一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法

摘要

本发明公开了一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，包括步骤：(1)选取阈值角度β：查阅光伏双轴追踪装置所在地区的地理信息：经度、纬度、时区、日期信息，计算太阳实时高度角h与方向角A，绘制高度角h与方向角A曲线；并且测得光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度‑输出功率比曲线，并结合此曲线选取阈值角度β；(2)构建所述的阈值角度区间；(3)选定所述的阈值角度的采样时间t；(4)对光伏组件进行逐日控制：以太阳入射光线与光伏组件平面法线间的误差角度为控制对象；当误差角度位于阈值区间内时，光伏组件不动作；当误差角度位于阈值区间外时，光伏组件执行逐日追踪。本发明可降低光伏双轴追踪装置的起动与工作频率，减少能量损耗和机械磨损,有效提高光伏组件的发电量和使用寿命。

权利要求

1.一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)选取阈值角度β：查阅光伏双轴追踪装置所在地区的地理信息：经度、纬度、时区、日期信息，计算太阳实时高度角h与方向角A，绘制高度角h与方向角A曲线；并且测得光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线，并结合此曲线选取阈值角度β；

(2)构建所述的阈值角度区间；

(3)选定所述的阈值角度的采样时间t；

(4)对光伏组件进行逐日控制；

所述步骤(1)的具体过程为：通过对光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线的二阶求导，分析所述输出功率比曲线的斜率在其最大变化率处对应的误差角度，然后结合光伏双轴追踪装置的输出功率比要求，综合选定阈值角度；

在所述步骤(2)中所述的阈值角度区间的构建，是以阈值角度β的负值作为阈值角度区间的左极限，以阈值角度β的正值作为阈值角度区间的右极限；

在所述步骤(3)中所述的阈值角度的采样时间t的选取过程为：

对所述的光伏双轴追踪装置所在地区的太阳高度角h与方向角A曲线求取导数，得到太阳高度角h与方向角A的变化速率曲线；然后以所述高度角h与方向角A的最大变化速率v和阈值角度β求取采样时间t；其方法是：以光伏双轴追踪装置所在地区的太阳高度角h与方向角A在一天当中最大的变化速率v为基础，结合阈值角度β，通过1/(β/v)求得其最大频率fmax，设定采样频率fc≥2fmax,采样时间t即为1/fc。

2.根据权利要求1所述的一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，其特征在于,在所述步骤(4)中，所述的对光伏组件进行时控追踪控制包括以下步骤：(4-1)根据采样时间t，在三维地平坐标系中采样并计算太阳一天当中的高度角h与方向角A，所述的采样是指，在时间域上将太阳高度角h与方向角A的连续值转化为离散值的过程；

(4-2)读取俯仰角与方向角电机光电编码器的数据，在三维地平坐标系中，计算光伏组件平面法线的实时位置坐标；

(4-3)根据三角余弦公式计算太阳入射光线与光伏组件平面法线之间的误差角度(4-4)根据采样时间t进行采样，判断采样点处误差角度绝对值 是否大于设定的阈值角度β；若不大于，则跳转至步骤(4-1)，若大于，则跳转至步骤(4-5)；

(4-5)分别计算n与n+1采样时刻太阳高度角h与方向角A与计算时刻光伏池组件法线之间的误差角度，分别记作 所述的n＝0,1,2,3...N。

说明书

一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能发电技术领域，涉及光伏时控追踪控制方法，尤其是一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法。

背景技术

[0002] 太阳能发电现如今在新能源发电领域的应用日趋广泛。一般的逐日追踪装置，通常采用时控与光控相结合的追踪控制方法。对于陆地、低海拔地区，光控方法可以精确定位太阳实时位置，但对于应用在海洋、沙漠、高海拔等环境因素比较复杂的无人值守光伏双轴追踪装置时，光控方法会为光伏双轴追踪装置引入不稳定因素。

