一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统

摘要

本发明涉及一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统，属于太阳能技术领域。该系统包括多个光伏组件，多个光伏组件包括多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点，多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点组成一个分布式网络；领导节点通过视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合的方法实现对太阳的跟踪；跟踪节点通过分布式协调跟踪算法获取太阳的位置信息，进而实现对太阳的跟踪。本发明所提供的一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统，采用双轴跟踪方式，实现对太阳的全天候跟踪，提高了发电效率、降低了复杂度、提高了系统的使用寿命和系统的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，涉及一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统。

背景技术

太阳能是一种取之不尽用之不竭、无污染的新型能源，但太阳能同时又有其局限性，比如空间分布不断变化、间歇性、低密度等，因此对其收集和利用提出了很高的要求。为了提高对太阳能的利用率，主要从两方面入手：一是提高太阳能接收装置的能量转换率；二是提高对太阳能的接收率。

由于太阳每时每刻都在运动着，要提高接收装置对太阳能的接收率，必须使接收装置自动跟踪太阳的运动轨迹。在跟踪方式方面，主要有两种方式，即视日运动轨迹跟踪和光电跟踪方式；而在跟踪装置方面，又主要有单轴跟踪和双轴跟踪。

目前有许多跟踪方案已申请了专利，这些专利或是改善了光传感器的装置，使得对于追光更加容易；或是改善了机械传动机构，使得机械结构更稳定，提高了系统的可靠性；或是采用了不同的跟踪方式，使得对于太阳的跟踪更为准确，更为方便。

但这些技术方案都只是针对一组光伏组件而言的，若实际光伏发电系统中的大量光伏组件跟踪问题时，只是将此技术进行移植，所有的光伏组件采用的是同样的跟踪方案。但这明显有一个不足，即每个光伏组件采用的传感方式、控制方式、跟踪方式都是相同的，这就造成了系统整体的复杂程度与成本的增加，同时也导致后期的维护费用也相应的增加，从而降低了系统整体的可靠性和稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统，该系统包括多个光伏组件，多个光伏组件包括多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点，多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点组成一个分布式网络；

所述多智能体的领导节点包括光伏组件、光强检测模块、光照方向检测模块、控制器、驱动器接口、通信模块、高度角电机和方位角电机；所述光伏组件用于接收太阳能；光强检测模块和光照方向检测模块安装在光伏组件平面上，用于采集光强和光照方向，将采集的信号经信号处理电路传输至控制器；所述控制器分析处理数据并发送控制信号至驱动器接口，并经通信模块将太阳的位置信息传输至跟踪节点；所述驱动器接口接收信号并控制高度角电机和方位角电机，调整位置，多智能体的领导节点通过光电跟踪方式实现对太阳的跟踪；

所述多智能体的跟踪节点包括光伏组件、控制器、驱动器接口、通信模块、高度角电机和方位角电机；所述通信模块用于接收多智能体的领导节点传输的太阳位置信息和其他邻居跟踪节点的信息，并将相关位置信息传输至邻居跟踪节点；所述控制器通过自身的状态信息和邻居节点的信息经分布式协调跟踪算法计算相应的太阳位置信息并发送控制信号至驱动器接口，所述驱动器接口接收信号并控制高度角电机和方位角电机，调整位置，进而实现对太阳的跟踪。

进一步，所述多智能体的领导节点还包括GPS定位模块和时间模块，多智能体的领导节点通过视日运动轨迹跟踪方式实现对太阳的跟踪；

所述视日运动轨迹跟踪方式通过GPS模块获取本地的经纬度信息，时间模块获取当时当地的时间，通过计算获取当时当地的太阳高度角和方位角信息，再与光伏组件已经转过的角度信息进行比较，获取角度差信息，通过系统预设的程序驱动光伏组件到与太阳光线垂直的位置，实现对太阳的跟踪。

进一步，所述光强检测模块设有两个下限阈值I1和I2(I1<I2)；当光强小于I1时，系统停止跟踪；当光强大于I1小于I2时，使用视日运动轨迹跟踪方式；当光强大于I2时，使用光电跟踪方式；多智能体的领导节点通过视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合的方式实现对太阳的跟踪。

进一步，所述多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点设置有开始位置开关和结束位置开关，当跟踪装置触碰到结束位置开关时，使跟踪装置回到起始开关位置处。

