韋永蘭

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

目前，“碳中和”口號已經(jīng)唱響全球，綠色能源發(fā)展日趨重要。大型地面光伏電站將取之不盡用之不竭的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并將其源源不斷地輸送至千家萬戶，大大減少了碳排放，取得了顯著的經(jīng)濟效益以及環(huán)境效益，預(yù)計將在“碳交易”中獲得較大的收益。

光伏發(fā)電發(fā)展之初，人們對光伏支架的不同安裝方式進行了預(yù)測評價：采用固定式支架安裝，電站占地面積小、易維護、投資較小，但發(fā)電量較小，回收期較長；而采用跟蹤式支架，則占地面積大，維護量較高，投資也相對較大，但發(fā)電量較大，回收期較短。而為數(shù)不多的大型光伏跟蹤電站因其軟硬件的配置不一，控制方式和控制邏輯多樣化，存在的問題也各不相同，因此業(yè)內(nèi)人士對跟蹤式光伏電站多持懷疑、謹慎的態(tài)度。

光伏發(fā)電項目生命周期長、一次性投資大、品質(zhì)形成鏈式環(huán)節(jié)復雜、不確定因素多，有關(guān)跟蹤式光伏電站的控制系統(tǒng)技術(shù)的工程實踐總結(jié)更是空白，這也是人們質(zhì)疑跟蹤式光伏電站綜合效益及阻礙跟蹤技術(shù)發(fā)展的主要原因之一[1]。本文以寧夏某30 MW大型地面跟蹤式光伏電站為例，對智能化跟蹤控制系統(tǒng)技術(shù)進行工程實踐總結(jié)研究，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 跟蹤式光伏電站的控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工程概述

項目地點位于寧夏中衛(wèi)市某荒灘地，基本無植被生長，地面開闊，屬于太陽輻射資源豐富的地區(qū)。全站太陽能電池組件為全跟蹤式支架安裝，共分為28個光伏陣列，平均單個光伏陣列裝機容量為1.071 4 MW，每個光伏陣列設(shè)2個逆變子單元，即每個光伏陣列配置2臺500 kW的逆變器，實際裝機容量為30 MW。

項目于2012年1月1日并網(wǎng)成功，于2012年5月正式完成跟蹤控制系統(tǒng)的整體試車并投入使用。

1.2 跟蹤控制系統(tǒng)的構(gòu)成

在電站中心控制室內(nèi)設(shè)全站跟蹤系統(tǒng)中心控制系統(tǒng)，每個光伏陣列逆變器室內(nèi)設(shè)置子陣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全站智能化追日跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心控制系統(tǒng)與各子陣控制系統(tǒng)既相對獨立又互相統(tǒng)一。中心控制系統(tǒng)主要起到采集氣象數(shù)據(jù)、同步各子陣控制系統(tǒng)的控制器時鐘，以及對各子陣控制系統(tǒng)下發(fā)“一鍵式”整體指令，確保所有跟蹤支架安全性等作用，是全站各跟蹤分控系統(tǒng)的智能“中心大腦”。

全站分為28個跟蹤控制陣列單元，形成28個分控系統(tǒng)，每個分控系統(tǒng)既可以單獨對各自陣列跟蹤支架進行追日跟蹤控制，又可以控制跟蹤支架面板在雪天進行自清潔維護，也可接收中心控制器下發(fā)的指令對所有光伏支架進行統(tǒng)一的安全保護控制。

2 跟蹤式光伏電站的控制系統(tǒng)技術(shù)特點

2.1 機械特點

本工程采用中國恩菲自主設(shè)計的跟蹤支架——8°微傾角單軸柔性聯(lián)動跟蹤支架技術(shù)，由一臺交流異步電機驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動一組并排設(shè)置并通過柔性聯(lián)動結(jié)構(gòu)連接的8°傾角單軸跟蹤支架(6～8個)，每個跟蹤支架安裝4行×10列太陽能電池組件，如圖2所示。

圖2 跟蹤支架結(jié)構(gòu)

2.1.1 技術(shù)優(yōu)點

從性能上看，采用8°傾角跟蹤支架可以獲得更好的季節(jié)性發(fā)電收益，并減少占地面積，且通過柔性聯(lián)動結(jié)構(gòu)連接，降低了剛性聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)因大風天氣導致的共振帶來的整組帆板承受力；從成本上看，采用8°傾角跟蹤支架大大節(jié)省了剛性聯(lián)接所需的鋼材量，從而節(jié)省了投資成本。

2.1.2 技術(shù)缺點

采用8°傾角跟蹤支架，每年需增加定期緊固柔性裝置的人工維護費，但是這一部分費用遠遠低于由此節(jié)省下來的投資成本以及大風天氣造成的損失的總和。

2.2 控制特點

2.2.1 控制陣列布置

本工程采用基于PLC控制器的用戶程序跟蹤控制方法：每個1 MW光伏陣列單元為一個子陣控制單元，并配置一套PLC控制系統(tǒng)，整套PLC控制柜布置于相應(yīng)的單元逆變器室中，每套PLC子陣控制系統(tǒng)根據(jù)單元裝機容量控制13～18組太陽能電池組件跟蹤支架。

