CN110658858B - 一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法，包含以下步骤：S1：建立平单轴不平坦地势前后排阵列不同逆跟踪角度的物理计算模型，根据该物理计算模型，得出理论计算的逆跟踪优化角度，并依照该物理计算模型进行逆跟踪优化设计；S2：在相邻的前、后排光伏阵列中分别安装至少一串智能组件，前、后排光伏阵列中的智能组串分别接入不同的两台逆变器，或分别接入逆变器不同的MPPT端口，记录各智能组串的发电数据；S3：根据各智能组串的发电数据，以第一排光伏阵列的智能组串的发电数据作为基准，判断后排光伏阵列是否存在遮挡，调整后排光伏阵列的逆跟踪角度，保证前后排阵列无阴影遮挡，从而提高光伏系统发电量。

Description

一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法。

背景技术

随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利等特点，近些年得到了快速发展。太阳能资源丰富、分布广泛且可持续利用，是21世纪最具发展潜力的可再生能源之一。

光伏组件的安装方式主要有固定支架、平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架以及双轴跟踪支架。相对于固定倾角式支架，跟踪支架可明显提高发电量，装机量以每年20％的速度快速增加。其中，平单轴跟踪支架因其结构简单实用、发电增益明显的特点得到了广泛应用。

目前跟踪支架的主要跟踪算法分为传统视日跟踪和逆跟踪。视日跟踪即根据地理信息及时间计算太阳高度角和太阳方位角，进而得到太阳光线在与轴向垂直平面上的投影，从而得到跟踪角度。而在早晚时刻，太阳高度角较小，理论视日跟踪角度较大，导致阵列间的相互遮挡，为了避免阴影遮挡导致的发电量损失，跟踪支架采用逆跟踪算法，即根据阵列间距、阵列宽度、太阳光线入射角等计算出逆跟踪角度，保证早晚阵列间无阴影遮挡。

现有的逆跟踪算法中，几乎都只针对平坦地势，如在公开号为CN105242693A，名称为“光伏系统跟踪及逆跟踪的方法”的中国发明专利申请文件中公开了一种计算常规平坦地势逆跟踪角度的方法。又如，在公开号为CN106933255A，名称为“不同地形自适应太阳能跟踪方法”中国发明专利申请文件中公开了一种计算不同地形逆跟踪角度的方法，但该方法只针对具有统一高度差的光伏系统，即统一斜面的地势，阵列具有相同逆跟踪角度，虽然该角度不同于常规平坦地势逆跟踪角度，但不适用于高度差不相同的不平坦地势。

在实际工程中，光伏电站大多数都安装在不平坦地势上，而且，即便是平坦地势，阵列间也可能存在一定高度差，如：地势高度差或者是支架安装产生的高度差；因此，即使是按照的理论计算出逆跟踪优化角度进行安装，依然会出现前后排互相遮挡的情况，造成发电量损失。因此，有必要设计一种优化的针对不平坦地势的逆跟踪方法，降低光伏组件前后排之间的遮挡,减少光伏系统的发电量损失。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法，对现有针对不同地形逆跟踪角度的计算方法进行优化，提高光伏系统发电量。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：建立平单轴不平坦地势前后排阵列不同逆跟踪角度的物理计算模型，根据该物理计算模型，得出理论计算的逆跟踪优化角度；

S2：在相邻的前、后排光伏阵列中分别安装至少一串智能组件，称为智能组串，前、后排光伏阵列中的智能组串分别接入不同的两台逆变器，或分别接入逆变器不同的MPPT端口，记录各智能组串的发电数据；

S3：根据各智能组串的发电数据，以第一排光伏阵列的智能组串的发电数据作为基准，判断后排光伏阵列是否存在遮挡，并根据判断结果，调整后排光伏阵列的逆跟踪角度。

进一步地，所述步骤S1包含如下步骤：

S1-1：根据安装地的经纬度及平太阳时，计算安装地的真太阳时以及表明时间变化的时角和赤纬角；

真太阳时计算公式为：ST＝T-[(120-L)/15]+ΔT，其中120为示例，即120°经度，北京时间所取的经度值；L为当地经度值；T为当地时间；ΔT为平太阳时与真太阳时差值；

