基于PLC控制的微倾角单轴智能联动光伏发电追日跟踪系统的设计与效率分析

随着光伏发电成本下降，如何获得最高的投资收益率成为了各大投资发电企业的关注重点。光伏发电的原理是太阳能电池组件吸收太阳光辐射，将太阳能转化为电能输出，而输出的电能与太阳能电池组件吸收的太阳能辐射成正比，当太阳能电池组件垂直与太阳光入射角时所吸收的太阳能辐射最大，发电效率最高。光伏发电的形式分为固定式及跟踪式，而跟踪式光伏发电是获得更高发电量的途径，并且通过优化设计机械结构可以大大降低跟踪系统的成本，使其具有远远高于固定式光伏发电的竞争力。

1、跟踪控制方式分类

跟踪式光伏发电中常见的跟踪装置的控制系统主要分为：光强跟踪方式、时角跟踪方式、用户程序跟踪方式；而跟踪支架主要分为单轴跟踪及双轴跟踪。

光强跟踪方式：主要采用闭环控制，多利用光强传感器来检测太阳光线与太阳能电池组件平面入射角的偏差，当偏差超过设定阈值时，通过电机驱动机械转动来减小光线偏差，直到太阳光线与太阳能电池组件平面垂直来实现对太阳能高度角及方位角的跟踪。根据光强传感器的精度和类型，可以应用于单轴跟踪及双轴跟踪形式的光伏发电系统中。

时间跟踪方式：多应用于单轴跟踪系统，是一个预定的转速旋转跟踪，即以地球自转一周24h为周期，而太阳运动的时角是自东向西匀速变化的，正好为24h一周的时钟，故也称为时角跟踪。

用户程序跟踪方式：这种跟踪方式主要是使用控制器，可根据用户的特殊要求编制符合控制要求的控制程序。例如，可以通过位置传感器的反馈，结合跟踪支架的仰角（倾角）实现对太阳位置的跟踪以求达到太阳能电池组件获得最大的辐射量。

2、微倾角单轴智能联动光伏跟踪系统的设计

微倾角单轴智能联动光伏跟踪支架以微倾角（12�），一个电机拖动多个支架的形式安装。采用此种方式，是追求经济与实用性能相结合，经过理论计算得到产出与投入比最高的途径。根据支架的特点及工程安装的要求，实际工程控制中采用用户程序跟踪方式，控制流程如图1所示。

图1追日控制流程

如图所示，跟踪支架的跟踪以水平位置为起点，启动控制系统的“东启模式”——在当地太阳升起后预设的时间段内采用相同时间间隔启动电机至设定的跟踪点；当东启的预设时间结束后，支架将从跟踪点开始进入“正常跟踪模式”——根据计算控制电机的运转使得跟踪太阳入射光线始终落于微倾角法向平面内；当到达日落前的预设时间段内，系统启动“夜返模式”——跟踪太阳落下前的遮挡回旋支架以获得最大的余光提高电站的日发电量。同时，整个控制系统中实时监测电站风速，当电站环境风速高于设定安全阈值时将调平支架，确保安全，当风速小于一定值时重新进入跟踪状态。

2.1 微倾角跟踪装置的跟踪角的计算

根据用户跟踪装置所选择的12�倾角单轴跟踪方式计算跟踪角ρt与支架倾角βt、太阳高度角αs及方位角γs的关系式如下：

2.2 单控制器结构

整个控制系统结构仅由PLC控制器及现场设备层构成。

跟踪支架定位仪表——角位移传感器与控制器连接，控制器连接现场设备（比如现场的点击，各种传感器，智能仪表以及开关量等），起到对现场设备自动控制的作用。

2.3 控制系统硬件设计

2.3.1 控制单元

选择ABB公司AC500系列PLC的PM581-ETHCPU模块作为过程控制的中心控制单元。该CPU已含集成的装载存储器，用于保存用户程序和数据。

2.3.1 机械结构

单台试验样机采用单台电动推杆，通过钢丝绳柔性连接方式，同时对三台跟踪支架进行同步拖动，并设置其抗风等级为7级。

2.4 控制系统软件设计

系统的编程软件采用ABB公司的AutomationBuilderPS501V2.3版本。采用通俗易懂的梯形法及模块化编制控制程序，即将复杂的自动化任务分解成可以图形化程序语言，由相应的程序块来执行，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，通过各程序模块之间的调用，实现系统的数据采集，过程控制和保护等复杂的控制算法。

3、跟踪系统发电效率分析与创新

3.1 实验样机数据采集分析

（1）测试条件

选用相同规格型号相同厂家的230W多晶硅太阳能电池组件及同一厂家逆变器，在相同装机容量（1150W）的前提下，其中一组采用8�单轴跟踪方式，一组采用35�倾角的固定安装方式。

（2）实测数据记录

在春分日左右，即取2011年3-22日-24日两种支架安装方式的最优发电功率曲线进行比较，如图2所示。

图2 春分前后跟踪支架与固定支最大发电功率曲线

图3 2011年5月23日跟踪支架与固定支最大发电功率曲线

（3）结论与分析

由实测数据记录可知：

①在春分日左右的中午时分，固定式逆变器的功率输出略高于跟踪式逆变器，但前者当日当量小时小于后者，即相同装机容量下，跟踪方式的发电量要高于固定支架所发电量。

随着日照时间的增加，跟踪发电曲线的峰值功率也将随之增加，在光照强度足够的情况下，跟踪发电曲线的峰值功率将持平甚至超过固定发电曲线的峰值功率，如图3所示。

②跟踪方式下的发电曲线更为稳定平和，更适应于电网的入网要求，对电网的冲击影响缓于固定式光伏发电系统，发电效率优。

3.2系统设计的创新

国内外采用的追日跟踪方式多为实时定位追踪或者为时控追踪方式，这两种的方式缺点在于日出日落前两个小时内，由于跟踪角度过大，如果受到场地大小制约，那么朝东或朝西的支架将几乎遮挡身后的支架，这样如果是在大型电站中，这一部分时间的光照将完全达不到逆变器启动发电的条件。为了更好利用这四个小时的光照条件，使日照利用率提高，将控制模式增加东启阶段及日落阶段两个模式，这两个模式采用非实时定位追踪，而是根据不遮挡原则，采用间歇性启动或者夜返，这样能够更充分的利用好日照时间长的日子里的太阳辐射，增加发电量，提高收益率。

4结束语

现代光伏技术的迅猛发展，为电网的发展带来了新的技术和挑战。采用基于PLC控制的微倾角斜单轴追日跟踪控制系统，为提高光伏电站的发电效率及收益提供了更加灵活、可靠的解决方案，有效地提高了能源发电系统之间智能化管理问题。

该控制系统结构设计已经在宁夏某大型跟踪光伏电站得到成功运用。实践证明：系统构建方便可靠，不依赖光照度监测设备，运行可靠性高，真正实现低碳效应，显著提高了生产可靠性和新能源发电企业综合自动化水平，效益具有明显提高。

参考文献

[1]陈维，李戬洪太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].新能源及工艺，2003，18-21.

[2]ABBAC500可编程序控制器用户手册，ABB中国有限公司。2010.04