基于薄弱部件建模的光伏追日系統(tǒng)優(yōu)化調度

陳 進，汪 源，景 翔

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.無錫優(yōu)電科技有限公司，江蘇 無錫 214000)

?

基于薄弱部件建模的光伏追日系統(tǒng)優(yōu)化調度

陳 進1，汪 源1，景 翔2

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.無錫優(yōu)電科技有限公司，江蘇 無錫 214000)

針對聚光光伏電站接觸器經(jīng)常替換影響發(fā)電效益的問題，采用了建立接觸器替換經(jīng)濟性模型的方法，對裝置的追日效率和接觸器使用頻度分析，設計出新的調度方案。通過對聚光電池模組的入射角和短路電流進行分析，建立接觸器經(jīng)濟性模型；設計出均分成不同檔數(shù)的程序；并對所分成的檔數(shù)進行驗證。試驗結果表明，光照較強的情況下，適宜采用3檔的分檔方式，經(jīng)濟效益最優(yōu)，當光照較弱時，均分5檔經(jīng)濟效益最優(yōu)。

接觸器；優(yōu)化調度；太陽輻射度；數(shù)值模擬；經(jīng)濟性

隨著太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池的光電轉換效率的不斷提升，高轉換效率聚光型電池模塊(ConcentratorPhotovoltaic，CPV)吸引著越來越多的研發(fā)和應用興趣[1-2]。對于光伏組件而言，影響其發(fā)電量的主要因素有太陽光直射輻射量(DNI)、溫度、風速、濕度[1-2]。對于聚光組件而言，在一天內(nèi)影響光伏出力的主要因素為DNI。文獻[3～4]表明溫度對聚光電池的光伏出力影響遠小于單晶硅，且隨著聚光比的增大溫度對光伏出力影響逐步減小。文獻[5～6]對歷史數(shù)據(jù)進行了分析，映射出天氣類型指數(shù)，通過實驗驗證聚類分析能提高預測的精度。文獻[7]建立了新的節(jié)能調度模型，對比分析了新舊模型的節(jié)能調度狀況。

本文在上述研究的基礎上，以入射角和短路電流之間的關系為切入點，進行數(shù)據(jù)擬合，得出數(shù)學模型；然后進行調度指數(shù)分析，得出：(1)選取不同的控制時間間隔和相對發(fā)電量系數(shù)的關系；(2)在某一個控制時間間隔內(nèi)，每個采樣時間段內(nèi)的相對發(fā)電量系數(shù)。以所得的調度指數(shù)為研究的基礎，考慮到接觸器的使用壽命為關鍵要素，建立接觸器經(jīng)濟性的模型；以某一天DNI變化規(guī)律為依據(jù)，對不同的分檔方式中的接觸器使用頻度、DNI接收效率進行分析，最終得出符合本裝置的最佳調度方式。

1 數(shù)據(jù)分析與經(jīng)濟性建模

1.1 光伏出力的影響因素

在恒壓的狀態(tài)下，聚光光伏的實時輸出功率為P(t)=UOC·ISC·FF，其中UOC為開路電壓；ISC為短路電路;FF表示聚光電池的占空比[8]。

鑒于本文研究的是在一個工作日內(nèi)，通過對比不同的調度方式對DNI接收量和總發(fā)電量的影響；以及該調度方式對接觸器替換經(jīng)濟性的影響。其中影響模組調度方式的主要因素為： (1)太陽光線的相對入射角度；(2)太陽光直射輻射強度的變化規(guī)律[9]。

圖1 聚光光伏追日裝置

1.1.1 入射角度對短路電流的影響

因本裝置是聚光模組，入射角度的微小變化對聚光點的位置變化影響較大，從而影響整體發(fā)電功率的變化[1]。觀測對象為Data-Polished模組，時間2011年9月11日，在12:48模組停止轉動，此時太陽仍圍繞著聚光模組的軸線相對轉動，圖2(a)記錄了太陽相對軸線轉動角度和短路電流之間的關系。

圖2 短路電流隨相關因素變化關系圖

由圖2(a)可見短路電流的峰值出現(xiàn)在3.15 A，圖形的左右兩邊關于0°對稱，這是因砷化鎵電池擺放的位置關于透鏡軸線對稱，所以在下面的處理中可對該裝置的接受半角進行分析；同時由于DNI存在一定的偏差，需要對其進行標準化處理[1]

(1)

(2)

