光伏跟蹤系統坡地反陰影遮擋創新與應用

［摘 要］針對光伏發電跟蹤系統普遍存在的陰影遮擋痛點，甘孜縣宸光光伏發電有限公司基于傳統的平單軸跟蹤系統反陰影跟蹤策略，對安裝在坡地上的光伏陣列進行研究，形成一種適用于坡地的新型光伏發電跟蹤系統反陰影遮擋控制方法，有效消除了傳統反陰影跟蹤控制中采用的開環控制策略無法實時檢測調整的弊端，避免了傳統采用閉環控制模式的反陰影跟蹤策略在設計參數與實地安裝條件下的差異，一定程度上提高了光伏系統發電量以及反陰影跟蹤系統的穩定性，具有較大的推廣應用價值。

［關鍵詞］光伏發電；跟蹤系統；反陰影跟蹤策略

一、實施背景

2021年，中國光伏迎來了全面平價時代。為了產出更多清潔電力，提高項目收益，跟蹤支架等多項技術開始在業內得到廣泛應用。

采用跟蹤系統的光伏支架普遍面臨一個突出問題，那就是在清早和傍晚太陽高度角較低時，光伏組件相互遮擋的現象十分普遍。當光伏板陣列之間前后發生遮擋時，每塊光伏組件受光照強度不同，導致各個光伏電池陣列失配，陰影遮擋嚴重的還會產生熱斑，進而會導致整個光伏組件受損。

目前，解決單軸光伏跟蹤支架反陰影控制的傳統控制系統，主要根據時間、GPS坐標，通過天文算法生成目標角度控制電機運動，是一種開環的控制系統。控制器根據預先設的跟蹤角度控制電機運動，不對跟蹤支架是否發生遮擋陰影進行反饋檢測，只是通過數學推導的方法計算陰影是否生成，并根據計算結果進行反陰影控制。

（一）光伏發電跟蹤系統現狀

光伏發電跟蹤系統，能夠讓光伏組件朝向根據光照情況進行調整，減少組件與太陽直射光之間的夾角，獲取更多的太陽輻照，從而有效提高發電效率。有實驗室數據表明，相對于未采用跟蹤系統的常規光伏發電相比，采用平單軸跟蹤方式后，光伏發電系統發電效率得到大幅提升，在占地面積基本不變的情況下，相對同等容量的固定式安裝方式，發電效率可提高20%至25%。

（二）光伏發電跟蹤系統類型

目前，光伏電站中使用率最高的是平單軸跟蹤系統，即多個軸由一個電機驅動擺臂實現組串跟蹤。大多光伏板按照東西方向進行跟蹤，每一陣列南北方向固定安裝排布，一般情況下8個串為一組，即1個跟蹤電機驅動8個陣列的光伏組串。

（三）平單軸跟蹤系統典型設計

我國地處北半球，太陽在我國運行規律為：冬季夾角最大，夏季最小，而且一天在跟蹤過程中也會不斷變化。經過理論計算和長期的運行經驗，目前多數平單軸跟蹤系統均采用南北向固定安裝，東西方向的跟蹤傾角極限典型設計為±45°。

然而，受光伏發電工程在批量化設計、采購、施工等因素影響，安裝在坡地上的跟蹤系統，支架安裝高度、支架間間距均與設計上存在一定差異，致使跟蹤系統在運行中產生不同程度的陰影遮擋，且當前主流的反陰影控制方法存在一定的局限性。

因此，研究對安裝在坡地上的光伏跟蹤系統反陰影遮擋控制防范進行優化是非常必要的。

二、系統研究

（一）反陰影遮擋概述

光伏電池板組件之間，以及光伏電池板組件內部各個光伏電池片之間，均采用串聯結構，通過串聯形成高壓直流電源。在高壓光伏組件串中，被遮擋的電池片不但不能發電，還會成為其它電池片的耗能負載，嚴重影響光伏組件串的整體發電量輸出。因此，在單軸光伏跟蹤支架的跟蹤角度控制過程中，要求跟蹤控制器在可能發生陰影遮擋的工作時段，切換到減小跟蹤角度，避免陰影遮擋的控制方法。這種控制方法稱為“反陰影遮擋控制”。

