一种光伏组件跟踪系统及其控制器和角度控制方法与流程

本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种光伏组件跟踪系统及其控制器和角度控制方法。

背景技术：

为了提高光伏组件的发电量，通常会采用跟踪系统调节其倾角，使其实现对于太阳辐照的跟踪，进而能够通过向太阳倾斜以最大限度地吸收太阳辐照。

现有技术中对于光伏组件跟踪系统的控制策略，大多分为时控方案、代表组件方案以及模型计算方案。其中，时控方案为根据时间变化实现对于光伏组件倾角的调节，然而实际应用中的太阳辐照并不一定完全准确的依照时间变化而变化，因此时控方案的准确度低。代表组件方案是通过旋转一个代表组件来找到其发电量最大时对应的倾角，再以该倾角调节其他光伏组件；然而这种方式的时效性较差，导致倾角调节的准确度也较低。另外，现有技术中存在的模型计算方案，其引入一个时控角作为基准角，计算出的跟踪角度在该基准角的±10°范围以内，因此也存在准确度低的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种光伏组件跟踪系统及其控制器和角度控制方法，以提高光伏组件倾角调节的准确度。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本发明一方面提供一种光伏组件跟踪系统的角度控制方法，包括：

根据当前的水平总辐照确定天气情况；

根据所述天气情况，确定散射模型；

根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的辐照度，并确定辐照度最大时所对应的倾角为最优倾角；

控制所述光伏组件跟踪系统的电机旋转，使所述待跟踪光伏组件达到所述最优倾角。

优选的，根据当前的水平总辐照确定天气情况，包括：

计算当前的水平总辐照除去水平天文辐照的商，得到晴空因子；

根据所述晴空因子，确定所述天气情况为晴天，或者，多云或阴雨天。

优选的，根据所述天气情况，确定散射模型，包括：

若所述天气情况为晴天，则以nadr模型或者perez模型为所述散射模型；

若所述天气情况为多云或阴雨天，则以klucher模型、hay模型、skartveit模型和olseth模型中的任意一个为所述散射模型。

优选的，所述待跟踪光伏组件均为双面组件时，所述待跟踪光伏组件接收的辐照度包括：

通过所述直射模型计算得到的直射光入射在各排正面组件的瞬时辐照量；

通过所述反射模型计算得到的直射光入射在地面反射到各排正面组件的瞬时辐照量，以及，散射光入射在地面反射到各排正面组件的瞬时辐照量；

通过所述散射模型计算得到的空中散射光入射在各排正面组件的瞬时辐照量；

通过所述反射模型计算得到的直射光入射在地面反射到各排背面组件的瞬时辐照量，以及，散射光入射在地面反射到各排背面组件的瞬时辐照量；其中，若太阳高度角小于等于直射光入射边界角，则直射光入射在地面反射到各排背面组件的瞬时辐照量为零；

通过所述散射模型计算得到的空中散射光入射在各排背面组件的瞬时辐照量。

优选的，所述待跟踪光伏组件均为单面组件时，所述待跟踪光伏组件接收的辐照度包括：

通过所述直射模型计算得到的直射光入射在各排光伏组件的瞬时辐照量；

通过所述反射模型计算得到的直射光入射在地面反射到各排光伏组件的瞬时辐照量，以及，散射光入射在地面反射到各排光伏组件的瞬时辐照量；

通过所述散射模型计算得到的空中散射光入射在各排光伏组件的瞬时辐照量。

优选的，在根据所述天气情况，确定散射模型之后，还包括：对预设时长内的辐照度变化进行预测；

根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的辐照度，并确定辐照度最大时所对应的倾角为最优倾角，包括：

根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的所述预设时长内的累计辐照度，并确定累计辐照度最大时所对应的倾角为所述最优倾角；

并且，在控制所述光伏组件跟踪系统的电机旋转，使所述待跟踪光伏组件达到所述最优倾角之后，还包括：

延迟所述预设时长之后，返回根据当前的水平总辐照确定天气情况的步骤。

优选的，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的所述预设时长内的累计辐照度，包括：

将所述待跟踪光伏组件分为n个辐照点；n为正整数；

在各个倾角下，分别计算n个辐照点的辐照度之和在所述预设时长内的累计值，作为相应倾角下的累计辐照度。

优选的，在确定散射模型之后，对预设时长内的辐照度变化进行预测之前，还包括：

根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算所述待跟踪光伏组件在当前倾角下提供的逆变器侧理论功率；