[0003] 专利申请“一种双轴光伏发电自动追日跟踪控制方法”(申请号：201510955125.4)公开了一种光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法。该方法在以正北方向为X轴，正东方向为Y轴，天顶方向为Z轴建立的地平坐标系中，根据太阳入射光线的高度角h与方向角A，利用时控的方法实时计算并修正光伏组件在方向角A与高度角h上的追踪误差角度，从而使光伏组件实时追踪太阳的运行轨迹，最大限度地利用太阳能。但是,该方法的实时追踪过程会造成光伏组件和跟踪装置的频繁起动与工作，进而带来装置的高能耗与高磨损问题，也会对光伏组件的发电量和使用寿命产生很大的影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，能够精确追踪太阳实时位置并不受环境因素的影响，可降低光伏组件和跟踪装置的频繁起动与工作，减少光伏双轴追踪装置的能量损耗和机械磨损,有效提高光伏组件的发电量和使用寿命。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 本发明一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，其特征在于,包括以下步骤：

[0007] (1)选取阈值角度β：查阅光伏双轴追踪装置所在地区的地理信息：经度、纬度、时区、日期信息，计算太阳实时高度角h与方向角A，绘制高度角h与方向角A曲线；并且测得光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线，并结合此曲线选取阈值角度β；

[0008] (2)构建所述的阈值角度区间；

[0009] (3)选定所述的阈值角度的采样时间t；

[0010] (4)对光伏组件进行逐日控制。

[0011] 所述步骤(1)的具体过程为：

[0012] 通过对光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线的二阶求导，分析所述输出功率比曲线的斜率在其最大变化率处对应的误差角度，然后结合光伏双轴追踪装置的输出功率比要求，综合选定阈值角度β。

[0013] 在所述步骤(2)中，所述的阈值角度区间的构建，是以阈值角度β的负值作为阈值角度区间的左极限，以阈值角度β的正值作为阈值角度区间的右极限。

[0014] 在所述步骤(3)中，所述的阈值角度的采样时间t的选取过程为：

[0015] 对所述的光伏双轴追踪装置所在地区的太阳高度角h与方向角A曲线求取导数，得到太阳高度角h与方向角A的变化速率曲线；然后以所述高度角h与方向角A的最大变化速率v和阈值角度β求取采样时间t；其方法是：以光伏双轴追踪装置所在地区的太阳高度角h与方向角A在一天当中最大的变化速率v为基础，结合阈值角度β，通过1/(β/v)求得其最大频率fmax，设定采样频率fc≥2fmax,采样时间t即为1/fc。

[0016] 在所述步骤(4)中，所述的对光伏组件进行时控追踪控制包括以下步骤：

[0017] (4-1)根据采样时间t，在三维地平坐标系中采样并计算太阳一天当中的高度角h与方向角A，所述的采样是指，在时间域上将太阳高度角h与方向角A的连续值转化为离散值的过程；

[0018] (4-2)读取俯仰角与方向角电机光电编码器的数据，在三维地平坐标系中，计算光伏组件平面法线的实时位置坐标；

[0019] (4-3)根据三角余弦公式计算太阳入射光线与光伏组件平面法线之间的误差角度[0020] (4-4)根据采样时间t进行采样，判断采样点处误差角度绝对值 是否大于设定的阈值角度β；若不大于，则跳转至步骤(4-1)，若大于，则跳转至步骤(4-5)；

[0021] (4-5)分别计算n与n+1采样时刻太阳高度角h与方向角A与计算时刻光伏池组件法线之间的误差角度，分别记作 所述的n＝0,1,2,3...N；

[0022] (4-6)判断n采样时刻的采样点处误差角度绝对值 是否大于或者等于阈值角度β，并且n+1采样时刻的采样点处误差角度绝对值 是否小于阈值角度β；若否，则令n＝n+1并跳转至步骤(4-5)；若是，则选取n采样时刻处太阳高度角h和方向角A为目标位置，控制俯仰角与方向角电机运动至目标位置；运动结束之后，跳转至步骤(4-1)。

[0023] 与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

[0024] 1.本发明以阈值角度β的负值作为阈值角度区间的左极限，以阈值角度β的正值作为阈值角度区间的右极限构建阈值角度区间，以太阳入射光线与光伏组件法线之间误差角度 和阈值角度区间之间的关系来判断光伏双轴追踪装置是否动作，使得光伏双轴追踪装置中的电机实现变频率启动，进而减小了光伏双轴追踪装置的能量损耗和机械结构磨损。

[0025] 2.本发明根据误差角度-输出功率比曲线和装置对于输出功率比的要求综合选定的阈值角度β，使得装置实际输出功率比始终保持在装置对输出功率比的要求之上，保证了装置对太阳能的高利用率。加之阈值角度β的引入减少了装置的能量损耗与机械结构磨损，使得应用本控制方法的双轴追踪装置可较应用上述相似控制方法的双轴追踪装置产生更大的经济效益。