據(jù)此得到一個標準太陽下的短路電流相對系數(shù)的大小(其表征的是在一個標準太陽下相對最大電流的值),并對其進行處理，得到散點圖2(b)，該圖表征的是在1 000 W/m2狀態(tài)下的相對電流變化規(guī)律。

1.1.2 DNI對輸出功率的影響

隨著輻照度的增加，單位面積上的光電流強度亦增強，短路電流將呈線性增加，最大功率和輸出功率將不斷增加。在溫度不變時，光輻射強度和輸出功率呈線性關系[4]。

1.2 優(yōu)化調度分析

1.2.1 曲線的擬合

由圖2(b)可見，在區(qū)間[0°,0.25°]上短路電流的相對系數(shù)維持在0.99～1之間，當相對太陽時角>0.25°時相對系數(shù)的變化較大，當相對太陽時角在0.83°時相對系數(shù)為90%，相對太陽時角為1.27°時，相對系數(shù)僅為80%，可見相對太陽時角對光伏出力影響較大。在[0°,1.25°]范圍內(nèi)的分段函數(shù)表達式為[10]

(3)

1.2.2 調度指數(shù)分析

(4)

相同時間間隔τ下，相對發(fā)電量系數(shù)為

(5)

由此可得不同時間間隔下的相對發(fā)電量系數(shù)。

表1 不同的時間間隔下的相對發(fā)電量系數(shù)

表1結合式(4)可得出，在一定時間T內(nèi)，選取不同的控制時間間隔τ對的發(fā)電量的影響較大，且τ值越小，其相對發(fā)電量系數(shù)越高。

將時間間隔τ等分成m個長度相同采樣時間段，則每個采樣時間段內(nèi)的相對發(fā)電量系數(shù)均不相同，第i個采樣時間段內(nèi)的相對發(fā)電量系數(shù)可表示為

(6)

為方便統(tǒng)計，選擇采樣時間段為1 min，可以得到表2。

表2 采樣時間段為1min下不同時間區(qū)間的相對發(fā)電效率

1.3 接觸器替換經(jīng)濟性建模

由圖2(c)可知，當接收半角0.25°以內(nèi)效率最高，可達到100%，但由于接觸器的電壽命限制，不宜使接觸器更換地過于頻繁[12]，從經(jīng)濟角度[13]考慮這一問題。

若裝置每2 min跟蹤一次，則當天的追蹤效率應為100%，共跟蹤了N次。若通過某分檔算例進行調度，追蹤效率達到η，全過程共計跟蹤了f次。此時因為跟蹤而減少的發(fā)電收益(每度電1元)為

C(η)=H·S·η1·η2(1-η)

(7)

式中，H為水平面太陽總輻射量月均日輻射量；S為單個機架所控制的聚光器的表面積；η1為光電轉換效率；η2為光伏系統(tǒng)總效率。

單日單個機架少用的接觸器而節(jié)省的費用為

(8)

式中，N為接觸器的電壽命；M為接觸器的單價；D為每機架接觸器數(shù)；f0為實時追蹤狀態(tài)下全天跟蹤次數(shù)。

記G(f,η)=R(f)-C(η)，G表示單日單機架經(jīng)過調度后節(jié)省的費用和因跟蹤減少而損失電價之間的差值，若G≥0表示該調度策略能產(chǎn)生盈利。

2 實驗數(shù)據(jù)及算例分析

2.1 氣象站測量結果

考慮到不同天氣狀況下的光直射輻射量不同，故3月、6月、9月、12月各選一天，其中12月為多云狀態(tài)進行DNI測量，所得結果如圖3所示。

圖3 光直射輻射強度變化圖

2.2 平均分檔算例分析

圖4 分檔數(shù)與相對效率、頻度之間的關系

由圖4可知平均調度的檔數(shù)為3檔時，其相對光直射輻射接收量以及調節(jié)次數(shù)最為接近實時追蹤調控的情況，以下就接觸器的經(jīng)濟性進行分析。

2.3 模型計算結果

表3 單日單機架接觸器經(jīng)濟效益 /元

圖5 接觸器經(jīng)濟效益對比圖

由圖5可知，當天氣狀況較好時，平均分檔的檔數(shù)以分成3檔為宜，其發(fā)電量和經(jīng)濟效益均高于分成5檔的情況，其經(jīng)濟效益均高于實時追日的狀態(tài)。當光輻射強度較弱時，采用實時追日時的效果最差，雖然其總體接收的光直射輻射量最大，但由于單日光照不強，調節(jié)次數(shù)又多，使得因接觸器頻繁調節(jié)損耗的經(jīng)濟效益大于整體經(jīng)濟效益；均分成5檔的調度方式能根據(jù)天氣狀況判斷出所應使用的最佳調度方式，且其精度高于3檔調度，故分成5檔為宜。