判断所述逆变器侧理论功率与逆变器侧实测功率之间的误差是否在预设范围内；

若所述误差在所述预设范围内，则执行对预设时长内的辐照度变化进行预测的步骤；

若所述误差不在所述预设范围内，则对所述散射模型进行修正之后，再返回逆变器侧理论功率的计算步骤。

优选的，根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算所述待跟踪光伏组件在当前倾角下提供的逆变器侧理论功率，包括：

根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算所述待跟踪光伏组件在当前倾角下的总辐照量；

根据所述总辐照量、系统光电转换效率和组串侧效率，计算得到所述待跟踪光伏组件的组串理论功率；

根据所述组串理论功率和组串至逆变器侧效率，计算得到所述逆变器侧理论功率。

本发明另一方面还提供一种光伏组件跟踪系统的控制器，包括：处理器和存储器；其中：

所述处理器用于执行所述存储器中存储的各个程序；

所述存储中存储的程序包括：如上述任一所述的光伏组件跟踪系统的角度控制方法。

本发明第三方面还提供一种光伏组件跟踪系统，其特征在于，包括：机械转动系统、驱动电机以及如上述所述的光伏组件跟踪系统的控制器；其中：

所述控制器用于控制所述驱动电机运行；

所述驱动电机用于带动所述机械转动系统动作，实现对于带跟踪光伏组件的倾角调节。

优选的，所述驱动电机为带位置反馈的伺服电机；

所述机械转动系统为平单轴系统或者斜单轴系统。

本发明提供的光伏组件跟踪系统的角度控制方法，首先根据当前的水平总辐照确定天气情况，再根据所述天气情况，确定散射模型；然后即可根据所述散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的辐照度，并确定辐照度最大时所对应的倾角为最优倾角；进而能够根据不同的天气采用相应的计算模型，提高倾角计算的准确度；最后通过控制所述光伏组件跟踪系统的电机旋转，使所述待跟踪光伏组件达到所述最优倾角，完成跟踪调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明申请实施例提供的光伏组件跟踪系统的角度控制方法的流程图；

图2是本发明申请实施例提供双面组件接收辐射的示意图；

图3是本发明申请实施例提供的直射光、散射光入射在地面反射至双面组件背板的示意图；

图4是本发明申请实施例提供的光伏组件跟踪系统的角度控制方法的另一流程图；

图5是本发明申请实施例提供的光伏组件跟踪系统的角度控制方法的另一流程图；

图6是本发明申请实施例提供的晴天时辐照度随时间变化的波形示意图；

图7是本发明申请实施例提供的晴天时角度控制方法与时控方案下调节角度随时间变化的波形示意图；

图8是本发明申请实施例提供的晴天时角度控制方法与时控方案下发电功率随时间变化的波形示意图；

图9是本发明申请实施例提供的阴雨天时辐照度随时间变化的波形示意图；

图10是本发明申请实施例提供的阴雨天时角度控制方法与时控方案下调节角度随时间变化的波形示意图；

图11是本发明申请实施例提供的阴雨天时角度控制方法与时控方案下发电功率随时间变化的波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种光伏组件跟踪系统的角度控制方法，以提高光伏组件倾角调节的准确度。

请参见图1，该光伏组件跟踪系统的角度控制方法包括：

s101、根据当前的水平总辐照确定天气情况；

实际应用中，可以先计算当前的水平总辐照g除去水平天文辐照g0的商，得到晴空因子k,k＝g/g0；再根据该晴空因子，确定天气情况为晴天，或者，多云或阴雨天。

其中，水平天文辐照g0的计算公式为：

式中，1/ρ²为日地距离订正因子，s0是太阳常数，世界气象组织(wmo)公布的太阳常数值是1367±7w/m²，是地理纬度，ω是时角(观测点当地正午，地球自转的角度)，δ是太阳赤纬。

具体的，以上海为例，当晴空因子k在[0.6，1]范围内，则可以确定当前的天气情况为晴天；否则，将确定当前的天气情况为多云或阴雨天。

s102、根据天气情况，确定散射模型；

实际应用中，当天气情况为晴天时，以nadr模型或者perez模型为散射模型；而当天气情况为多云或阴雨天时，以klucher模型、hay模型、skartveit模型和olseth模型中的任意一个为散射模型；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。较佳的，可以选择以nadr模型为晴天时的散射模型，并选择以klucher模型为多云或阴雨天时的散射模型。

s103、根据散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的辐照度，并确定辐照度最大时所对应的倾角为最优倾角；

