應(yīng)用于高原山地光伏電站的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化

葉升鵬，張 新，姜 超，白梁儒，楊 浩

(中廣核新能源投資(深圳)有限公司四川分公司，成都 610031)

0 引言

隨著《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的發(fā)布，并結(jié)合我國“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的能源布局遠(yuǎn)景目標(biāo)，預(yù)計在2025年末，我國光伏發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模有望超過500 GW。由于平原低海拔地區(qū)的人口密度大、可利用土地面積少、土地審批難度大、租賃成本高，且太陽能資源相對匱乏，因此，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和擴(kuò)大，太陽能資源相對豐富、海拔較高、地形較為復(fù)雜的高原山區(qū)成為當(dāng)前光伏發(fā)電開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。此外，由于光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價不斷下降，作為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的有效手段，光伏發(fā)電跟蹤技術(shù)將被廣泛運(yùn)用。光伏發(fā)電跟蹤技術(shù)通過控制光伏組件對太陽直射光線的持續(xù)追蹤，以便在相同的光伏組件容量下獲取更多的太陽輻照量，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的提升，并提高項(xiàng)目收益率。

目前，光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用依然處于初期階段，其在設(shè)計和運(yùn)行方面暴露出了較多問題?；诖?，本文以我國西部地區(qū)某高原山地光伏電站為例，對該電站采用的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行了深入研究和分析，并對該系統(tǒng)采用的常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了坡地反陰影遮擋跟蹤策略，從而提高了平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并提高了光伏電站的發(fā)電量。

1 光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的概述及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的介紹

光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)能使光伏組件正面的朝向根據(jù)光照情況進(jìn)行調(diào)整，清晨和傍晚時段可減小光伏組件與太陽直射光線之間的夾角，以獲取更多的太陽輻照量，從而有效提高光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)上安裝的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。有實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，在同等裝機(jī)容量且占地面積基本不變的情況下，與采用固定式光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，采用平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率得到大幅提升，約可提高20%～25%[1]。

1.2 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的工作原理

目前，山地光伏電站中使用率最高的光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)是平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)。平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動擺臂或齒輪，從而帶動鋼結(jié)構(gòu)支架上的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動；光伏組件固定安裝在鋼結(jié)構(gòu)支架上，隨著轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，光伏組件按照東西方向進(jìn)行跟蹤[2]，以此實(shí)現(xiàn)光伏組件正面對太陽直射光線的持續(xù)跟蹤；平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的支架以南北方向排布。

1.3 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的典型設(shè)計

由于我國位于北半球，根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律，一年中冬至日時太陽高度角最小，夏至日時太陽高度角最大，并且一天中的太陽高度角在不斷變化。經(jīng)過理論計算并結(jié)合長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以知道，平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的典型設(shè)計為其以南北向固定安裝于山地坡面上，并進(jìn)行東西向跟蹤，跟蹤角度范圍為±45°[3]。

2 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)在高原山地光伏電站中應(yīng)用時存在的問題及分析

雖然平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活多變，可適用于各類光伏電站，但在實(shí)際的光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)中，受地形坡度、施工過程、安裝質(zhì)量等因素的影響，平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)普遍存在可靠性較低的情況，這會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力下降。

2.1 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)對其基礎(chǔ)的破壞

對實(shí)地檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，大量的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)在跟蹤運(yùn)行時，其跟蹤角度極限值超過了±45°這個范圍，這會影響光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為此，對平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行不同情況下的力學(xué)分析，以研究該情況對其基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響。

在不考慮地形坡度影響的情況下，即當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)安裝在水平面上時，其力學(xué)模型如圖1所示。圖中：F為電機(jī)作用在擺臂上的力；Fx為擺臂所受合力在水平方向上的分力；Fy為擺臂所受合力在垂直方向上的分力；G為該平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)上安裝的所有光伏組件的自身重力；L1為平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動軸受力點(diǎn)至光伏組件重心間的長度；L2為平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動軸受力點(diǎn)至擺臂下端的長度；α為光伏組件和水平面之間的夾角。