时角计算公式为：ω＝15*(ST-12)；

赤纬角计算公式为：δ＝23.45*sin[2π*(284+n_d)/365]；

其中n_d代表一年中的第几天；

S1-2：在地平坐标系中，根据纬度、赤纬角、时角计算太阳高度角和太阳方位角；

太阳高度角计算公式为：

太阳方位角计算公式为：γ＝arcsin(cosδ*sinω/cosα)；

其中

当地纬度；

S1-3：根据太阳高度角的正切值和太阳方位角的正弦值求太阳光线在垂直平单轴轴向平面上的入射角A的正切值，进而求得天文视日跟踪倾角C，计算公式为：

tan A＝tanα/sinγ，C+A＝90°；

S1-4：当地势平坦时，根据组件长度d，阵列中心轴间距D，太阳光入射角A，根据正弦定理计算得出理论计算的逆跟踪优化角度B，计算公式为：

sin(180°-A-B)/D＝sin A/d；

S1-5：当地势不平坦，即相邻的前、后光伏排阵列各有高度差时，根据组件长度d，阵列中心轴间距D，太阳光入射角A，前、后排阵列高度差H,由前排光伏阵列的逆跟踪优化角度B，计算得出后排光伏阵列的逆跟踪优化角度B₁，计算公式如下：

cosB*d/2+(sinB*d/2+sinB₁*d/2+H)/tanA+cosB₁*d/2＝D；

S1-6：根据各光伏阵列高度差，以及，前排光伏阵列的逆跟踪优化角度，依次求出各后排光伏阵列的逆跟踪优化角度B₁至B_n，n为大于1的自然数。

本申请中，将第一排的光伏阵列的逆跟踪优化角度B定义为平坦地势逆跟踪角度值，各后排光伏阵列的逆跟踪优化角度值依次根据其前排光伏阵列的逆跟踪优化角度求出。

进一步地，在步骤S3后还包括步骤S4：通过长时间的记录及大数据分析，判断各光伏阵列间存在的高度误差，重复步骤S1-S3，修正计算模型，再通过各智能组件的发电数据对各光伏阵列的逆跟踪角度进行微调，直至实现前后排无阴影遮挡。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、针对不平坦地势，优化了逆跟踪角度计算方法的理论物理模型；

2、通过比较安装有智能组件的前后排智能组串发电数据，判断逆跟踪阶段，前后光伏阵列间是否存在阴影遮挡，对逆跟踪角度再次进行优化调节，最终保证逆跟踪阶段，阵列间无阴影遮挡，最大限度地提高了光伏组件的发电量。

附图说明

图1示出了当光伏阵列间存在高度差，而前后光伏阵列仍为平坦地势计算出逆跟踪角度时，光伏阵列间产生阴影遮挡的情形；

图2a，图2b为地平坐标系中的太阳高度角和太阳方位角示意图；

图3为平坦地势中前后排光伏阵列的逆跟踪角度计算示意图；

图4为本发明中不平坦地势前后排光伏阵列逆跟踪优化角度计算示意图；

图5为本发明中不平坦地势各光伏阵列逆跟踪优化角度示意图；

图6为本发明中不平坦地势各光伏阵列逆跟踪优化角度计算流程图；

图7示出了本发明中针对两个智能组串进行的阴影遮挡实验，对智能组串2进行了部分阴影遮挡；

图8为本发明中被遮挡智能组串2的电流随遮挡比例变化趋势图；

图9为本发明中结合智能组件发电数据的逆跟踪角度优化流程图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明做进一步详细的说明。

现有技术中的逆跟踪算法，几乎只针对平坦地势，而在工程实际中，光伏电站大多数都安装在不平坦地势上。而且即便是平坦地势，光伏阵列间也可能存在一定高度差，如地势高度差或者是支架安装时产生的高度差。因此理论计算出来的逆跟踪角度，依然会存在前后排光伏阵列互相遮挡的情况。如图1所示，光伏阵列的宽度d为2米，阵列中心轴间距D为4米，当太阳的入射光线角度A为13°时，理论计算出平坦地势逆跟踪角度为14度，但当后排光伏阵列低于前排阵列0.1米时，后排光伏阵列即会有约0.2米的阴影遮挡，遮挡比例约10％，造成发电量损失，因此，针对不平坦地势建立逆跟踪角度优化物理模型，具有十分重要的实用价值。

本发明提供的一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法，包含以下步骤：

S1：建立不平坦地势前后排阵列不同逆跟踪角度的物理计算模型，根据该物理计算模型，得出理论计算的逆跟踪优化角度；具体的计算方法如下：

S1-1：根据安装地的经纬度及平太阳时，计算安装地的真太阳时以及表明时间变化的时角和赤纬角；

真太阳时的计算公式为：ST＝T-[(120-L)/15]+ΔT，其中120为示例，即120°经度，北京时间所取的经度值；L为当地经度值；T为当地时间；ΔT为平太阳时与真太阳时差值；