（二）反陰影遮擋實踐應用

平單軸的反陰影遮擋控制，是根據太陽入射角、日照時長、組件長度、相鄰光伏組件串間間距、極限角度以及組件的傾斜角度等主要參數，通過函數關系計算實現的。在實踐應用中，需要根據每個現場的實際情況，對函數中關鍵參數和其它主要因素進行實地校準，以達到設計上的最佳反陰影遮擋控制效果。

以我國西部省份某高原光伏電站為參照，數據如下：

1. 跟蹤系統函數中關鍵參數校準

（1）太陽入射角除了與經緯度密切相關外，還與所處地的海拔高度密切相關在同一地理坐標上，海拔越高，同一時刻太陽的入射角度越小，這對光伏板反陰影遮擋具有非常顯著的影響，因此在實際應用中，需考慮此因素。（如圖1所示）

參考電站根據經緯定位和海拔測量數據，將與太陽角相關參數經度設定為100°，緯度設定為31°，海拔高度設定為4300m。

（2）國標規定光伏組件之間在冬至日09∶00-15∶00不應遮擋。因此，需根據實際情況調整控制系統作用的起止時間。參考電站依據當地日照時長和所處的時區，將開始時間設定為早上7∶00，結束時間設定為晚上19∶00，時區設定為東8區。

（3）經過理論計算和長期的運行經驗，目前我國北緯30°以下多數平單軸跟蹤系統均采用東西向安裝，東西方向的跟蹤傾角極限為±45°。以此為依據，參考電站將東限制角和西限制角設定為±45°。

（4）設太陽入射光纖與水平地面的夾角為A，光伏組件平行于東西方向的寬度為L，光伏組件串間間隔為H，反陰影控制角度為B。（如圖2所示）

tan A=L·sinB/H-L·cosB

可知反陰影控制角度與光伏組件串間間距存在函數關系。實踐應用中，需根據現場實際設定此參數。參考電站根據實際測量，將光伏組件串間間隔設定為4.2m。

在反陰影遮擋控制的實踐應用中，需考慮現場的實際地理位置和設計參數等影響因素，通過函數參數校準，可有效地實現反陰影遮擋控制的目的。

2. 地形差異化校準

反陰影遮擋控制在設計上，其函數關系一般性是基于水平地面，經過理論計算得出，實際光伏電站中，除了水平地面，更常見的是坡地：傾斜地面（東向或西向單向傾斜）和丘陵地面（東西雙向傾斜）。因此，還需根據地形差異化進行校準。此處以傾斜地面（西向傾斜）為例進行分析說明。

日出時，反陰影遮擋控制在傾斜地面（西向傾斜）與水平地面的對比。由圖可知，在光伏組件串間間距一定的情況下，同一時刻，傾斜地面（西向傾斜）的反陰影控制角度比水平地面的反陰影遮擋控制角度更小。因此，在其它參數相同的情況下，若實際地形出現傾斜地面（西向傾斜），日出時的反陰影遮擋控制的極限角度比水平地面的反陰影遮擋控制的極限角度要小。以上文提到的水平地面反陰影遮擋控制的極限角度45°為基準，傾斜地面（西向傾斜）東向極限角度根據實際校準小于45°。參考電站根據以上理論依據，將東限制角和西限制角設定為±45°。（如圖3所示）

日落時，反陰影遮擋控制在傾斜地面（西向傾斜）與水平地面的對比。由圖可知，在日落的某一時刻，當水平地面反陰影遮擋控制系統運行時，傾斜地面（西向傾斜）的光伏組件反陰影控制裕度較大，為滿足光伏組件最大程度的受到太陽光直射，此時可延時傾斜地面（西向傾斜）反陰影遮擋控制系統運行。即相較于水平地面反陰影遮擋控制，日落時，在傾斜地面（西向傾斜）上，反陰影遮擋控制系統需根據實際，進行延時校準。（如圖4所示）