[0026] 3.本发明对于采样时间t的选取方法，是以太阳高度角h与方向角A在一天当中最大的变化速率v为基础，结合阈值角度β，通过计算1/(β/v)求得其最大频率fmax，设定采样频率fc≥2fmax,采样时间t即为1/fc选定的。其可以有效的保证对误差角度 采样的有效性。

附图说明

[0027] 图1是本发明一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法的一种实施例的流程图；

[0028] 图2是本发明的一种实施例的光伏组件法线与太阳入射光线误差角度 示意图；

[0029] 图3为本发明的一种实施例的单一方向角A阈值角度追踪示意图。其中，在图3a、图3b、图3c中，太阳分别处于相应图示位置。

[0030] 图4为本发明的一种实施例的单一高度角h阈值角度追踪示意图。其中，在图4a、图4b、图4c中，太阳分别处于相应图示位置。

[0031] 图5为本发明的一种实施例的对于东海某无人值守海洋平台处太阳高度角h与方向角A仿真图；

[0032] 图6为本发明的一种实施例的对于东海某无人值守海洋平台处太阳高度角h与方向角A变化速率仿真图；

[0033] 图7为本发明的一种实施例的对于东海某无人值守海洋平台处误差角度-功率输出比仿真图；

[0034] 图8为本发明的一种实施例的在9月22日(秋分日)上午9时至12时时间段，对于本控制方法在单一方向角A追踪上与匀速追踪控制方法和定时起动追踪方法的对比仿真图；

[0035] 图9为本发明的一种实施例的在6月21日(夏至日)上午10时至11时时间段内，高度角h与方向角A追踪轨迹仿真图。

具体实施方式

[0036] 本发明的原理是：本发明是应用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，主要用于环境因素复杂，不适合引入光电传感器情况下的无人值守光伏双轴追踪装置。本发明引入阈值角度β的概念构建阈值角度区间，并以太阳入射光线与光伏组件平面法线之间误差角度 和阈值角度区间之间的关系来判断光伏双轴追踪装置是否动作，对太阳能的利用率高于匀速追踪控制方法和定时起动追踪控制方法。本发明在以天文学公式计算得到太阳高度角h与方向角A的基础上，以三维地平坐标系中光伏组件平面法线方向与太阳入射光线方向之间存在的误差角度 为基础，结合光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线，以及光伏双轴追踪装置对输出功率比的要求，综合得到光伏组件运行时所允许的阈值角度β。以阈值角度β的负值作为阈值角度区间的左极限，以阈值角度β的正值作为阈值角度区间的右极限构建阈值角度区间。当误差角度 位于阈值区间内时，光伏组件不动作；当误差角度 位于阈值区间外时，光伏组件输出功率比低于或临界于装置对输出功率比的要求值，此时电机启动，带动光伏组件执行逐日追踪。在执行逐日追踪时，光伏双轴追踪装置的俯仰角与方向角电机控制光伏组件转动，使光伏组件平面法线转动至比计算时刻太阳入射光线提前一个阈值角度β值的位置，以此来减少电机运动时间，并最大程度保证光伏组件的输出功率比。

[0037] 本发明一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，包括以下步骤：

[0038] (1)选取阈值角度β：查阅光伏双轴追踪装置所在地区的地理信息：经度、纬度、时区、日期信息，计算太阳实时高度角h与方向角A，绘制高度角h与方向角A曲线；并且测得光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线，并结合此曲线选取阈值角度β；

[0039] (2)构建所述的阈值角度区间；

[0040] (3)选定所述的阈值角度的采样时间t；

[0041] (4)对光伏组件进行逐日控制。

[0042] 所述步骤(1)的具体过程为：

[0043] 通过对光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线的二阶求导，分析所述输出功率比曲线的斜率在其最大变化率处对应的误差角度，然后结合光伏双轴追踪装置的输出功率比要求，综合选定阈值角度β。