时角计算公式为：ω＝15*(ST-12)；

赤纬角计算公式为：δ＝23.45*sin[2π*(284+n_d)/365]；

其中n_d代表一年中的第几天，如春分日为3月20日，为第80天，n_d取值为80；

S1-2：在地平坐标系中，根据纬度、赤纬角、时角计算太阳高度角和太阳方位角

太阳高度角计算公式为：

太阳方位角计算公式为：γ＝arcsin(cosδ*sinω/cosα)；

其中

当地纬度；

S1-3：根据太阳高度角的正切值和太阳方位角的正弦值求太阳光线在垂直平单轴轴向平面上的入射角A的正切值，进而求得天文视日跟踪倾角C

计算公式为：tan A＝tanα/sinγ，C+A＝90°；

S1-4：当地势平坦时，根据组件长度d，阵列中心轴间距D，太阳光入射角A，根据正弦定理计算得出理论计算的逆跟踪优化角度B

计算公式为：sin(180°-A-B)/D＝sin A/d；

S1-5：当地势不平坦，即相邻的前、后光伏排阵列有高度差时，将前述S1-4计算得出的逆跟踪优化角度B作为第一排光伏阵列的逆跟踪优化角度，根据组件长度d，阵列中心轴间距D，太阳光入射角A，前、后排阵列高度差H，计算得出位于第一排光伏阵列后方的第二排光伏阵列的逆跟踪优化角度B₁，计算公式如下：

cosB*d/2+(sinB*d/2+sinB₁*d/2+H)/tanA+cosB₁*d/2＝D；

S1-6：根据各光伏阵列高度差，以及，前排光伏阵列的逆跟踪优化角度，依次求出各后排光伏阵列的逆跟踪优化角度B₂至B_n，n为大于1的自然数。

本申请中，将平坦地势逆跟踪角度值作为不平坦地势下的第一排光伏阵列的逆跟踪优化角度B，各后排光伏阵列的逆跟踪优化角度值依次根据其前排光伏阵列的逆跟踪优化角度求出。

本申请中，“前排”、“后排”为相对概念，定义太阳所在方向为“前”，第一排光伏阵列为最靠近太阳的那一排光伏阵列，位于第一排后方的那一排光伏阵列为第二排光伏阵列；第二排光伏阵列相对于第一排光伏阵列为其“后排”光伏阵列，相对于第三排光伏阵列则为其“前排”光伏阵列，以此类推。

如图5所示，地势为不平坦地势，阵列宽度d为2米，阵列间距D为4米，太阳光线入射角A为13°，阵列间的高度差H依次为H₁＝0.1米、H₂＝0.08米、H₃＝-0.1米(其中，高度差H的正值表示后排阵列低于前排阵列，负值表示后排阵列高于前排阵列)，计算得出第一排光伏阵列逆跟踪角度与常规平地逆跟踪角度相同，为14°，第二排光伏阵列逆跟踪角度B₁通过第一排阵列求出，为8°，第三排光伏阵列逆跟踪角度B₂通过第二排阵列角度求出，为15°，依次类推，第四排逆跟踪角度为19°。图6示出了本发明的逆跟踪角度的计算流程。

通过上述计算步骤，可以得出理论上的逆跟踪优化角度B。但是，实际工程中，(1)：即使是平坦地势，阵列间也可能存在一定高度差，如地势高度差或者是支架安装产生的高度差。如图1所示，在实际安装过程中，如基础高度偏差等，极可能会有0.1米的安装误差，产生阴影遮挡。(2)：即使是坡度一致的统一坡面，即：高度差相同的地势，阵列间也可能存在一定的高度差；(3)即使地形勘探时给出了各阵列间的高度差值，但也存在测量误差和安装位置误差等情况。如图5所示的各阵列高度差，在测量时很难做到精准测量。因此理论计算出逆跟踪优化角度，前后排光伏阵列还是会出现互相遮挡的情况。本发明通过接收智能组件反馈的发电数据信息，判断是否有阴影遮挡，进而做出相应的再次优化角度调节。具体的原理如下：

如图7所示，两串光伏组件正常发电，将其中一串组件进行不同比例的阴影遮挡，对比两串组件的发电电流，对比结果如图8所示。从图8中可以看出，通过对比光伏阵列中前后排阵列的不同组串发电电流，可判断出阵列间是否会产生阴影遮挡。具体步骤如下：