同理，傾斜地面（東向傾斜）和丘陵地面（東西雙向傾斜）也需根據此原理，對地形差異化進行實地校準。

3. 機械安裝校準

由于設備制造工藝和施工工藝等原因，導致光伏組件在實際運行中會出現一定的角度偏差。根據以上論述，光伏組件的傾斜角度與反陰影遮擋控制存在函數關系，為保證反陰影遮擋控制的精準度，必須對光伏組件進行機械安裝校準。

參考電站選取機械角度儀，測量光伏組件實際角度，校準反陰影遮擋控制控制系統的角度零值，確?？刂葡到y與實際角度保持一致。（如圖5所示）

通過以上反陰影遮擋控制相關數據校準，參考電站反陰影遮擋控制跟蹤誤差在0.3°內，具有較高的跟蹤精度，基本實現跟蹤過程無陰影遮擋，陰影距離在0.2m內。

（三）反陰影遮擋開環控制模式

在跟蹤系統設計階段，按照在同一水平面的理想環境條件下設計對光伏電站所處地形，跟蹤系統主要根據時間、GPS坐標，通過天文算法生成目標角度控制電機運動，從理論上可以最完全地避免陰影遮擋，控制器控制電機進行正向和逆向的運動，但不對組件是否陰影遮擋進行檢測，屬于開環控制方式。

開環控制模式是基于理論上的數學模型推導而來，未考慮到工程現場實際情況，受安裝地形存在一定坡度工程項目成本以及實際施工質量影響，光伏組件表面無法保持在同一平面組件支架間距、組件距地高度參數均存在不一致的情況。開環的控制方式，控制器不對跟蹤支架是否發生遮擋陰影進行反饋檢測，只是通過數學推導的方法計算陰影是否生成，并根據計算結果進行反陰影控制。當組件實際安裝與設計存在差異時，即產生了陰影遮擋。

（四）光伏發電跟蹤系統供電模式

光伏支架跟蹤系統的控制器需要外部工作電源，其工作電源有多種來源可供選擇，在供電電源上，包括外部電網電源集中供電、高壓組串供電和獨立電池板自供電等多種選擇。采用外電源供電的方式，當外部電源出現故障時，對應跟蹤系統控制器也將停止工作，組件將無法正常旋轉，對發電量有較大影響。所謂獨立電池板自供電是指在光伏跟蹤控制器附近，安裝與電網脫離的小型的專用光伏電池板為光伏跟蹤控制器提供電源，由于不依賴電網供電，這種供電方式稱為獨立光伏電池板自供電。

三、建設路徑

為解決開環控制方式在坡地條件下無法實時檢測陰影遮擋情況以及集中供電系統存在的不可靠性，現提出一種適用于坡地的新型光伏發電跟蹤系統反陰影遮擋控制方法，即建設一套具有遮擋陰影閉環檢測、高差間距自動解算，跟蹤角度優化計算的智能反陰影系統。

（一）分散式自供電

在不影響原光伏板安裝方式的條件下，在相鄰光伏組件的間隙處，上方和下方各安裝一塊相同規格型號的小尺寸光伏電池板，并配置蓄電池，上下兩塊光伏電池板并聯后對跟蹤系統提供電源。自供電光伏電池板和蓄電池選型要適配跟蹤系統的負荷，可減少外部供電的電氣結構部分。即使一個光伏電池板被碎石擊中破裂或者被鳥糞等污漬遮蓋，供電系統也能正常工作，可以提高供電的可靠性。（如圖6所示）

（二）遮擋陰影的自動檢測

兩個并聯的小型自供電光伏電池板同時作為遮擋陰影檢測傳感器，在無遮擋情況下，上方自供電光伏電池板和下方自供電光伏電池板的發電量近似相同，當上方自供電光伏電池板或者下方自供電光伏電池板其中一個受到遮擋后，上方和下方自供電光伏電池板所接收的太陽輻照量出現差異，當差值達到設定檢測閾值后，光伏跟蹤控制器內部的處理器即可判定輸出能量較小的上方自供電光伏電池板或者下方自供電光伏電池板受到了遮擋。（如圖7所示）