圖1 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)安裝在水平面上時的受力分析Fig. 1 Force analysis of horizontal single-axis PV power generation tracking system installed on horizontal plane

在不考慮地形坡度影響的情況下，即當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)安裝在水平面上時，其擺臂受到的作用力可表示為：

在考慮地形坡度的情況下，當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)安裝在東西方向的斜坡上時，受山地坡度的影響，斜坡面和水平面之間會存在一定的夾角，即坡度角β。此時平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)安裝在東西方向斜坡上時的受力分析Fig. 2 Force analysis of horizontal single-axis PV power generation tracking system installed on East-West slope

在考慮地形坡度的情況下，當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)安裝在東西方向的斜坡上時，其擺臂受到的作用力可表示為：

從式(1)可以看出，當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度為0°時，擺臂在水平方向上受到的作用力為零；在平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度由0°上升至45°的過程中，擺臂受到的作用力不斷增大，當(dāng)跟蹤角度達(dá)到45°時，擺臂所受的作用力達(dá)到設(shè)計上限值。在考慮地形坡度這一概念后，擺臂所受的作用力會大于其在水平面上時所受的作用力，從而使平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)實(shí)際的跟蹤角度超過其在水平面上時設(shè)計的跟蹤角度。

地形坡度越大，擺臂受到的作用力越突出。根據(jù)作用力和反作用力原理，當(dāng)作用于平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)擺臂的力過大時，其樁基礎(chǔ)受到的作用力也會過大，若長時間如此，將會對樁基礎(chǔ)造成持續(xù)性破壞。通過實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的追蹤角度長期超過其設(shè)計的跟蹤角度范圍運(yùn)行時，其基礎(chǔ)受損的比例遠(yuǎn)高于跟蹤角度在設(shè)計的跟蹤角度范圍內(nèi)運(yùn)行的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)。

2.2 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)過負(fù)荷跳閘

當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的擺臂角度的范圍超時±45°時，會導(dǎo)致平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的電氣過負(fù)荷，從而引發(fā)大量平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)失效，造成整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力下降。

平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T可表示為：

式中：P為平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)的功率；n為平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；I為平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)的電流；U為平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)的電壓。

由式(3)可以看出，當(dāng)平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的擺臂運(yùn)行到超過±45°這個跟蹤角度范圍時，平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)所受轉(zhuǎn)矩會遠(yuǎn)超其額定轉(zhuǎn)矩，此時為了避免因平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的陰影遮擋帶來的不利影響，就需要采取反陰影遮擋措施進(jìn)行折返運(yùn)行。此外，由于山地存在坡度，平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)在逆坡折返時的負(fù)荷會更大，這將引起平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)過負(fù)荷，導(dǎo)致電機(jī)的電氣回路跳閘，從而使整個平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)跟蹤失效，大幅降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

以平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的跟蹤角度為45°、山地坡度角為10°為例進(jìn)行分析，此時平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)的實(shí)際電流比額定值超出了35.85%。

2.3 陰影遮擋對光伏組串輸出功率的影響

光伏電站中，是將光伏組件串聯(lián)成光伏組串運(yùn)行，當(dāng)前、后排光伏組串之間發(fā)生陰影遮擋時，每塊光伏組件受到的太陽輻照度會存在不同，將導(dǎo)致各個光伏組串產(chǎn)生失配問題；嚴(yán)重時甚至還會產(chǎn)生局部熱斑效應(yīng)，導(dǎo)致整個光伏組件受損，使整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性受到?jīng)_擊[4]。

以某高原山地光伏電站中的某串光伏組串為例，分析陰影遮擋對其輸出功率產(chǎn)生的影響。該光伏組串采用輸出功率為350 W的光伏組件，選取其中2塊相鄰的光伏組件，其中一塊光伏組件存在部分陰影遮擋，另一塊光伏組件無陰影遮擋，對這2塊光伏組件的輸出功率進(jìn)行測試，其P-U輸出特性曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，在太陽輻照度相同的情況下，無陰影遮擋的光伏組件的峰值功率為345 W，而存在部分陰影遮擋的光伏組件的峰值功率為276 W。通過這2個數(shù)據(jù)可以看出，即使只存在小部分的陰影遮擋，也會大幅影響相鄰光伏組件的輸出功率，從而影響其所在光伏組串的總輸出功率。