S2：在相邻的前、后排光伏阵列中分别安装至少一串智能组件，称为智能组串，前、后排光伏阵列中的智能组串分别接入不同的两台逆变器，或分别接入逆变器不同的MPPT端口，记录各智能组串的发电数据；

S3：根据各智能组串的发电数据，以第一排光伏阵列的智能组串的发电数据作为基准(默认第一排光伏阵列无遮挡)，对比第二排光伏阵列的发电电流，当发生阴影遮挡时，第二排阵列的组串的电流会明显低于第一排组串，此时，将第二排阵列角度调小，直至第二排组件发电电流与第一排组件相近。同理，通过对比第三排阵列的发电电流，判断是否有阴影遮挡，有遮挡则调小第三排阵列逆跟踪倾角，无遮挡则角度不变。依次类推，直至阵列间均无阴影遮挡。

S4：通过长时间的记录及大数据分析，判断各光伏阵列间存在的高度误差，重复步骤S1-S3，修正计算模型，再通过各智能组件的发电数据对各光伏阵列的安装角度进行微调，直至基本实现前后排组件发电量相等，实现前后排无阴影遮挡。整体流程图如图9所示。

本发明中，基本实现前后排组件发电量相等，其相等为相对意义上的相等，判定标准为前后排的发电量在5％范围内，且确定该范围之前需进行发电数据的修正，如不同角度发电差异、前排阵列对后排阵列导致的“散射遮挡”等，即：前后排组件的经修正后的发电量，在在5％范围内。发电量的修正方式采用现有技术中常用的修正方式，在此不在赘述。

本发明还有其他实施方式，上文所列仅为本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明的实施范围。凡依本发明范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (2)

1.一种基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：建立平单轴不平坦地势前后排阵列不同逆跟踪角度的物理计算模型，根据该物理计算模型，得出理论计算的逆跟踪优化角度；

S2：在相邻的前、后排光伏阵列中分别安装至少一串智能组件，称为智能组串，前、后排光伏阵列中的智能组串分别接入不同的两台逆变器，或分别接入逆变器不同的MPPT 端口，记录各智能组串的发电数据；

S3：根据各智能组串的发电数据，以第一排光伏阵列的智能组串的发电数据作为基准，判断后排光伏阵列是否存在遮挡，并根据判断结果，依次调整后排光伏阵列的逆跟踪角度；

所述步骤S1包含如下步骤：

S1-1：根据安装地的经纬度及平太阳时，计算安装地的真太阳时以及表明时间变化的时角和赤纬角；

真太阳时计算公式为：

，其中120 为示例，即120°经度，北京时间所取的经度值； L为当地经度值；T为当地时间；ΔT为平太阳时与真太阳时差值；

时角计算公式为：

；

赤纬角计算公式为：

；

其中

代表一年中的第几天；

S1-2：在地平坐标系中，根据纬度、赤纬角、时角计算太阳高度角和太阳方位角；

太阳高度角计算公式为：

；

太阳方位角计算公式为：

；

其中

：当地纬度；

S1-3：根据太阳高度角的正切值和太阳方位角的正弦值求太阳光线在垂直平单轴轴向平面上的入射角A 的正切值，进而求得天文视日跟踪倾角C，计算公式为：

，/>

；

S1-4：当地势平坦时，根据组件长度d，阵列中心轴间距D，太阳光入射角A，根据正弦定理计算得出理论计算的逆跟踪优化角度B，计算公式为：

；

S1-5：当地势不平坦，即相邻的前、后光伏排阵列有高度差时，根据组件长度d，阵列中心轴间距D，太阳光入射角A，前、后排阵列高度差H,由前排光伏阵列的逆跟踪优化角度B，计算得出后排光伏阵列的逆跟踪优化角度B₁，计算公式如下：

；

S1-6：根据各光伏阵列高度差，以及，前排光伏阵列的逆跟踪优化角度，依次求出各后排光伏阵列的逆跟踪优化角度B₁至B_n，n为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的基于智能光伏组件的不平坦地势逆跟踪方法，其特征在于：在步骤S3 后还包括步骤S4：通过长时间的记录及大数据分析，判断各光伏阵列间存在的高度误差，重复步骤S1-S3，修正计算模型，再通过各智能组件的发电数据对各光伏阵列的逆跟踪角度进行微调，直至实现前后排无阴影遮挡。

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