這一檢測技術將光伏跟蹤支架控制器的供電問題和遮擋陰影檢測問題合并處理，簡化了系統結構，通過遮擋陰影的實時檢測，防止因工作參數設置不準確引起的反陰影控制失效，提高系統反陰影控制的可靠性。

（三）跟蹤支架安裝參數的自動檢測

基于上述的遮擋陰影自動檢測系統，平單軸光伏跟蹤控制器可以自動的測量和解算相鄰跟蹤器的間距w和高度差h。（如圖7所示）

通常前排單軸光伏跟蹤支架和后排單軸光伏跟蹤支架的旋轉軸間距w為規劃設計的標準值，則根據前排單軸光伏跟蹤支架的跟蹤角度a和后排單軸光伏跟蹤支脫離陰影遮擋的工作角度b，可以計算前排單軸光伏跟蹤支架和后排單軸光伏跟蹤支架的旋轉軸高度差h：

例如電池板寬度2000mm、跟蹤器安裝間距w=5000mm。在前排跟蹤器工作角度α=45°，后排跟蹤器工作角度α=45°時發生了遮擋，前排跟蹤器不動作，保持工作角度α=45°，后排跟蹤器減小跟蹤角度至β=22°時陰影消失。則可以計算出跟蹤器安裝高度差為-39mm，后排比前排高39mm。

（四）跟蹤支架的智能群體反陰影跟蹤支架之間存在高度差，如果所有跟蹤支架都按同一個角度進行反陰影操作，則不可避免的會形成陰影遮擋。（如圖8所示）

圖中各個跟蹤支架上光伏電池板投射在地面的陰影之間會發生重疊。如果不對這些高差進行處理，則運行過程中就會出現陰影遮擋的現象，光伏組件的陰影遮擋情況與高度差有關系，在低于前方光伏組件時，高度差越大，受陰影遮擋的面積就越大。

使用此新型反陰影遮擋檢測算法后，當光伏跟蹤支架陣列初始安裝運行的過程后，陣列中的跟蹤支架通過自動的遮擋檢測和高差計算，可以自動計算出一個光伏陣列中前后多組光伏支架陣之間的連續高度差信息。再將整個光伏跟蹤支架陣列當成一個整體進行優化計算，以各個跟蹤支架之間的高度差作為輸入條件，把各個跟蹤支架之間不發生陰影遮擋作為約束條件，求解使得整個光伏跟蹤陣列余弦效應最小的跟蹤器工作角度向量，并施加到每一個跟蹤器的實際工作角度，則可以實現跟蹤支架的智能群體反陰影。（如圖9 所示）

根據跟蹤支架的前后高度差，工作于不同的跟蹤角度，各跟蹤系統實時檢測陰影遮擋情況，并調整到，既沒有空隙也不發生重疊，在丘陵坡地情況下，實現了理想的群體反陰影效果。

四、實踐效果

基于以上實踐應用和跟蹤策略，在電站內選取10 組跟蹤系統作為試驗組，選取另外10組作為參照組，將試驗組光伏組件的反陰影遮擋控制進行優化，對兩個組1-8月的發電量進行對比。（如圖10 所示）

試驗組1-8月的發電總量為63.57萬kWh，對照組1-8月的發電總量為62.2萬kWh， 在其它條件相同的情況下，試驗組發電效率比對照組高2.20%。因此，該反陰影遮擋控制方法可有效避免坡地光伏陣列內部的陰影遮擋，減少發電量損失。

五、總結

本文從平單軸跟蹤系統反陰影跟蹤策略的概念，并結合安裝在坡地上光伏陣列入手，研究制定了一種適用于坡地的新型光伏發電跟蹤系統反陰影遮擋控制方法，消除了傳統反陰影跟蹤控制中采用的開環控制策略無法實時檢測調整的弊端，也避免了傳統采用閉環控制模式的反陰影跟蹤策略在設計參數與實地安裝條件下的差異，一定程度上提高了系統發電量以及反陰影跟蹤系統的穩定性，具有較大的實踐應用意義。

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