圖3 有陰影遮擋和無陰影遮擋時光伏組件的P-U輸出特性曲線對比Fig. 3 Comparison of P-U output characteristic curves of PV modules with and without shadow occlusion

由此可知，陰影遮擋對光伏電站發(fā)電量的影響巨大，所以為解決平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)在實(shí)際跟蹤過程中出現(xiàn)的陰影遮擋問題，需要采用反陰影遮擋跟蹤策略，尤其是當(dāng)光伏組串安裝在東西方向坡度的地形上時，更加應(yīng)該對平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生的陰影遮擋予以控制。

2.4 常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略的弊端

在設(shè)計時，前、后排光伏組串的間距均遵循“北半球冬至日09:00～15:00之間前后排光伏組串無遮擋”這一原則。但通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在夏至日09:00前和15:00后太陽輻照度仍然很強(qiáng)，使夏至日前、后排光伏組串產(chǎn)生陰影遮擋的時間點(diǎn)還有裕度，這導(dǎo)致對太陽能的利用不充分。

太陽高度角不同時前、后排光伏組串的陰影遮擋情況如圖4所示。

圖4 太陽高度角不同時前、后排光伏組串的陰影遮擋情況Fig. 4 Shadow occlusion of front and back PV strings with different solar altitude angles

此外，平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時可能出現(xiàn)擺臂角度大于±45°這個跟蹤角度范圍的情況，導(dǎo)致常規(guī)的反陰影遮擋跟蹤策略在冬季早、晚并不能達(dá)到最佳運(yùn)行效果，從而使整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量損失較大[4]。

在夏至日的15:00以后，采用常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)開始折返運(yùn)行。但如前文所說，此時的太陽輻照度依然處于較高水平，直到16:30左右，前、后排光伏組串才開始出現(xiàn)陰影遮擋情況。所以在夏至日時，平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)若采用常規(guī)的反陰影遮擋跟蹤策略，則相當(dāng)于損失了約1.5 h的高效率太陽跟蹤。

與此相反，在冬至日的15:00左右，前、后排光伏組串之間已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的相互遮擋現(xiàn)象，由于常規(guī)的反陰影遮擋跟蹤策略導(dǎo)致平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤滯后，最終影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

選取前、后相鄰的2個光伏組串，對采用常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤情況進(jìn)行仿真。夏至日時，該平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)于09:00開始跟蹤，此時的跟蹤角度為45°；15:00時停止跟蹤，此時的跟蹤角度達(dá)到-45°；跟蹤角度每15 min轉(zhuǎn)動3.75°。夏至日時后排被遮擋光伏組串的陰影遮擋情況如圖5所示。

圖5 夏至日時后排被遮擋光伏組串的陰影遮擋情況Fig. 5 Shadow occlusion of PV string in the back row at summer solstice

從圖5可以看出，夏至日時，09:00時產(chǎn)生陰影遮擋的面積占整個光伏組串面積的比例為12.65%，15:00時產(chǎn)生陰影遮擋的面積占整個光伏組串面積的比例為8.96%。

冬至日時，采用該常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)于09:00開始跟蹤，此時的跟蹤角度為45°；15:00時停止跟蹤，此時的跟蹤角度為-45°；跟蹤角度每15 min轉(zhuǎn)動3.75°。冬至日時后排被遮擋光伏組串的陰影遮擋情況如圖6所示。

圖6 冬至日時后排被遮擋光伏組串的陰影遮擋情況Fig. 6 Shadow occlusion of PV string in the back row at winter solstice

