基于PVsyst的傾角可調固定式光伏支架的調節次數及傾角偏差影響分析

摘 要：以位于內蒙古自治區的采用傾角可調固定式光伏支架的某光伏電站為例，首先利用PVsyst軟件對不同光伏支架傾角下的年發電量進行模擬，得到最佳傾角；然后對光伏支架傾角的浮動范圍進行分析；最后針對傾角可調固定式光伏支架的調節時間及調節次數進行研究，并分析1年調節2次傾角時傾角偏差對發電量的影響。研究結果顯示：1）相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架的光伏電站，光伏支架傾角年調節次數由2次增加到12次，光伏電站年發電量增益可由4.72%增至5.81%。2）光伏支架傾角調節次數與季節無直接相關性；相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架的光伏電站，隨著光伏支架傾角調節次數的增加，光伏電站的年發電量增益逐漸增加，但增幅在逐漸減小。3）在確定光伏支架年調節次數時，需要綜合考慮發電量的增益和需要投入的成本，選擇2～4次較為合適。4）傾角可調固定式光伏支架1年調節2次傾角時，每次傾角可允許存在±5°的偏差范圍，且綜合考慮現場工況和調節精度等實際情況后，年理論發電量的最大損失率僅約為0.3%。以期研究結果可為光伏電站的光伏支架傾角設計方案比選、運維時的傾角調節優化及技術標準制定等工作提供參考。

關鍵詞：光伏電站；傾角可調固定式；光伏支架；調節次數；傾角偏差；PVsyst

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

光伏支架是光伏電站的重要組成部分，對光伏組件起支撐作用。根據類型不同，光伏支架主要包括最佳傾角固定式光伏支架、傾角可調固定式光伏支架、平單軸跟蹤式光伏支架、斜單軸跟蹤式光伏支架和雙軸跟蹤式光伏支架[1]。有研究表明：同一緯度下，相較于采用最佳傾角固定式光伏支架的光伏電站，采用傾角可調固定式光伏支架的光伏電站接收的太陽輻射量更多，且緯度越高，提升幅度越明顯，這也意味著采用此類支架的光伏電站的發電量提升空間較大[2-3]。

因具有成本低、操作方便、光伏組件發電效率提升顯著等特點，光伏電站通常采用傾角可調固定式光伏支架。在綜合考慮經濟效益的前提下，當光伏電站采用傾角可調固定式光伏支架時，其對光伏支架傾角的調節方式通常為半年調試1次，以建設在青海省海北藏族自治州的光伏電站為例，這種方式可帶來5.07%的發電量增益[4]；或采用按季調試的方式，即根據季節1年調節4次，以建設在山西省大同市的某光伏電站為例，這種方式可帶來5.41%的發電量增益[5]，而對于建設在武漢地區的光伏電站而言，則可帶來10.62%的發電量增益[6]。但相關研究結果[4-6]也表明：半年調試1次或按季每年調試4次或按月每年調試12次，可能不是傾角可調固定式光伏支架傾角調節的最優方案。吳少璟等[7]的研究結果表明：當光伏電站在全壽命周期內前8年每年調節4次光伏支架傾角，隨后每年調節3次時，可以使光伏電站發電效益最優，但未給出每次調節的時間和對應的光伏支架傾角。

上述研究既未針對光伏支架傾角產生偏差對發電量的影響進行分析，也未分析光伏支架傾角在何種偏差范圍內對發電量的影響較小。本文以位于內蒙古自治區的采用傾角可調固定式光伏支架的某光伏電站為例，首先利用PVsyst軟件對不同光伏支架傾角下光伏電站的年發電量進行模擬，以得到最佳傾角；然后對光伏支架傾角的浮動范圍進行分析；最后針對傾角可調固定式光伏支架的調節時間及調節次數進行研究，并分析1年調節2次傾角時傾角偏差對發電量的影響。

1" 數據獲取

以位于內蒙古自治區的某光伏電站為例進行分析，該光伏電站所在地的海拔高度為1800 m，采用傾角可調固定式光伏支架，光伏組件總裝機容量為21 MW。利用PVsyst 軟件模擬以1°為間隔，光伏支架傾角在1°～80°之間變化時該光伏電站的逐月發電量情況，模擬結果如圖1所示。