3 結束語

本文針對提高聚光光伏追日裝置的高精度追蹤以及減少接觸器使用頻度設計出了一種新的調度方式。從入射角和短路電流進行分析，得出相對發(fā)電量和控制時間間隔的關系；結合接觸器的使用壽命及聚光模組的實際情況進行經(jīng)濟性建模，以所得的相對發(fā)電量系數(shù)為基礎，設計出均分成不同檔數(shù)的程序，其相對發(fā)電量系數(shù)隨光強而自動調節(jié)。對所分成的檔數(shù)進行驗證，結果表明，光線較強的情況下，適宜采用3檔的分檔方式，當光線較弱時，不適宜采用實時追蹤方式，均分5檔能有效地進行追蹤。

[1] Luque A L,Hegedus S.Handbook of photovoltaic science and engineering[M].NY,USA:John Wiley and Sons, Publication,2011.

[2] Luque A L, Viacheslav A. Concentrator photovoltaics[M].Berlin:Springer-Verlag,2007.

[3] 王子龍,張華,李燁.高倍聚光下三結砷化鎵電池溫度特性的實驗研究[J].太陽能學報,2013,34(4):664-669.

[4] 王子龍,張華,劉業(yè)風,等.三結砷化鎵光伏電池電學特性的理論和實驗分析[J].中國電機工程學報,2013,33(27):168-174.

[5] 袁曉玲,施俊華,徐杰彥.計及天氣類型指數(shù)的光伏發(fā)電短期出力預測[J].中國電機工程學報,2013,33(34):57-64.

[6] 代倩,段善旭,蔡濤,等.基于天氣類型聚類識別的光伏系統(tǒng)短期無輻照度發(fā)電預測模型研究[J].中國電機工程學報,2011,31(34):28-35.

[7] 龍虹毓,何國軍,徐瑞林,等.計及分布式電源熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)協(xié)調優(yōu)化調度與能效分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(14):38-42.

[8] 蘇建徽,余世杰,趙為,等.硅太陽電池工程用數(shù)學模型[J].太陽能學報,2001,22(4):409-412.

[9] 林媛.太陽輻射強度模型的建立及驗證[J].安徽建筑工業(yè)學院學報:自然科學版,2007,15(5):44-46.

[10] 杜柯,段善旭,劉飛.基于Matlab的一種光伏陣列模擬器的研究[J].通信電源技術,2006,23(3):8-10.

[11] 西門子公司.西門子3RT1接觸器[EB/OL].(2011-11-28)[2015-12-24]http://wenku.baidu.com/view/82a8b40690c69ec3d5bb751d.html.

[12] 李巍巍,李艷慧.接觸器的選型與安裝[J].硅谷,2010(14):171-172.

[13] 王正明,路正南.風電項目投資及其運行的經(jīng)濟性分析[J].可再生能源,2008,26(6):21-24.

[14] 高陽,張碧玲,毛京麗,等.基于機器學習的自適應光伏超短期出力預測模型[J].電網(wǎng)技術,2015,39(2):307-311.

[15] 龍建武,申鉉京,陳海鵬.自適應最小誤差閾值分割算法[J].自動化學報,2012,38(7):1134-1144.

Optimal Dispatch Containing CPV Sun Tracking System Based on The Weak Parts Economic Model

CHEN Jin1，WANG Yuan1, JING Xiang2

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Wuxi Youdian Science and Technology Ltd, Wuxi 214000, China)

The study is based on CPV tracking control system, making models of electric energy production and economical efficiency of replacing contactor by experiments and numerical simulation. Thus, we can analyze the dispatching mode. The results prove that: if you divisive the whole data equally, the more you divisive the higher efficiency you will get. Meanwhile, we analyze the case that divisive unequally, and design a program to get the division threshold. Finally, we get the most optimal scheduling mode, which can improve the precision of sun tracking device, and reduce the changing frequency for contactors.

concentrating photovoltaic; optimal operation; solar radiation; numerical simulation; economical efficiency

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.051

2016- 02- 17

陳 進(1959-)，女，博士，教授。研究方向：智能化農(nóng)業(yè)裝備和機器系統(tǒng)監(jiān)測與控制。

TM572；O242.1

A

1007-7820(2016)12-186-05