從圖6可以看出，冬至日時，09:00時產(chǎn)生陰影遮擋的面積占整個光伏組串面積的比例為23.99%，15:00時產(chǎn)生陰影遮擋的面積占整個光伏組串面積的比例為18.43%。

綜上分析，按照目前采用常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計，在夏至日和冬至日光伏組串均出現(xiàn)了不同程度的陰影遮擋情況，相較于冬至日時的遮擋程度，該平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)在夏至日時對光伏組串陰影遮擋面積和陰影遮擋時間方面的不利影響均更為嚴(yán)重。

3 應(yīng)用于高原山地光伏電站的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化方法

為使某高原山地光伏電站在實(shí)際運(yùn)行過程中的故障率(包括由熱斑引起的光伏組件故障、由平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)電機(jī)頻繁過載導(dǎo)致的電機(jī)跳閘、平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架的樁基礎(chǔ)的損壞)得到有效控制，光伏電站的發(fā)電量得以提升，對當(dāng)前常規(guī)的反陰影遮擋跟蹤策略進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 無陰影遮擋的優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的制定原理

從向量的角度考慮，四邊形內(nèi)部任意一點(diǎn)與四邊形的4個頂點(diǎn)連接，組成的4個向量角的總和為360°。

以前、后相鄰的2塊光伏組件為例，對這2塊光伏組件之間的陰影遮擋確定方法進(jìn)行分析，示意圖如圖7所示。圖中：ABCD為后排光伏組件，EFGH為前排光伏組件；∠Cs為頂點(diǎn)C與光伏組件EFGH上4個頂點(diǎn)連線形成的夾角(即圖中的∠ECF、∠FCG、∠GCH、∠ECH)的和。

圖7 前、后排相鄰的2塊光伏組件之間的陰影遮擋確定方法示意圖Fig. 7 Schematic diagram of shadow occlusion determination method between two PV modules in adjacent front and back rows

∠Cs的計算式可表示為：

根據(jù)前面所說原理，若∠Cs＜ 360°，則說明光伏組件EFGH的陰影不在后排光伏組件ABCD內(nèi)部。因此，可以據(jù)此來判斷前排光伏組串的陰影與后排光伏組串的表面是否會重疊。

3.2 采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的仿真

對采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度進(jìn)行仿真。在不考慮坡度角的情況下，夏至日和冬至日這2個典型日期時，采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度和光伏組串的陰影遮擋情況，分別如圖8、圖9所示。

圖9 冬至日時，采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度和光伏組串的陰影遮擋情況Fig. 9 At the winter solstice，tracking angle of horizontal single-axis PV power generation tracking system and shadow occlusion of PV string using optimized anti shadow occlusion tracking strategy

從圖8可以看出，夏至日時，采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)于07:00時開始跟蹤，跟蹤角度為19.58°，此時

圖8 夏至日時，采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度和光伏組串的陰影遮擋情況

Fig. 8 At the summer solstice，tracking angle of horizontal single-axis PV power generation tracking system and shadow occlusion of PV string using optimized anti shadow occlusion tracking strategy陰影遮擋面積占整個光伏組串面積的比例為0.96%；18:30時，該光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度為-26.71°，此時陰影遮擋面積占整個光伏組串面積的比例為1.41%。

從圖9可以看出，冬至日時，采用優(yōu)化后的反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)于08:00時開始跟蹤，跟蹤角度為19.68°，此時陰影遮擋面積占整個光伏組串面積的比例為0.15%；17:00時，該光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度為-17.22°，此時陰影遮擋面積占整個光伏組串面積的比例為0.87%。

在考慮地形坡度影響的情況下，再次對該平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度進(jìn)行修正，引入坡度角參數(shù)，得到坡地反陰影遮擋跟蹤策略，并進(jìn)行仿真。以東西向坡度為例，夏至日時，坡度角分別為5°和-5°時采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度仿真效果如圖10～圖11所示；冬至日時，坡度角分別為5°和-5°時采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度仿真結(jié)果如圖12～圖13所示。

