基于無傳感器的控制算法在最佳斜單軸逐日系統中運用研究

羅龍 蔣銳 唐光 羅文學 羅候

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引言

現在主流逐日系統是采用光傳感器[1]作為逐日系統的信號源，但光傳感器價格高，安裝調試復雜，運行維修成本高，不宜推廣使用，因此，被斜單軸逐日系統的優勢所代替。雖然采用斜單軸逐日系統發電占用土地面積比固定支架形式的面積要大，但是調整前后的總效益增加57.83%[2]。因此本文對逐日數學模型進行了優化，研究一種無傳感器控制算法的斜單軸逐日系統，這種算法能直接轉化為產品，裝備到光伏發電設備上，在運用上有一定的經濟價值。

1 逐日系統控制原理

雖然太陽輻射能量受大氣質量、地球的自轉、公轉等因素影響，但是每個光伏電站地址唯一，可由衛星進行精確測定，可得出精確的緯度、經度。在系統設計前需對日出、日落時的角度基本參數進行確定，對太陽光的最大輻射量和最佳輻射角度（最佳傾角）如圖1所示等進行建模分析，以保證光伏矩陣接收到最大光輻射。太陽赤緯角指的是太陽光線與地球赤道平面的夾角。赤緯角以年為周期，在-23027′～23°27′ 范圍內變化，春分和秋分時刻為零，夏至和冬至分別達到兩個極值。赤緯角計算常采用經驗公式[3]：

光伏矩陣的太陽輻射總量通常為太陽輻射量、天空散射輻射量和地面反射輻射量。在這里我們采用模型引入天空晴朗指數[4]，同時認為來自天空的輻射量是各項同性，地面部分各項異性。傾斜面上的太陽輻射量可用下式表達：

公式中：Ht為傾斜面上的太陽輻射總量，Hb水平面上的太陽直接輻射量，Hd為散射輻射量H0為大氣層外水平面上太陽輻射量，β為光伏電池傾角，ρ為地面反射率，ψ為當地緯度，Rb為傾斜面與水平面上的太陽直接輻射比。

ωs為水平面上的日出、日落時角，ωs′為傾斜面上的日出、日落時角，Isc為太陽常數：1367W/m2，γ為日、地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量修正值，ψ為地理緯度由公式（2）式變換得到優化后的最佳單軸傾角數學模型：

2 實驗仿真

根據最佳單軸傾角數學模型，利用MATLANB軟件進行仿真實驗。當光伏電站位置一旦選定，地理緯度角ψ，太陽赤緯角δ，太陽時角ωs在固定的時間是唯一值。因此在獲取最大輻射時，最佳傾角β能進行進算，將最佳傾角通過換算推進步進電機驅動光伏電池達到最理想位置狀態。

實驗仿真地點選在緯度ψ=400的敦煌附近，由最佳傾角數學模型進行仿真，得到如圖2。

圖2 最佳傾斜角度隨時間變化仿真圖

在一天中任意取一段時間進行逐日仿真，太陽最大輻射量與逐日傾角從0～90度區間內的變化如圖3。

圖3 太陽輻射量與傾斜角度變化仿真圖

3 結束語

在最佳單軸傾角數學模型線，采用無傳感器控制理論下，進行仿真。根據結果分析，最佳傾斜角度控制在480時，是光伏矩陣接受太陽輻射量最大的時候，因此采用這種無傳感器模型的逐日控制系統可以提高光電轉換能力，增加發電量，降低成本，且安裝、調試簡單，對逐日系統的發展有一定的實踐運用意義。