2 光伏支架最佳傾角及光伏支架傾角浮動范圍分析

根據模擬得到的不同光伏支架傾角時的光伏電站逐月發電量數據，可以計算得到不同光伏支架傾角時光伏電站的年發電量，年發電量最大時對應的光伏支架傾角即為該光伏電站光伏支架的最佳傾角；然后可利用相關數據計算得出相較于最佳傾角，其他光伏支架傾角下的光伏電站年發電量損失率RBT，計算式為：

式中：PBA為光伏支架最佳傾角下的光伏電站年發電量；PTA為其他光伏支架傾角下的光伏電站年發電量。

不同光伏支架傾角時的光伏電站年發電量如圖2所示。

由圖2可知：光伏支架傾角為40°時，該光伏電站的年發電量最大。因此，40°是該光伏電站光伏支架的最佳傾角。

相對于光伏支架最佳傾角，光伏支架其他傾角下光伏電站的年發電量損失率曲線如圖3所示。

由圖3可知：年發電量損失率曲線以40°為中心大致呈對稱曲線，且光伏支架其他傾角與最佳傾角差值越大，年發電量損失率越高，對應的年發電量越低。

根據年發電量損失率曲線將最佳傾角左右兩側的年發電量損失率分別進行數據擬合，可得到其他傾角與最佳傾角差值下的年發電量損失率擬合公式。最佳傾角40°右側的年發電量損失率RR的擬合公式可表示為：

式中：?A為其他傾角與最佳傾角差值的絕對值。

最佳傾角40°左側的年發電量損失率RL的擬合公式可表示為：

當其他傾角與最佳傾角（40°）差值的絕對值為0°～40°時，年發電量損失率擬合曲線如圖4所示。圖中：R2為相關系數。

由圖4可知：最佳傾角40°左側的年發電量損失率曲線與最佳傾角40°右側的年發電量損失率曲線基本重合，這也驗證了上文得到的“年發電量損失率曲線以40°為中心大致呈對稱曲線”的結論。

根據GB/T 29320—2012《光伏電站太陽跟蹤系統技術要求》，平單軸跟蹤系統跟蹤精度要求為±5°，雙軸跟蹤系統跟蹤精度要求為±2°，本文選取較大偏差±5°進行分析。由式（3）可得，當光伏支架傾角為35°（即其與最佳傾角的差值為5°）時，年發電量損失率為0.30%；由式（2） 可得，當光伏支架傾角為45°（即其與最佳傾角的差值為5°）時，年發電量損失率為0.28%。結合上述分析，在實際工程設計時，可綜合考慮項目所在地的風沙、雨水、占地面積、施工難度等情況，可在理論最佳傾角的±5°范圍內設計實際傾角，此時理論年發電量的最大損失率約為0.3%。

3" 光伏支架傾角調節時間及次數分析

為了根據不同光伏支架傾角下光伏電站逐月發電量計算給定的光伏支架傾角調整次數N（2≤N≤12）下光伏電站的最大發電量及光伏支架傾角調整時間和調節成的角度，本文基于Matlab R2022a平臺，采用遺傳算法進行每年2～12次調整次數時的光伏支架傾角求解。遺傳算法是借鑒生物的自然選擇和遺傳進化機制而開發出的一種概率搜索算法，其通過對當前種群施加選擇、交叉、變異等一系列遺傳操作，從而產生出新一代的種群，并逐步使種群進化到包含或接近最優解的過程[8]。在給定的光伏支架傾角調整次數下，算法中的種群表示可能解的集合，集合中每1個解擁有1條染色體，每條染色體包含1—12月這12個基因，根據給定的光伏支架傾角調整次數，將每條染色體分成N段，每段代表了該條染色體中實際的調節方式。染色體之間通過交叉、變異產生新的染色體，根據計算得到的適應度值（即每個染色體對應的年發電量）淘汰不良染色體，使種群朝著適應度函數值最大的方向進化。該遺傳算法的基本步驟為：