圖10 夏至日時，坡度角為5°時采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度Fig. 10 Tracking angle of horizontal single-axis PV power generation tracking system using slope anti shadow occlusion tracking strategy when slope angle is 5°at the summer solstice

圖11 夏至日時，在坡度角為-5°時采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度Fig. 11 Tracking angle of horizontal single-axis PV power generation tracking system using slope anti shadow occlusion tracking strategy when slope angle is-5°at the summer solstice

圖12 冬至日時，坡度角為5°時采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度Fig. 12 Tracking angle of horizontal single-axis PV power generation tracking system using slope anti shadow occlusion tracking strategy when slope angle is 5°at the winter solstice

圖13 冬至日時，坡度角為-5°時采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度Fig. 13 Tracking angle of horizontal single-axis PV power generation tracking system using slope anti shadow occlusion tracking strategy when slope angle is -5°at the winter solstice

3.3 不同安裝參數(shù)下的坡地反陰影遮擋跟蹤策略的優(yōu)化方法

根據(jù)地形分布及光伏組串的安裝位置，對平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)采用的坡地反陰影遮擋跟蹤策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。以目前某在運(yùn)高原山地光伏電站為例，結(jié)合該光伏電站實(shí)際的地形情況，在確保其采用的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度不超限的同時，對因擺臂在逆坡折返時受力過載造成的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)受損問題進(jìn)行控制。

本高原山地光伏電站共分13個光伏區(qū)，因高原山地的地形復(fù)雜，導(dǎo)致每個光伏區(qū)的坡度都存在差異。坡地反陰影遮擋跟蹤策略中增加了參數(shù)坡度角β。選取某一光伏區(qū)內(nèi)的相鄰的8串光伏組串進(jìn)行實(shí)地勘察測量，1串光伏組串安裝在1個平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)上。8串光伏組串對應(yīng)的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架的實(shí)測安裝參數(shù)如表1所示。表中：以1#平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架與其樁基礎(chǔ)的連接點(diǎn)在各方向上的坐標(biāo)值(0, 0)為基準(zhǔn)；X為2#～8#平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架與其樁基礎(chǔ)連接點(diǎn)在東西方向上與1#平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架與其樁基礎(chǔ)連接點(diǎn)的距離；Z為2#～8#平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架與其樁基礎(chǔ)連接點(diǎn)在南北方向上與1#平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架與其樁基礎(chǔ)連接點(diǎn)的距離；R為各平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架的高度；L為每串光伏組串的寬度(即16塊光伏組件的整體寬度)；H為在平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度取極限值時，各支架上安裝的光伏組件最下方與支架樁基礎(chǔ)之間的垂直距離。從表1可以看出，該光伏區(qū)地形確實(shí)存在高低不一、坡度角不同的情況。

表1 平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中支架的實(shí)測安裝參數(shù)Table 1 Measured installation parameters of bracket of horizontal single-axis PV power generation tracking system

在清晨和傍晚時，采用常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)控制光伏組件保持在水平0°的位置。但是引入坡度角這一參數(shù)后，坡地反陰影遮擋跟蹤策略不要求平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)控制光伏組件保持在水平0°的位置。以東西坡度角為9°時安裝的相鄰的8串光伏組串為例，日落時，采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度無需保持在水平0°的位置，只需調(diào)整坡地反陰影遮擋跟蹤策略，使平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角度與坡度角相同，即保持水平夾角9°即可，如此直至太陽落山，8串光伏組串均可最大限度地吸收太陽輻照。太陽落山以后，光伏組件均回到水平0°的位置并保持，等待新一天的開始。

4 坡地反陰影遮擋跟蹤策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化目標(biāo)電站介紹

本次實(shí)驗(yàn)對象選取了位于我國西部地區(qū)高原山地的某在運(yùn)光伏電站，該光伏電站的總裝機(jī)容量為30 MW，采用350 W的高效雙玻單晶硅光伏組件。整個光伏電站共采用689套平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)，其支架均為南北向固定安裝、東西向跟蹤。選擇其中8串光伏組串采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)，對坡地陰影遮擋跟蹤策略進(jìn)行驗(yàn)證。