采用以上配置，一方面可進行同步跟蹤，使得單元光伏逆變器每個回路的輸入電壓因輻照度及輻照角度造成的微小偏差值最小，從而獲得最佳輸入電壓，減少電能的損耗，提高發(fā)電量；另一方面便于維護，以光伏陣列單元作為子陣控制系統(tǒng)單元便于維護人員辨識，在逆變器配套的監(jiān)控系統(tǒng)不夠充足的條件下更容易在光伏跟蹤系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺上查找故障原因，例如因跟蹤支架故障導致的逆變器輸出功率降低。

2.2.2 控制邏輯

每組太陽能電池組件跟蹤支架采用8°微傾角單軸智能聯(lián)動控制方式，即一個電機拖動多個8°微傾角的太陽能電池組件支架。采用此種方式，是追求經(jīng)濟與實用性能相結(jié)合，經(jīng)過理論計算得到的產(chǎn)出與投入比最高的途徑[2]。

本案例電站工程控制采用的是中國恩菲自主研發(fā)的用戶程序跟蹤方式，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 控制邏輯

本案例電站采用自主研發(fā)的創(chuàng)新時控跟蹤邏輯：基于天文公式，通過自主研發(fā)的邏輯算法自動計算電站每天的日照時長，按照最優(yōu)綜合收益比，舍棄日出后及日落前兩小時的弱光照強度的發(fā)電量，將最佳跟蹤日照時長劃分為N個跟蹤間隔，結(jié)合電機跟蹤行程的固定時間參數(shù)，計算得出每臺電機的每日跟蹤時間間隔以及相應(yīng)的運行時長，從而控制太陽能電池組件帆板的轉(zhuǎn)動角度。

2.2.3 控制模式

本案例電站采用的控制方法由多條件下不同跟蹤模式的算法設(shè)定。

1)東啟模式：跟蹤支架的跟蹤以水平位置為起點，在日出后預(yù)設(shè)的時間段內(nèi)采用相同時間間隔啟動電機至設(shè)定的跟蹤角度(正常跟蹤模式的啟動位置)。

2)正常跟蹤模式：當東啟模式結(jié)束后，支架將啟動正常的追日跟蹤模式——根據(jù)計算結(jié)果控制電機的運轉(zhuǎn)，使得跟蹤太陽入射光線始終落于微傾角法向平面內(nèi)，直到轉(zhuǎn)至西向跟蹤角度的極限位置。

3)夜返模式：在日落前的預(yù)設(shè)時間段內(nèi)，系統(tǒng)啟動返回水平位置的控制程序，以避免太陽落下前的光影遮擋，以此獲得最大的余光收益，提高電站的日發(fā)電量。

4)大風模式：整個控制系統(tǒng)通過追日跟蹤智能監(jiān)控平臺實時監(jiān)測電站風速。當電站環(huán)境風速高于設(shè)定安全閾值時，調(diào)平支架，以確保安全；當風速小于一定值時，可通過控制算法使跟蹤支架重新進入跟蹤狀態(tài)。

5)保護模式：同時，程序中加入了雙重角度限位保護，使執(zhí)行機構(gòu)的動作得到充分的保護，保障執(zhí)行機構(gòu)的壽命；利用角度傳感器實時監(jiān)控跟蹤支架的運行方位角，以確保位于中控室的運維人員通過追日跟蹤光伏系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺進行遠程實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題。

3 跟蹤控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行設(shè)計分析

3.1 先進的電站管理理念

在電站設(shè)計之初，就以“少人值守”智能化跟蹤式光伏電站為目標進行設(shè)計。

在電站建設(shè)之初，便考慮了追日跟蹤控制系統(tǒng)的智能監(jiān)控平臺的設(shè)計，使得電站值班人員可以通過操作工作站實時監(jiān)控環(huán)境條件，如風速以及太陽輻照度等，每組跟蹤支架的運行狀態(tài)、啟停、旋轉(zhuǎn)的方位角度、故障報警等，使追日跟蹤控制系統(tǒng)易于維護。

同時，電站值班人員可通過智能監(jiān)控平臺遠程操作任意一組跟蹤支架，使其在需要維修、清洗以及故障修復調(diào)平時無需人工就地操作，大大節(jié)省了人力支出。

3.2 設(shè)計周全的硬件系統(tǒng)

電站設(shè)計之初為節(jié)約用地以及投資，不單獨設(shè)PLC控制室，PLC控制柜需整體布置到逆變器室中。為避免強電信號干擾及強電沖擊導致控制器的損壞，在PLC的供電電源輸入端配置了小型電氣隔離裝置。

經(jīng)過10年的運行實踐，截至目前，裝機容量30 MW的電站28個逆變器室中的28套PLC控制系統(tǒng)供電電源穩(wěn)定，信號輸入清晰，極大減少了電網(wǎng)的沖擊以及電磁干擾。