1）初始化：將可行解1—12月編碼為12個“0”，根據給定的光伏支架傾角調整次數，將編碼中N個“0”變為“1”，“1”的位置即為開始調整的月份（例如，“1”在第5個位置，則代表在5月初將光伏支架傾角調節成新的傾角），隨機產生50個編碼作為第1代種群。

2）適應度計算：以種群中每個染色體對應的發電量作為其適應度，也就是計算分成N段染色體的每個子段在1°～80°下的最大發電量及其對應的光伏支架傾角，N個子段的發電量之和即為適應度。

3）選擇：根據計算得到的每條染色體適應度值將種群中染色體由高到低進行排序，依據“選擇排名前90%”的策略，對種群染色體進行選擇。

4）交叉變異：根據交叉概率0.9、變異概率0.1的交叉變異策略，對染色體進行交叉變異。

5）結束判斷：若最大迭代次數達到100次，則結束操作，然后平臺輸出調整N次時每次的調整時間（月份）和調節成的角度，并計算此時的年發電量。若最大迭代次數不足100次，則回到步驟2）繼續操作，直至達到100次。

根據上述遺傳算法計算出每年不同光伏支架傾角調節次數下的年發電量及其相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架時的年發電量增益，計算結果如表1所示。1年調節2次、3次和4次時的調節時間和每次調節成的角度如表2所示。

結合表1、表2可知：1年調節2次時，最佳的調節時間分別是4月初和9月初，調節成的角度分別為15°和56°，且此種調整方式下，相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架時的年發電量增益為4.72%；1年調節3次時，最佳的調節時間分別是4月初、9月初和10月初，調節成的角度分別為15°、37°和59°，且此種調整方式下，相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架時的年發電量增益為5.10%；1年調節4次時，最佳的調節時間分別是3月初、5月初、9月初和10月初，調節成的角度分別為35°，11°、37°和62°，且此種調整方式下，相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架時的年發電量增益為5.42%。根據不同調節結果可知：光伏支架傾角調節次數與季節無直接相關性；相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架的光伏電站，隨著光伏支架傾角調節次數的增加，光伏電站的年發電量增益逐漸增加，但增幅在逐漸減小。在確定光伏支架年調節次數時，需要綜合考慮發電量的增益和需要投入的成本，選擇2～4次較為合適。

根據GB/T 29320—2012，平單軸跟蹤系統跟蹤精度要求為±5°，雙軸跟蹤系統跟蹤精度要求為±2°，因此，對1年調節2次時調節成的角度存在±2°和±5°偏差時的發電量損失進行分析。但需要說明的是，本文僅進行理論上的調節時間和調節成的角度分析，忽略實際調節過程所需要的時間，比如，1年調節2次時，調節時間分別為4月初和9月初，這意味著4月1日和9月1日時就需要調節成需要的角度，太陽出來后光伏電站就按照新調節成的角度進行發電。1年調節2次的情況下，相對于需調節成的傾角，當偏差分別為±2°和±5°時的發電量損失率如表3所示。

從表3可以看出：年發電量最大損失率為0.33%，此時兩次調節的偏差均為±5°，與固定式光伏支架在最佳傾角±5°時的年發電量損失率0.3%很接近，這表明傾角可調固定式光伏支架1年調節2次傾角時，每次傾角可允許存在±5°的偏差范圍，且綜合考慮現場工況和調節精度等實際情況后，年理論發電量的最大損失率約為0.3%。

4" 結論

本文以位于內蒙古自治區的某采用傾角可調固定式光伏支架的光伏電站為例，首先利用PVsyst軟件對不同光伏支架傾角下的年發電量進行模擬，得到了最佳傾角；然后對光伏支架傾角的浮動范圍進行了分析；最后針對傾角可調固定式光伏支架的調節時間及次數進行了研究，并分析了1年調節2次傾角時傾角偏差對發電量的影響。得到以下結論：

1）相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架的光伏電站，光伏支架傾角年調節次數由2次增加到12次，光伏電站年發電量增益由4.72%增至5.81%。

2）光伏支架傾角調節次數與季節無直接相關性；相對于全年采用最佳傾角固定式光伏支架的光伏電站，隨著光伏支架傾角調節次數的增加，光伏電站的年發電量增益逐漸增加，但增幅在逐漸減小。