进一步，所述多智能体的领导节点为一个或者多个。

进一步，所述多智能体的领导节点采用双轴跟踪方式，实现对太阳的跟踪。

进一步，所述多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点的通信模块为无线通信模块。

进一步，所述多智能体的领导节点与多智能体的跟踪节点之间的通信方式为单向无线通信；所述多智能体的跟踪节点与多智能体的跟踪节点之间的通信方式为双向无线通信。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统，采用双轴跟踪方式，实现对太阳的全天候跟踪，与固定式的装置相比，发电效率提高了30％左右；采用基于多智能体模型的分布式跟踪控制策略，使系统结构简化，复杂度降低，提高了系统的使用寿命，以及降低后期的维护困难；采用设置位置开关、设置光强的下限阈值，提高了系统的稳定性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为光伏组件群跟踪示意图；

图2为光伏组件群网络拓扑图；

图3为领导节点的硬件模块；

图4为跟踪节点的硬件模块；

图5为领导节点的硬件设计；

图6为跟踪节点硬件设计；

图7为领导节点软件设计主流程图；

图8为跟踪节点的软件设计主流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统采用视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合的方法来实现对太阳光线的跟踪。在光伏组件的表面上安装光强检测传感器，当光强达到预设值时，跟踪系统进入光电跟踪方式，当光强低于预设值时进入系统预设的程序跟踪方式。

光电跟踪方式：在光伏组件的表面安装四象限光敏电阻，利用四象限光敏电阻作为传感器，将光伏组件与太阳光的位置信号转化为电信号，再将电信号进行处理后送入控制器，通过控制器的输出端送入驱动芯片，进而驱动电机的转动，实现对太阳的跟踪。

视日运动轨迹跟踪方式：多智能体的领导节点还包括GPS定位模块和时间模块，由GPS模块获取本地的经纬度信息，由时间模块获取当时当地的时间，再通过计算获取当时当地的太阳高度角和方位角信息，再与光伏组件已经转过的角度信息进行比较，获取角度差信息，通过系统预设的程序驱动光伏组件到与太阳光线垂直的位置。

将上述跟踪系统应用于大规模光伏板群中，若每个光伏组件都采用上述跟踪方案，理论上是可行的，但是这显然增加了系统的成本，而且也增加了系统的复杂度，系统复杂度的增加会导致初期投资、后期维护等费用相应的增加。

为了解决这个问题，本专利所述系统运用网络化多智能体模型，采用分布式协调控制策略，将其中1个光伏组件看成多智能体的领导节点，其余光伏组件看成是多智能体的跟踪节点。将所有的节点组成一个网络，构成有向图，图2为光伏组件群网络拓扑图，利用图论的知识，领导节点只能向下传递信息，而跟踪节点则利用邻域内节点的信息实现跟踪，将此问题转化为分布式多智能体的跟踪控制问题。传递信息的过程可以采用无线通讯模块，由于采用的是无线通讯模式，这样增加了各个智能体的灵活性。当领导节点实现了对太阳的跟踪时，其余所有跟踪节点也实现了对太阳的跟踪，即实现了实际光伏发电系统中大量光伏组件的跟踪控制问题。因此，其余光伏组件就不需要传感装置、信号处理电路，这显然降低了系统的复杂度，提高了系统的稳定性。

本发明所述的一种大规模光伏板组协调跟踪控制系统，该系统包括多个光伏组件、光强检测传感器、控制器、驱动器接口、高度角电机、方位角电机，所述多个光伏组件组成一个光伏发电群；所述光伏发电群由多智能体的领导节点和多智能体的跟踪节点构成，领导节点和跟踪节点组成一个分布式网络。

图1为本发明所述系统的光伏组件群跟踪示意图，假设该光伏组件群含有7个光伏组件，其中，2个为多智能体的领导节点，5个为多智能体的跟踪节点。为了提高系统的稳定性，避免出现单点故障导致整个系统崩溃的现象，可以适当的多设置几个领导者，具体情况根据实际需要进行设置。系统结构上可以分为两层，如图1所示，上层为实际的物理系统，下层为通讯及控制层。

如图1所示，设置智能体1和智能体2为多智能体的领导节点，其余为多智能体的跟踪节点。领导节点的太阳位置信息由光电传感器获取，跟踪节点的太阳位置信息通过结合自身的状态信息和邻居节点的信息计算(即分布式协调跟踪算法)获取。当领导节点准确获得了太阳的位置信息，通过算法实现可保证网络中所有光伏组件的状态达到一致，即跟踪节点也获得了太阳的位置信息。控制器根据获取到的位置信息或计算得出的位置信息，进行相应的处理，控制驱动机械机构的转动，实现对太阳的跟踪。

智能体间的通讯方式采用无线通讯的模式。多智能体的领导节点与多智能体的跟踪节点之间的通信方式为单向无线通信；所述多智能体的跟踪节点与多智能体的跟踪节点之间的通信方式为双向无线通信。