坡地反陰影遮擋跟蹤策略的設(shè)計原則為：保證冬至日09:00～15:00期間東西方向相鄰的光伏組串之間不會形成陰影遮擋。平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的跟蹤角度范圍為±45°，每15 min由步進(jìn)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行跟蹤角度的調(diào)整，單次調(diào)整的跟蹤角度為3.75°。

4.2 坡地反陰影遮擋跟蹤策略對8串光伏組串陰影遮擋面積的影響

在夏至日和冬至日這2個典型日，分別分析平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)采用常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略和坡地反陰影遮擋跟蹤策略(下文分別簡稱為“優(yōu)化前的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)”和“優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)”)時，對8串光伏組串陰影遮擋面積的影響，分析結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 夏至日時，分別采用優(yōu)化前、后平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏組串的陰影遮擋情況Fig. 14 At the summer solstice，shadow occlusion of PV strings by horizontal single-axis PV power generation tracking system before and after optimization is adopted respectively

圖15 冬至日時，分別采用優(yōu)化前、后平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏組串的陰影遮擋情況Fig. 15 At the winter solstice，shadow occlusion of PV strings by horizontal single-axis PV power generation tracking system before and after optimization is adopted respectively

從圖14～圖15可以看出，在夏至日，與采用優(yōu)化前的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏組串相比，采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏組串的陰影遮擋面積由4.7%降至0.5%；在冬至日，與采用優(yōu)化前的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏組串相比，采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏組串的陰影遮擋面積由6.7%降至1.8%。

4.3 優(yōu)化前、后平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的可靠性對比分析

為分析優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的可靠性，以該高原山地光伏電站全部采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)為條件，按月統(tǒng)計該電站故障次數(shù)，并與采用優(yōu)化前的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)時光伏電站的故障次數(shù)進(jìn)行對比，具體如表2所示。

由表2可知，該光伏電站采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)后，其年總故障次數(shù)由456次降至21次，故障率降了95%；而且在4～6月，該光伏電站連續(xù)3個月未出現(xiàn)故障。

表2 光伏電站分別采用優(yōu)化前、后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)時的故障次數(shù)Table 2 Failure times when PV power station adopts horizontal single-axis PV power generation tracking system before and after optimization respectively

4.4 光伏電站分別采用優(yōu)化前、后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)后的發(fā)電量對比分析

在對平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)采用的常規(guī)反陰影遮擋跟蹤策略進(jìn)行優(yōu)化后，對所有平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)中的支架進(jìn)行加固，然后對采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光伏電站發(fā)電量按月進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集。光伏電站分別采用優(yōu)化前、后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)時的發(fā)電量情況如表3所示。

由表3可知，采用優(yōu)化后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)后，光伏電站的年發(fā)電量由5659.80萬kWh提升至5867.38萬kWh，年發(fā)電量提升了207.58萬kWh，提升比例為3.67%。由此可以證明，本文設(shè)計的坡地反陰影遮擋跟蹤策略可以提高平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可以提高整個光伏電站的發(fā)電量。

表3 光伏電站分別采用優(yōu)化前、后的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)時的發(fā)電量情況Table 3 Situation of power generation when PV power station adopts horizontal single-axis PV power generation tracking system before and after optimization respectively

5 結(jié)論

本文從平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)采用的反陰影遮擋跟蹤策略，以及影響高原山地地區(qū)光伏電站發(fā)電量和設(shè)備可靠性的因素入手，對應(yīng)用于高原山地光伏電站的平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的反陰影遮擋跟蹤策略進(jìn)行了優(yōu)化研究，引入地形坡度角參數(shù)，設(shè)計了坡地反陰影遮擋跟蹤策略，并提出了具體的優(yōu)化措施。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用坡地反陰影遮擋跟蹤策略使平單軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提升，并且提高了整個光伏電站的發(fā)電量。