3）在確定光伏支架年調節次數時，需要綜合考慮發電量的增益和需要投入的成本，選擇2～4次較為合適。

4）傾角可調固定式光伏支架1年調節2次傾角時，每次調節可允許存在±5°的偏差范圍，且綜合考慮現場工況和調節精度等實際情況后，年理論發電量的最大損失率僅約為0.3%。

相關分析結果可為光伏電站的光伏支架傾角設計方案比選、運維時的傾角調節優化及技術標準制定等工作提供參考。

[參考文獻]

[1] 毛文旭. 集中式光伏電站支架經濟性比對及選型研究[J]. 現代工業經濟和信息化，2021，11（9）：164-165.

[2] 楊柳柳，汪飛，任林濤. 并網光伏電站的組件傾角優化設計與研究[J]. 太陽能學報，2018，39（12）：3377-3383.

[3] 牟娟. 光伏電站可調式支架經濟效益分析[J]. 可再生能源，2013，31（6）：23-25.

[4] 畢金鋒，平曈其，吳雪萍，等. 剛察扎蘇合光伏電站固定可調支架發電效益分析[J]. 實驗室研究與探索，2016，35（1）：31-33，53.

[5] 嚴一立，王良，李春陽，等. 光伏手動可調支架的應用分析[J]. 中國新技術新產品，2018（7）：80-81.

[6] 李佳凱. 光伏組件發電量與最佳傾角研究：以武漢地區為例[J]. 裝備制造技術，2021（8）：171-173.

[7] 吳少璟，周長友，陳彬，等. 固定可調支架系統調節策略改進分析[J]. 華電技術，2019，41（4）：56-58.

[8] 周明，孫樹棟. 遺傳算法原理及應用[M]. 北京：國防工業出版社，1999.

Analysis of adjustment FREQUENCY and impact of inclination angle deviation on adjustable inclination angle fixed PV bracket based on PVsyst

Meng Qingfa1，Yan Liang2，Ma Liang2，Chen Xingyu2

（1. Wuxi Institution of Supervision and Testing on Products Quality，Wuxi 214101，China；

2. Huaneng Ningxia Energy Co.，Ltd，Yinchuan 750003，China）

Abstract：This paper takes a PV power station located in Inner Mongolia Autonomous Region that uses adjustable fixed PV brackets as an example. Firstly，PVsyst software is used to simulate the annual power generation capacity under different inclination angles of PV brackets to obtain the optimal inclination angle. Then analyze the floating range of the inclination angle of the PV bracket. Finally，a study is conducted on the adjustment time and frequency of adjustable inclination angle fixed PV brackets，and the impact of inclination angle deviation on power generation capacity is analyzed when adjusting the inclination angle twice a year. The research results show that：1） Compared to PV power station that use the optimal fixed angle PV bracket throughout the year，as the number of annual adjustments to the angle of the PV bracket increases from 2 to 12，the annual power generation capacity gain of the PV power station increases from 4.72% to 5.81%. 2） There is no direct correlation between the number of inclination angle adjustments of PV brackets and seasons. Compared to PV power stations that use the best angle fixed PV bracket throughout the year，as the number of angle adjustments of the PV bracket increases，the annual power generation capacity gain of the PV power station gradually increases，but the increase is gradually decreasing. 3） When determining the annual adjustment frequency of PV brackets，it is necessary to comprehensively consider the gain of power generation capacity and the cost required to invest，and choose 2～4 times is more appropriate. 4） When the inclination angle of the adjustable fixed PV bracket is adjusted twice a year，a deviation range of ±5°can be allowed for each inclination angle. After considering the actual situation of on-site conditions and adjustment accuracy，the maximum loss rate of annual theoretical power generation capacity is only about 0.3%. The research results are expected to provide reference for the comparison of PV bracket inclination angle design schemes，optimization of inclination adjustment during operation and maintenance，and formulation of technical standards for PV power stations.

Keywords：PV power station；adjustable inclination angle fixed PV brackets；PV bracket；adjustment frequency；deviation in inclination angle；PVsyst