[0044] 在所述步骤(2)中，所述的阈值角度区间的构建，是以阈值角度β的负值作为阈值角度区间的左极限，以阈值角度β的正值作为阈值角度区间的右极限。

[0045] 在所述步骤(3)中，所述的阈值角度的采样时间t的选取过程为：

[0046] 对所述的光伏双轴追踪装置所在地区的太阳高度角h与方向角A曲线求取导数，得到太阳高度角h与方向角A的变化速率曲线；然后以所述高度角h与方向角A的最大变化速率v和阈值角度β求取采样时间t；其方法是：以光伏双轴追踪装置所在地区的太阳高度角h与方向角A在一天当中最大的变化速率v为基础，结合阈值角度β，通过1/(β/v)求得其最大频率fmax，设定采样频率fc≥2fmax,采样时间t即为1/fc。

[0047] 在所述步骤(4)中，所述的对光伏组件进行时控追踪控制包括以下步骤：

[0048] (4-1)根据采样时间t，在三维地平坐标系中采样并计算太阳一天当中的高度角h与方向角A，所述的采样是指，在时间域上将太阳高度角h与方向角A的连续值转化为离散值的过程；所述采样时间t是指，两次采样之间的时间间隔；

[0049] (4-2)读取俯仰角与方向角电机光电编码器的数据，在三维地平坐标系中，计算光伏组件平面法线的实时位置坐标；

[0050] (4-3)根据三角余弦公式计算入射光线与光伏组件平面法线之间的误差角度[0051] (4-4)根据采样时间t进行采样，判断采样点处误差角度绝对值 是否大于设定的阈值角度β；若不大于，则跳转至步骤(4-1)，若大于，则跳转至步骤(4-5)；

[0052] (4-5)分别计算n与n+1采样时刻太阳高度角h与方向角A与计算时刻光伏池组件法线之间的误差角度，分别记作 所述的n＝0,1,2,3...N；所述采样时刻是指，采样开始经过数个采样时间t后的时间点；

[0053] (4-6)判断n采样时刻的采样点处误差角度绝对值 是否大于阈值角度β，并且n+1采样时刻的采样点处误差角度绝对值 是否小于阈值角度β；若否，则令n＝n+1并跳转至步骤(4-5)；若是，则选取n采样时刻处太阳高度角h和方向角A为目标位置，控制俯仰角与方向角电机运动至目标位置；运动结束之后，跳转至步骤(4-1)。所述的采样点是指，采样时刻对应的太阳高度角h与方向角A的值。

[0054] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0055] 图1所示是本发明一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法的一种实施例的流程图，包括以下步骤：

[0056] (1)选取阈值角度β：查阅光伏双轴追踪装置所在地区的地理信息：经度、纬度、时区、日期信息，计算太阳实时高度角h与方向角A，绘制高度角h与方向角A曲线；并且测得光伏双轴追踪装置所在地区的误差角度-输出功率比曲线，并结合此曲线选取阈值角度β；

[0057] (2)构建所述的阈值角度区间；

[0058] (3)选定所述的阈值角度的采样时间t；

[0059] (4)对光伏组件进行逐日控制。

[0060] 图2所示是本发明的一种实施例的光伏组件平面法线与入射光线误差角度 示意图。其中，天空中太阳的实时位置可以由高度角h与方向角A表示，而太阳的高度角h与方向角A可以由下述方程给出：

[0061]

[0062] μ＝(T-12)×15°             (2)

[0063] h＝arcsin(sinlsinδ+coslcosδcosμ)               (3)

[0064] A＝arccos[coslsinδ-sinlcosδcosμ/cosh]               (4)[0065] 式中δ表示太阳赤纬角；m表示积日；μ表示太阳时角；T表示太阳时；l表示光伏双轴追踪装置所在地区的纬度；h表示太阳高度角；A表示太阳方向角。

[0066] 由上述方程可知，太阳入射光线的高度角h与方向角A可以表示为积日m和太阳时T的函数，记作(Al,hl)＝Fl(n,T)，在使用本控制方法的光伏双轴追踪装置上，光伏组件平面法线方向可以记作(Ap,hp)＝Fp(n,T)。将太阳入射光线与光伏组件平面法线变换到三维地平坐标系中，经过坐标变换后的太阳入射光线在该坐标系中可以记作(lx,ly,lz)＝(sin Al,cosAl,tanhl)，经过坐标变换后的光伏组件平面法线可以记作(px,py,px)＝(sin Ap,cosAp,tanhp)，其中三维地平坐标系X轴代表正北方向，Y轴代表正东方向，Z代表天顶方向。将坐标变换后的太阳入射光线与光伏组件平面法线进行角度合成得到误差角度 所述的误差角度 是指：太阳入射光线与光伏组件平面法线之间的夹角，其可表示为：

