要利用时角对方位角进行修正。ω<0°时(上午)，A＝180°-A*，ω>0°时(下午)，A＝180°+A*，整体范围在0°～360°。

图4所示是本发明一实施例在2018年6月21日(夏至日)10:30—12:30之间光伏组件对太阳的追踪仿真图。其中图4a为光伏组件对高度角追踪，图4b为光伏组件对方位角追踪。电机每运动一次，入射误差角都将会经历先变小后变大的过程。该方式一方面延长了电机的等待时间，另一方面可以使光伏组件接收到更多的能量。

图5所示是本发明一实施例在2018年6月21日(夏至日)11:00—12:00之间光伏组件的高度角电机与方位角电机具体追踪角度变化表，可更加直观地分析入射误差角的变化情况。

图6所示是本发明的一实施例在2018年6月21日(夏至日)采用不同追踪策略下追踪轨迹的对比仿真图。其中图6a为双轴固定步长追踪方法下的追踪轨迹仿真图，图6b为双轴变频率追踪(同步滞后追踪)下的追踪轨迹仿真图，图6c为交替式余量型双轴变频率追踪下的追踪轨迹仿真图。对于双轴固定步长追踪，仿真中设定步长为20分钟/步，虽然运动次数大大降低，但随着太阳运行速率的变化，设置固定步长会严重影响光伏组件的发电效率。对于双轴变频率追踪，以2°的容许偏差角来控制追踪，虽然保证了输出功率，但由仿真图可见，双轴电机依然处于同时启停的状态，且追踪装置的位置一直滞后于太阳运动，并没有有效利用容许偏差角这一条件。相比较于上述两种追踪策略，优化后的双轴变频率追踪在11:00:00至13:00:00之间两电机在留有余量的前提下交替式运动，动作次数明显减少，甚至有超过1小时的时间高度角电机没有追踪。既保证了输出效率，也减少了机械能耗，实现了“节能高效”的目标。

总之，本发明以“节能高效”为主旨，在保证输出功率比始终在90％以上的前提下，提出了一种光伏发电系统中双轴交替式余量型追踪装置的变频率追踪策略。在传统的固定步长追踪的基础上，最大程度地利用容许偏差角。交替式余量型变频率追踪方法下的追踪装置不仅保证了采光量，还减少了机械损耗，从而使净发电量达到较高的值。本发明方法具有较好的追踪效果。

Claims (6)

1.一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过查阅观测点所在经纬度、时区、时间，利用高精度的太阳位置计算方法确定观测点当地一天太阳的高度角h和方位角A；

(2)对追踪偏差效果测试条件下的光伏组件仿真光伏输出功率与偏差角的几何关系，以此确定追踪装置的容许偏差角β；

(3)根据香农采样定理，采样入射误差角

即光线与光伏组件法线的夹角；当时确定追踪装置此刻的追踪位置；

(4)在电机等待动作时，预测两种减小偏差的效果，一是高度角电机不变方位角电机变化，二是高度角电机变化方位角电机不变，确定其中一方向电机的运动；

(5)采用超前—滞后的方法进行逐日追踪。

2.根据权利要求1所述的一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体过程为：

首先通过时角坐标系向地平坐标系转换的方法求得太阳高度角h与太阳方位角A关于太阳赤纬角δ和太阳时角ω的表达式；其次查阅观测点所在经纬度、时区、时间信息；然后利用高精度方法计算太阳赤纬角δ和太阳时角ω；从而得到一种高精度的太阳位置。

3.根据权利要求1所述的一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程为：

选取某光伏组件在不同偏差角下的最大功率输出，通过归一化处理后得到偏差角与输出功率比的测试数据，进行曲线拟合，得到输出功率比不低于90％的极限偏差角为所述的容许偏差角β。

4.根据权利要求1所述的一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述的香农采样定理，选取的极限采样频率需大于两倍的当日太阳运动最大变化速率下的最小采样频率，从而保证不失真；判断入射误差角

与容许偏差角β的几何关系，当时，各方向电机均处于等待状态，当

时，需确定该追踪装置的位置为基准点，并预测下一周期内各方向电机减小偏差的效果。

5.根据权利要求1所述的一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述的预测各方向电机减小偏差的效果，确定其中一方向电机运动的具体方法包括以下步骤：

(4-1)设当前跟踪器法线所指太阳高度角与方位角分别为h_n(t₀)和A_n(t₀)，下一周期开始时太阳高度角与方位角为h_l(t₀+t_s)和A_l(t₀+t_s)；当高度角电机变化，方位角电机不变，即h_n(t₀+t_s)＝h_l(t₀+t_s)，A_n(t₀+t_s)＝A_l(t₀)，计算偏差角R₁；当高度角电机不变，方位角电机变化，即h_n(t₀+t_s)＝h_l(t₀)，A_n(t₀+t_s)＝A_l(t₀+t_s)，计算偏差角R₂；

(4-2)若R₁≤R₂，则确定水平方向旋转，跳转至步骤(5-1)；若R₁＞R₂，则确定竖直方向旋转，跳转至步骤(5-2)。

6.根据权利要求1所述的一种双轴交替式余量型变频逐日追踪方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，所述的采用超前—滞后的方法逐日跟踪的具体方法，包括以下步骤：

(5-1)以时的采样点为基准点，对高度角电机h_n继续变化而方位角电机A_n保持不变的N个周期内太阳光线与光伏组件平面法线的入射误差角度

进行迭代计算判断；设P₁为第n个采样点时入射误差角，P₂为第n+1个采样点时入射误差角；当|P₁|≤β,|P₂|≤β时，各电机均保持不动作，直到|P₁|≤β,|P₂|＞β时，执行高度角电机至入射误差角为P₁时光伏组件平面法线所指向的高度角与方位角的位置；其中n＝2,3,4...n,n+1...N；

(5-2)以

时的采样点为基准点，对高度角电机h_n保持不变而方位角电机A_n继续变化的N个周期内太阳光线与光伏组件平面法线的入射误差角度

进行迭代计算判断；设Q₁为第n个采样点时入射误差角，Q₂为第n+1个采样点时入射误差角；当|Q₁|≤β,|Q₂|≤β时，各电机均保持不动作，直到|Q₁|≤β,|Q₂|＞β时，执行方位角电机至入射误差角为Q₁时光伏组件平面法线所指向的高度角与方位角的位置；其中n＝2,3,4...n,n+1...N；

(5-3)运动结束后，跳转至步骤(3)。

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