基于无传感器的控制算法在最佳斜单轴逐日系统中运用研究

罗龙 蒋锐 唐光 罗文学 罗候

1. 四川龙码自动化设备有限公司 四川 绵阳 621000；2. 遂宁川能水务有限公司 四川 遂宁 629000

引言

现在主流逐日系统是采用光传感器[1]作为逐日系统的信号源，但光传感器价格高，安装调试复杂，运行维修成本高，不宜推广使用，因此，被斜单轴逐日系统的优势所代替。虽然采用斜单轴逐日系统发电占用土地面积比固定支架形式的面积要大，但是调整前后的总效益增加57.83%[2]。因此本文对逐日数学模型进行了优化，研究一种无传感器控制算法的斜单轴逐日系统，这种算法能直接转化为产品，装备到光伏发电设备上，在运用上有一定的经济价值。

1 逐日系统控制原理

虽然太阳辐射能量受大气质量、地球的自转、公转等因素影响，但是每个光伏电站地址唯一，可由卫星进行精确测定，可得出精确的纬度、经度。在系统设计前需对日出、日落时的角度基本参数进行确定，对太阳光的最大辐射量和最佳辐射角度（最佳倾角）如图1所示等进行建模分析，以保证光伏矩阵接收到最大光辐射。太阳赤纬角指的是太阳光线与地球赤道平面的夹角。赤纬角以年为周期，在-23027′～23°27′ 范围内变化，春分和秋分时刻为零，夏至和冬至分别达到两个极值。赤纬角计算常采用经验公式[3]：

光伏矩阵的太阳辐射总量通常为太阳辐射量、天空散射辐射量和地面反射辐射量。在这里我们采用模型引入天空晴朗指数[4]，同时认为来自天空的辐射量是各项同性，地面部分各项异性。倾斜面上的太阳辐射量可用下式表达：

公式中：Ht为倾斜面上的太阳辐射总量，Hb水平面上的太阳直接辐射量，Hd为散射辐射量H0为大气层外水平面上太阳辐射量，β为光伏电池倾角，ρ为地面反射率，ψ为当地纬度，Rb为倾斜面与水平面上的太阳直接辐射比。

ωs为水平面上的日出、日落时角，ωs′为倾斜面上的日出、日落时角，Isc为太阳常数：1367W/m2，γ为日、地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量修正值，ψ为地理纬度由公式（2）式变换得到优化后的最佳单轴倾角数学模型：

2 实验仿真

根据最佳单轴倾角数学模型，利用MATLANB软件进行仿真实验。当光伏电站位置一旦选定，地理纬度角ψ，太阳赤纬角δ，太阳时角ωs在固定的时间是唯一值。因此在获取最大辐射时，最佳倾角β能进行进算，将最佳倾角通过换算推进步进电机驱动光伏电池达到最理想位置状态。

实验仿真地点选在纬度ψ=400的敦煌附近，由最佳倾角数学模型进行仿真，得到如图2。

图2 最佳倾斜角度随时间变化仿真图

在一天中任意取一段时间进行逐日仿真，太阳最大辐射量与逐日倾角从0～90度区间内的变化如图3。

图3 太阳辐射量与倾斜角度变化仿真图

3 结束语

在最佳单轴倾角数学模型线，采用无传感器控制理论下，进行仿真。根据结果分析，最佳倾斜角度控制在480时，是光伏矩阵接受太阳辐射量最大的时候，因此采用这种无传感器模型的逐日控制系统可以提高光电转换能力，增加发电量，降低成本，且安装、调试简单，对逐日系统的发展有一定的实践运用意义。