[0067]

[0068] 对于该误差角度 本发明实施例引入阈值角度β概念，即：即在光伏双轴追踪装置控制过程中，根据误差角度-输出功率比曲线和装置对于输出功率比的要求所综合选定的误差角度 称之为阈值角度β。以该阈值角度β构建阈值区间，对光伏组件的运动进行控制。

[0069] 当光伏组件平面法线和太阳入射光线之间的误差角度绝对值 大于该阈值角度β时，光伏双轴追踪装置带动光伏组件做逐日运动。当光伏组件平面法线和太阳入射光线之间的误差角度绝对值 小于该阈值角度β时，光伏双轴追踪装置静止。

[0070] 图3为本发明的一种实施例的单一方向角A阈值角度追踪示意图。其中，单一方向角A追踪为例，设单一方向角A追踪下的阈值角度为βA。如图3a所示，当太阳位于图示位置时，因为|θ|＜βA，所以此时方向角电机不动作。当数分钟后，太阳运行到如图3b所示位置时，因为|θ|＞βA，所以方向角电机动作，并带动光伏组件走到如图3c所示位置，使它们之间的角度余量保持在βA值内，该过程一共控制光伏组件运动2βA°，其中θ为太阳入射光线与光伏组件平面法线之间的夹角，βA为单一方向角A追踪下的阈值角度。

[0071] 图4为本发明的一种实施例的单一高度角h阈值角度追踪示意图。其中，以单一方高度角h追踪为例，设单一高度角h追踪下的阈值角度为βh。如图4a所示，当太阳位于图示位置时，因为θ＜βh，所以此时俯仰角电机不动作。当数分钟后，太阳运行到如图4b所示位置时，因为|θ|＞βh，所以俯仰角电机动作，并带动光伏组件走到如图4c所示位置，使它们之间的角度余量保持在βh值内，该过程一共控制光伏组件运动2βh°，其中θ为太阳入射光线与光伏组件平面法线之间的夹角，βh为单一高度角h追踪下的阈值角度。

[0072] 图5为本发明的一种实施例的对于东海某无人值守海洋平台处太阳高度角h与方向角A仿真图，其仿真地点位于我国东海某无人值守海洋平台，时间为9月22日。

[0073] 图6为本发明的一种实施例的对于东海某无人值守海洋平台处太阳高度角h与方向角A变化速率仿真图，其仿真地点位于我国东海某无人值守海洋平台，时间为9月22日。

[0074] 图7为本发明的一种实施例的对于东海某无人值守海洋平台处误差角度-功率输出比仿真图，该仿真以同一块光伏组件为基础，测试了短时间内光伏组件单纯因角度变化而引起输出功率比变化的曲线。

[0075] 图8为本发明的一种实施例的在9月22日(秋分日)9时至12时时间段，对于本控制方法在单一方向角A追踪上与匀速追踪控制方法和定时起动追踪方法的对比仿真图。观察此仿真图可知，本发明实施例在跟踪曲线上优于匀速追踪。同时相比于定时起动追踪来说，在太阳运行轨迹变化较慢时，减少了电机启动频率，在太阳运行轨迹变化较快时，加快了电机启动频率，保证了光伏组件的高输出功率比。

[0076] 图9为本发明的一种实施例的在6月21日(夏至日)上10时至11时时间段内，高度角h与方向角A追踪轨迹仿真图。由该图可知，本发明实施例在准确跟踪太阳高度角h与方向角A的同时，通过阈值角度β的选取改善了电机的启停频率，不仅提高了装置的稳定性，同时也减少了装置能耗和机械磨损，具有实用性与经济性。

[0077] 总之，本发明提供一种用于光伏双轴追踪装置的时控追踪控制方法，即使是在环境因素复杂且无人值守的状况下，光伏双轴追踪装置也能稳定高效的追踪太阳运动轨迹，做到太阳能利用率的最大化。本发明不同于以往的光伏追踪方法，在没有引入光电传感器的前提下，装置可精确追踪太阳实时位置并不受环境因素的影响，鲁棒性高。同时降低装置俯仰角与方向角电机启动频率，减少装置能耗和机械磨损，具有很好的经济性与实用性。