3.3 創(chuàng)新安全的控制邏輯

本電站的設(shè)計運營年限為至少25年，因此設(shè)計安全穩(wěn)定的控制邏輯是必要的。

1)設(shè)計合理的電機啟動間隔，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行。本電站采用了近500臺跟蹤支架驅(qū)動電機，如果每次跟蹤啟動都同時進行，有可能對電網(wǎng)造成沖擊，降低電網(wǎng)的質(zhì)量，也影響發(fā)電量從而導致經(jīng)濟效益的減少。為降低這種可能性，設(shè)計之初便將子陣單元的所有電機啟動分成了5組，每組啟動設(shè)置了合理的啟動間隔，確保每次跟蹤啟動分組分步啟動到位。實踐證明，這樣的考慮保障了電站電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，至目前尚未發(fā)生任何因電機啟停沖擊造成電網(wǎng)擾動的現(xiàn)象。

2)不依賴角度傳感器或光照度傳感器的高精度控制邏輯。整個追日跟蹤控制邏輯依賴電機特性及地理位置計算跟蹤角度，定位誤差在3%以內(nèi)。一組跟蹤支架僅配置一個角度傳感器，而角度傳感器僅僅起到監(jiān)控支架旋轉(zhuǎn)角度的作用，不作為跟蹤角度的閉環(huán)反饋。不采用光照傳感器，是因為光照強度不穩(wěn)定，容易造成系統(tǒng)頻繁啟動或者跟蹤誤差增大，所以設(shè)計的追日跟蹤控制邏輯不依賴角度傳感器或光照度傳感器，可最大程度確保跟蹤系統(tǒng)在任何天氣下都能追隨太陽方位角，達到穩(wěn)定運行的效果。

實踐證明，不依賴外部傳感器，追日跟蹤控制系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定可靠，盡管犧牲了一定的跟蹤精度，但是卻節(jié)省了大量的傳感器，也減少傳感器帶來的不確定性以及電機頻繁啟動導致的損耗。

4 跟蹤式光伏電站與固定式光伏電站的對比

在案例跟蹤式光伏電站的一墻之隔安裝了相同裝機容量的固定式地面光伏電站，其支架安裝傾角為站點地理位置最佳傾角，兩個電站2019年月發(fā)電量如圖4所示。

為了獲得允許上網(wǎng)的最大裝機容量，跟蹤式光伏電站的跟蹤支架的布置因場地限制，設(shè)計的時候犧牲掉一部分發(fā)電量，因此整體電站設(shè)計的南北間距并未按照最佳距離進行布置，但是通過圖4的對比分析可知，跟蹤式光伏電站仍然比相同裝機容量的固定式光伏電站獲得更大的發(fā)電量，從而獲得更大的經(jīng)濟效益。

究其原因為：1)寧夏的夏秋兩季為用電高峰期，限電較少，而跟蹤式光伏電站恰恰在春秋兩季的發(fā)電量遠大于固定式光伏電站，相反，固定式發(fā)電量較高的冬春兩季為寧夏用電低峰期，限電率較高；2)太陽能電池組件表面積灰或積雪會造成發(fā)電量的損失，長期運行后，固定式支架落灰積雪量往往比跟蹤式支架大(支架旋轉(zhuǎn)可以減少積灰積雪)，只能依賴于人工清洗。

相對于固定式光伏電站，跟蹤式光伏電站有著不可替代的優(yōu)勢：

1)由于跟蹤方式下的太陽能電池面板始終與太陽光線形成最佳入射角，因此該模式下的光伏發(fā)電曲線更為穩(wěn)定平和[2]，更適應(yīng)電網(wǎng)的入網(wǎng)要求，對電網(wǎng)的沖擊影響小于固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率更高。

2)跟蹤支架太陽能電池組件不易積灰積雪，減少人工清洗量，發(fā)電量更高，維護更容易。

3)跟蹤支架減少了荒灘地的蒸發(fā)量，同時使牧草獲得充分的光照和適量的遮擋，有效地改良了土地植被，同時支架底部空間充裕，為牧羊提供了天然的優(yōu)勢基地，同時獲得良好的光- 農(nóng)互補的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實的長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在“雙碳”目標戰(zhàn)略中具有重要地位。

中國恩菲自主研發(fā)的應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能追日跟蹤控制系統(tǒng)無論跟蹤性能、可靠性、穩(wěn)定性方面都頗具優(yōu)勢：一是控制程序采用時序間隔控制方式，可以控制追日跟蹤誤差小于3%；二是由于跟蹤控制方式并不依賴于外部傳感器，因此控制系統(tǒng)幾乎不受外界條件擾動，跟蹤性能可靠；三是跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行更穩(wěn)定；四是無需頻繁啟動跟蹤電機，從根本上延長電機的使用壽命；五是整體控制邏輯合理，減少了大量電機啟停對電網(wǎng)的沖擊。

該系統(tǒng)在寧夏大型跟蹤光伏電站的成功應(yīng)用以及近10年的穩(wěn)定運行經(jīng)驗表明，智能化追日跟蹤控制系統(tǒng)構(gòu)建方便可靠，真正實現(xiàn)了低碳效應(yīng)，顯著提高了生產(chǎn)可靠性和新能源發(fā)電企業(yè)綜合自動化水平，獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。