摘要：以我国第一座跟踪式并网光伏示范电站为例。介绍了跟踪式并网光伏电站的基本配置；在深入研究太阳自动跟踪机理的基础上，提出了适合无人值守荒漠电站自动跟踪控制策略；给出了高效支路式光伏并网逆变器的设计方案。该并网光伏电站的运行结果表明。跟踪系统可以较大幅度地提高发电效率。

中图分类号：TM615 文献标志码：B 文章编号：1671-5292(2008)03-0063-03

Abstract：With the 13．2 kWp PV generator as example，the basic configuration in d—connected generator with tracking system is introduced，based on the intensive study on the mechanism of antomatic

sun tracking，proposed the automatic tracking control scheme for operator-free desert plant，also provided the scheme of hiigh efficiency grid-connected inverter．Finally the output power of several different tracking system in a typical day is also given.

Key words：tracking system；grid-connected；photovohaic generation；generation efficiency

O 引言

影响光伏系统发电效率的因素主要有太阳辐照度、太阳能电池转化效率和光伏逆变器的工作效率等。当前．商业化电池板的效率最高为14．5％～17％，在现有技术条件下，再想提高光伏电池的转化效率已经非常困难；光伏逆变器的工作效率已经达到90％以上，很难再有大的提高。太阳能跟踪系统能使光伏电池阵列始终保持最佳的角度来接收太阳幅射。从而提高光电转化效率。德国已建成的世界最大的12 MW光伏电站采用双轴跟踪方式；美国、日本、西班牙也建成了数座不同跟踪形式的发电系统。2006年，中国科学院电工所在西藏羊八井建成了国内第一个采用多种跟踪方式的光伏发电系统。本文将介绍该系统的具体配置与实现方案。并给出了各种不同跟踪形式的发电量及其与固定式安装系统的比较结果。

1 电站配置

西藏羊八井电站由4套不同安装形式的系统组成：一套采用双轴跟踪：一套采用水平单轴跟踪；一套采用斜单轴跟踪；一套采用固定运行。每套光伏阵列均由20块165 W太阳能电池组件组成，每10块太阳能电池组件串联组成一条太阳能

支路。2条太阳能电池支路并联构成一个完整的光伏阵列。每个光伏阵列的容量各为3.3 kW，电站总安装容量为13.2 kW。

跟踪式并网光伏发电系统主要由跟踪控制器、光伏阵列、并网逆变器、气象数据测试仪及监控系统组成(图1)。跟踪控制器用来控制光伏阵列跟踪太阳.保持光伏电池阵列表面始终与太阳入射光线垂直。以提高光伏电池板的转化效率。逆变器将光伏阵列的直流输出变换成与电网电压同步的正弦交流电。并通过工频隔离变压器输送到交流电网。气象数据测试仪用来采集太阳辐照度、风速、风向、环境温度等相关气象参数和光伏电池阵列温度。监控系统包括本地PC监控系统与远程监控系统。通过RS232／RS485通讯总线将跟踪控制器、逆变器的相关参数和气象数据送到本地PC监控系统中，通过无线通讯或Ethernet可将这些信息与数据送到远程监控系统中。另外，还可以通过本地监控系统对跟踪控制系统中的时间与位置参数进行修改。

2 太阳自动跟踪控制策略

系统跟踪的实现方法有被动式与主动式。被动式跟踪方法是根据太阳辐射角度检测机构，来判定跟踪系统是否已经跟踪上太阳的运动：主动式跟踪方法是根据天文规律获得对太阳光伏阵列的控制指令，以确定光伏阵列的朝向。前者控

制精度高，但对传感器依赖大，易受外界影响；后者不需要传感器。可实现数字化智能控制，简单可靠。光伏电站大都安装在偏远的荒漠地区。跟踪系统的可靠性是其能否被广泛推广的首要条件之一。鉴于小于5°的误差对非聚光式普通光伏发电的效率影响很小。本文采用主动式跟踪方法，其基本原理框图如图2。