当待跟踪光伏组件为单面组件时，其接收到的辐照度包括：通过直射模型计算得到的直射光入射在各排光伏组件的瞬时辐照量；通过反射模型计算得到的直射光入射在地面反射到各排光伏组件的瞬时辐照量，以及，散射光入射在地面反射到各排光伏组件的瞬时辐照量；通过散射模型计算得到的空中散射光入射在各排光伏组件的瞬时辐照量。

当待跟踪光伏组件为双面组件时，其接收到的辐照度包括：正面总辐照量和背面总辐照量。具体的，如图2所示，其正面总辐照量包括：直射辐射、散射辐射以及反射辐射，具体有：通过直射模型计算得到的直射光入射在各排正面组件的瞬时辐照量；通过反射模型计算得到的直射光入射在地面反射到各排正面组件的瞬时辐照量，以及，散射光入射在地面反射到各排正面组件的瞬时辐照量；通过散射模型计算得到的空中散射光入射在各排正面组件的瞬时辐照量。其背面总辐照量包括：散射辐射和反射辐射，具体有：通过反射模型计算得到的直射光入射在地面反射到各排背面组件的瞬时辐照量，以及，散射光入射在地面反射到各排背面组件的瞬时辐照量；其中，若太阳高度角小于等于直射光入射边界角，则直射光入射在地面反射到各排背面组件的瞬时辐照量为零；通过散射模型计算得到的空中散射光入射在各排背面组件的瞬时辐照量。

以图2所示双面组件为例，其辐照度计算所用到的各种模型可以为如下几种：

第一，散射模型中的nadr模型，具体包括：水平面总散射辐射度ih,d和倾斜面散射辐射度i1,d的计算模型，两者的计算公式为：

其中，is为天顶散射辐照度，λ为环日球冠角的1/2，θz为天顶角，ξ为正交球冠角的1/2，ζ为天边辐射增强区域对应的角度，f1为环日辐射增强系数，f2为正交辐射削弱系数，f3为天边辐射增强系数，χh(θz)为水平面可以看到的环日散射辐射区域比例；χh(π/2-θz)为水平面可以看到的正交散射辐射区域比例；α为光伏组件的倾角，α(θ)为倾斜面环日散射辐射的立体角，α(θ)＝2(1-cosλ)χc(θ),χc(θ)为组件倾斜面可观测的环日散射辐射区域比例；b(α)为倾斜面正交散射辐射立体角，b(α)＝2(1-cosξ)χc(π/2-θ)，χc(π/2-θ)为组件倾斜面可观测的正交散射辐射区域比例；c(α)为倾斜面天边散射辐射的立体角；d(θz)为水平面环日散射辐射的立体角，d(θz)＝2(1-cosλ)χh(θz)；e(θz)为水平面正交散射辐射的立体角，e(θz)＝2(1-cosξ)χh(π/2-θz)，f为水平面天边散射辐射的立体角，f＝0.5(1-cos2ξ)，c(α)的表达式如下：

第二，散射模型中的klucher模型；通过该模型能够计算得到倾斜面接收的总辐照it，其计算公式为：

其中，ih为水平面总辐照，ih,d为水平面总散射辐射度，α为光伏组件的倾角，h为太阳高度角，是太阳方位角与倾斜表面法线方向之间的夹角，f＝1-(ih,d/ih)²。

第三，预设的直射模型；通过该模型能够计算得到直射辐照度，其计算公式为：

i(α,a)＝ks·i(0,0)

其中，i(α,a)为倾斜面总直射辐照，α为光伏组件的倾角，a为组件方位角，i(0,0)朝南方位的水平面总直射辐照，ks为换算系数，ks＝cosα+sinα·cos(ψ-a)/tanh，h是太阳高度角，ψ是太阳方位角，方位角从正南算起，向西为正，向东为负。

当使用水平辐照仪读取水平直射辐照度时，就可以计算出任一倾斜面上的直射辐照度。

第四，预设的反射模型；通过该模型能够计算得到反射辐照度，首先定义来自太阳的直射光入射边界角为γ，并判断太阳高度角h是否大于该直射光入射边界角为γ；当太阳高度角h大于该直射光入射边界角γ时，会在底部形成明亮区，被光伏组件遮挡的地面为阴影区；以图2所示双面组件为例进行说明，光伏组件的支架高度为h，相邻两排光伏组件之间的距离为l，该明亮区会使得直射光反射在双面组件背板(即背面组件)上，对于直射光入射边界角γ：

其中，d为光伏组件的宽度，α是光伏组件的倾角，a是光伏组件的方位角。

直射光入射在地面的明亮区面积为：

其中，l组串为组串的长度。

图3所示为直射光、散射光入射在地面然后反射至背面组件的示意图，该反射辐照度的计算公式为：

其中，f1→2为组件背面相对于地面的视角系数；a1为地面明亮区面积；a2为背板面积；θ1为地面反射光线与地面法线夹角；θ2为地面反射光线与背板法线夹角；s为双面组件背板上的点与地面明亮区的连线；ilin,1为经由地面直射光辐照反射至背板的总辐照；ilin,2为散射至地面的辐照经由地面反射至背面的总辐照；i2out,1为地面反射出的总辐射量；i2out,2为地面散射出的总辐射量。

s104、控制光伏组件跟踪系统的电机旋转，使待跟踪光伏组件达到最优倾角。

实际应用中，电机旋转带动的机械转动系统可以是平单轴系统，也可以是斜单轴系统，此处不做具体限定，视其具体应用环境而定，能够实现光伏组件倾角调节的设备均在本申请的保护范围内。

本实施例提供的该光伏组件跟踪系统的角度控制方法，通过上述原理，能够根据不同的天气采用相应的计算模型，提高倾角计算的准确度；最后通过控制光伏组件跟踪系统的电机旋转，使待跟踪光伏组件达到最优倾角，完成跟踪调节。

并且，针对双面组件而言，本实施例能够建立双面组件正面及背面的辐照度计算模型，通过水平辐照度可计算出各倾斜面辐照度值，从而实现各时间点双面组件最优功率。同时，可以避免传统时控、光控只考虑组件正面发电功率最优而忽略正面+背面功率最优的缺陷；因此，能够使双面组件的效能最大化利用。

还值得说明的是，现有技术中的代表组件方案仅能使一个时间点的功率最优，而跟踪支架不可能时刻旋转，会间隔一段时间进行旋转动作，所以该方案不能达到全局最优，即该时间段内累计功率最优。同时，模型计算方案也仅是求得单点功率最优，而不是一个时间段内的功率累加最优。

因此，本发明另一实施例还提供了一种更为优选的光伏组件跟踪系统的角度控制方法，即在上一实施例及图1至图3的基础之上，如图4所示，在步骤s102和s103之间，还包括：

s201、对预设时长内的辐照度变化进行预测；

此时，步骤s103根据散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的辐照度，并确定辐照度最大时所对应的倾角为最优倾角，包括：

根据散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的预设时长内的累计辐照度，并确定累计辐照度最大时所对应的倾角为最优倾角。

具体的，上述计算待跟踪光伏组件在不同倾角下接收的预设时长内的累计辐照度的步骤，包括：

(1)、将待跟踪光伏组件分为n个辐照点；n为正整数，比如100；实际应用中还可以视具体应用环境选取其他点数，点数越多，则计算更加准确。

(2)、在各个倾角下，分别计算n个辐照点的辐照度之和在预设时长内的累计值，作为相应倾角下的累计辐照度。

该预设时长可以是10-15分钟，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

并且，在步骤s104控制光伏组件跟踪系统的电机旋转，使待跟踪光伏组件达到最优倾角之后，还包括：

s105、延迟预设时长；

然后，返回步骤s101。

本实施例通过引入光功率预测过程，可实现一段时间内的功率最优，而不仅仅是一个时间点最优。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了另外一种优选的光伏组件跟踪系统的角度控制方法，在上述实施例及图1至图4的基础之上，如图5(以在图4的基础上为例进行展示)所示，在确定散射模型之后，对预设时长内的辐照度变化进行预测之前，即步骤s102和s201之间，还包括：

s301、根据散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在当前倾角下提供的逆变器侧理论功率；

优选的，如图5所示，步骤s301，根据散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在当前倾角下提供的逆变器侧理论功率，包括：

(1)、根据散射模型以及预设的直射模型和反射模型，计算待跟踪光伏组件在当前倾角下的总辐照量；

以图2所示双面组件为例进行说明，根据散射模型、直射模型和反射模型计算得到正面总辐照量，并根据散射模型和反射模型计算得到背面总辐照量；然后将正面总辐照量和背面总辐照量相加，得到当前倾角下的总辐照量。