太阳在太空中的位置时刻都在变化。但其运行却具有严格的规律性，在地平坐标系中，太阳的位置可由高度角α与方位角Φ出来确定。

本地的纬度角是由地理位置确定的。太阳赤纬角与时角可以由本地时间确定。因此只要输入当地相关地理位置与时间信息，就可以确定此时此刻的太阳位置。系统时刻检测光伏阵列的转动位置。输人到控制单元。控制单元将其与由天文规律得出的先验值进行比较。产生相应的输出信号来驱动旋转机构，使光线时刻垂直入射到光伏阵列表面上。保护单元的作用是防止系统出现故障时可能造成的损坏。显示通讯单元使整个跟踪系统具有友好的人机操作界面。

根据以上所提出的控制策略。本文设计的太阳自动跟踪器的功能主要有自动跟踪、自动复位、自动保护、校验、手动控制、数据采集、实时显示、通讯、远程监控、环境监控等功能；保护功能有抗风、抗震、双重限位、自动复位。系统采用步进式跟踪方式，跟踪误差设定在±2°以内。在系统跟踪间隙切断步进电机的电源。从而大大降低了控制系统的功耗，双轴跟踪系统平均功耗小于3 W，单轴跟踪系统平均功耗小于2 W。

3 并网逆变控制方案

光伏阵列输出的直流电通过并网逆变器接入交流电网。逆变器采用了最大功率跟踪控制算法，保证光伏阵列始终工作在最大功率点。另外，逆变器还采用了前馈控制与PI调节相结合的控制方案(图3)。

并网逆变是一个有源逆变过程．电网交流电压是系统的干扰源。逆变器采集电网电压作为前馈通道，经过模型预测后与经过PI调节器的电流误差信号相加。得到的值再与三角波进行比较，输出SPWM脉冲。采用此种控制策略。电流跟踪误差小，抗噪音能力强，提升了电流跟踪性能。

4 运行结果分析

电站安装地点位于北纬30.1°，东经90.5°，海拔高度为4230m。系统光伏电池为单晶硅电池组件。采用AMl.5光谱分析，在辐照强度为1 kW／m2。电池温度为25°的测试条件下，测得单个组件额定峰值功率为165 W，峰值电压为35 V，峰值电流为4.71 A，开路电压为43.5 V，短路电流为5.23 A。固定式阵列的倾角为朝南30.1°。方位角为偏东18°；双轴跟踪系统实现对太阳高度角与方位角2个方向跟踪，方位角转动范围为16—164°。高度角转动范围为35～90°；水平单轴跟踪系统的转动轴线为南北方向，与地面平行，电池板从东往西转动对太阳时角进行跟踪；斜单轴跟踪系统与水平单轴类似。只是转动轴线与水平面的夹角为30°。两种单轴跟踪系统的跟踪角度均为34—156°。

图4是4种发电系统于2007年1月1日全天发电功率输出曲线。

由图可见。无论是单轴跟踪还是双轴跟踪。在10：30—17：00，输出功率曲线接近直线，波动小：无跟踪固定式系统的全天功率输出曲线为一抛物线，在中午功率最大，接近2500 W。双轴跟踪系统的输出功率全天均大于单轴与固定式发电装置，大部分时间内输出功率为3000W左右。水平单轴跟踪由于没有安装倾角，相当于高度角固定为90°，当地的高度角变化范围一般在0—42°，与固定式的30°相差不大，因此，固定式发电装置在中午的发电量反而高于水平跟踪装置，但是在早晨与傍晚，水平单轴跟踪装置却远大于固定式发电装置。

测试当日，固定式装置以及水平单轴、斜单轴和双轴跟踪装置的发电量分别为14.8，15.5，19.8，22.5 kWh，双轴、斜单轴和水平单轴跟踪装置的发电量分别比固定式装置提高47.3％。33.8％，4.7％。在夏季的中午，太阳高度角大。水平单轴跟踪发电装置的发电量会比冬季高得多。

5 结论

现场运行情况表明，本文所设计的跟踪式并网光伏电站的控制方案运行可靠。光伏发电装置能够很好地跟踪太阳。电站的运行结果显示。在同等条件下的冬季某典型日内。跟踪式光伏发电，尤其是双轴跟踪系统，比固定式发电系统的发电效率提高47.3％，而整个控制系统的耗电量小于系统峰值容量的3‰。在现有技术条件下。采用跟踪技术是提高光伏发电效率的有效途径。该电站的建设经验对于我国今后建设大规模无人值守荒漠电站具有一定的指导意义。