(2)、根据总辐照量、系统光电转换效率和组串侧效率，计算得到待跟踪光伏组件的组串理论功率；

实际应用中，待跟踪光伏组件可能是一排光伏组件，或者多排光伏组件，比如同一区域相同设置条件的光伏组件。此时，将总辐照量于系统光电转换效率和组串侧效率相乘，得到的乘积即为该组串理论功率。

(3)、根据组串理论功率和组串至逆变器侧效率，计算得到逆变器侧理论功率；

将组串理论功率与组串至逆变器侧效率相乘，得到的乘积即为该逆变器侧理论功率。

s302、判断逆变器侧理论功率与逆变器侧实测功率之间的误差是否在预设范围内；

该预设范围可以是逆变器侧实测功率的10％，也可以是其他选择，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

若误差在预设范围内，则执行步骤s201；

若误差不在预设范围内，则执行步骤s303之后，再返回步骤s301。

s303、对散射模型进行修正。

本实施例通过引入逆变器实时功率反馈，修正nadr模型或klucher模型，从而间接的更进一步提高辐照度计算模型的精度。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

以双面组件在晴天的天气情况下为例，将采用上述实施例所述的角度控制方法与现有技术中的时控方案进行跟踪时的角度与发电量进行仿真对比如下：

图6所示为仿真该天的天气状况，由图可看出当天的辐照度随时间呈现抛物线状，可判定其为晴天。

图7为对315w双面组件在格尔木地区进行的pvsyst仿真，对比现有技术中的时控方案与本申请中的角度控制方法在不同时刻对应的角度值。由图7可看出，两种控制下的角度存在一定的差异；两段重合线为时控方案下的限制角度为-60°和+60°，也即两种控制方案实现的倾角调节在早晨与傍晚阶段出现相同点。

图8为pvsyst仿真两种控制方案在晴天情况下不同时刻的功率对比值，通过曲线拟合求积分可得到本申请中的角度控制方法能够实现的发电量(7:30-15:30)为1745kwh，而现有技术中的时控方案能够实现的发电量(7:30-15:30)为1733kwh，其增益为0.7％。

以双面组件在阴雨天的天气情况下为例，将采用上述实施例所述的角度控制方法与现有技术中的时控方案进行跟踪时的角度与发电量进行仿真对比如下：

图9为仿真时该天的天气状况，由图可看出其上午辐照度低且呈现不规整状，可判定其为阴雨天。

图10为对315w双面组件在格尔木地区进行的pvsyst仿真，现有技术中的时控方案与本申请中的角度控制方法在不同时刻对应的角度值。由图10可看出，两种控制下的角度存在一定的差异。

图11为pvsyst仿真两种控制方案在阴雨天情况下不同时刻的功率对比值，通过曲线拟合求积分可得到本申请中的角度控制方法能够实现的发电量(7:30-15:30)为685.1146kwh，而现有技术中的时控方案能够实现的发电量(7:30-15:30)为659.3643kwh，其增益为3.9％。

通过上述仿真可看出晴天和阴雨天情况下，其最优跟踪角度差异较大，这是由于阴雨天时，光强本身较弱，再加上折射占比较大，所以会导致阴雨天时，本申请中的角度控制方法与现有技术中的时控方案调节的角度出现很大的差异，因此可以证明区分不同天气状况来计算辐照值是非常必要的。

经过仿真还可以发现，不仅双面组件+平单轴跟踪系统，在本申请中的角度控制方法下与在现有技术中的时控方案下得到的调节角度不同、发电量有所增加，而且，单面组件+平单轴跟踪系统、单面组件+斜单轴跟踪系统以及双面组件+斜单轴跟踪系统，同样适用本申请提供的角度控制方法，相比现有技术中的控制策略均能够更进一步实现发电量的优化。

本发明另一实施例还提供了一种光伏组件跟踪系统的控制器，包括：处理器和存储器；其中：

处理器用于执行存储器中存储的各个程序；

存储中存储的程序包括：如上述任一实施例所述的光伏组件跟踪系统的角度控制方法。

该角度控制方法的过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了一种光伏组件跟踪系统，包括：机械转动系统、驱动电机以及如上述实施例所述的光伏组件跟踪系统的控制器；其中：

该控制器用于控制驱动电机运行；

该驱动电机用于带动机械转动系统动作，实现对于带跟踪光伏组件的倾角调节。

实际应用中，驱动电机为带位置反馈的伺服电机；

机械转动系统为平单轴系统或者斜单轴系统。

该控制器执行的角度控制方法的过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。