跟踪节点经分布式协调跟踪算法实现对太阳的跟踪涉及如下知识：

①图论知识

定义无向图G＝(V,ε,A)，这里的V为有限的非空节点的集合，是图中有向边的集合。边(v_j,v_i)∈ε代表的是节点i能获得节点j的信息。若结点i不能获得任意节点的信息，但有节点j可以接受到它的信息，则将其称为源结点。当且仅当结点i能获得结点j的信息，则称结点j是结点i的邻居。A为权重矩阵，a_ij是描述边(i,j)的权重，当(v_j,v_i)∈ε时，a_ij>0，否则，a_ij＝0。节点i的入度和出度分别定义为和为入度矩阵，L＝D-A为拉普拉斯矩阵。

②一致性算法

一致性是指随着时间的变化，多个体通过信息的共享与交换使所有个体的状态信息趋于一致，其控制目标可以表示为

$>\underset{t\to \infty }{\lim }(x_j-x_i)=0,\forall i\ne j.$>

考虑一阶线性系统模型，其动力学模型为

$>{\stackrel{·}{x}}_i=u_i,i=\mathrm{1,2},...,n$>

设计可以用以下数学方法描述的控制律：

$>{\stackrel{·}{x}}_i\left(t\right)=-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\{a_{\mathrm{ij}}\left(t\right)(x_i\left(t\right)-x_j\left(t\right))+g_i\left(t\right)(x_i\left(t\right)-x_{\mathrm{ref}}\left(t\right))\}$>

这里的j表示第i个个体的相邻个体，a_ij(t)代表的是在t时刻第i个自主体传递信息给第j个自主体的权重，控制律使得每个个体不断趋近于相邻个体的运动状态。g_i(t)表示t时刻领导者传递信息给第i个自主体的权重，x_ref(t)表示t时刻领导者的状态信息。另外，由上式可以看出，该分布式控制律是针对第i个个体设计的，它没有用到非相邻个体的任何状态信息，而仅使用其相邻个体与其自身的状态差，所以，这一规则就称为“近邻规则”。而且它只用到了自身的信息和邻居节点的信息，即在结构上实现了分布式控制，这对于系统是很有利的。

理论上可以证明，将此算法应用到控制器中，可以对系统中所有节点的状态实现一致性控制。

为了进一步提高系统的稳定性，对多智能体的节点设置了两个位置开关，一个为开始位置开关，一个为结束位置开关，当跟踪装置触碰到结束位置开关，使跟踪装置回到起始开关位置处。而且，对光强检测模块设置两个下限阈值I1和I2(I1<I2)，当光强小于I1时，即光照强度太弱，使系统停止跟踪，当光强大于I1小于I2时，使用视日运动轨迹跟踪方式，当光强大于I2时，使用光电跟踪方式。

图3为多智能体的领导节点的硬件模块，多智能体的领导节点包括光伏组件、光强检测模块、光照方向检测模块、控制器、驱动器接口、通信模块、高度角电机和方位角电机；所述光伏组件用于接收太阳能；光强检测模块和光照方向检测模块安装在光伏组件表面上，用于采集光强和光照方向，将采集的信号经信号处理电路传输至控制器；所述控制器分析处理数据并发送控制信号至驱动器接口，并经通信模块将太阳的位置信息传输至跟踪节点；所述驱动器接口接收信号并控制高度角电机和方位角电机，调整位置，多智能体的领导节点通过视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合的方式实现对太阳的跟踪；领导节点的硬件设计如图5所示。多智能体的领导节点采用双轴跟踪方式，实现对太阳的跟踪。领导节点软件设计主流程如图7所示，多智能体的领导节点首先判断天气状况，分为多云、晴朗和阴雨三种情况，然后针对不同天气状况调用不同的子程序，若为多云情况，则采用视日运动轨迹跟踪方式，以提高系统的稳定性；若为晴朗天气，则采用光电跟踪方式；若为阴雨天气，跟踪不跟踪接收效率差别不大，为了节约能源，则让系统静止，直到天气状况变好为止。

图4为多智能体的跟踪节点的硬件模块，多智能体的跟踪节点包括光伏组件、控制器、驱动器接口、通信模块、高度角电机和方位角电机；跟踪节点控制器的前端没有光电传感器模块和信号处理模块，通信模块用于接收多智能体的领导节点传输的太阳位置信息和其他邻居跟踪节点的信息，并将相关位置信息传输至邻居跟踪节点；所述控制器通过自身的状态信息和邻居节点的信息结合分布式协调跟踪算法计算相应的太阳信息并发送控制信号至驱动器接口，所述驱动器接口接收信号并控制高度角电机和方位角电机，调整位置，进而实现对太阳的跟踪；跟踪节点既可以通过无线通讯模块接收邻居节点和领导者的状态信息，也可以通过无线通讯模块将其自身状态信息发送给邻居跟踪者；跟踪节点硬件设计如图6所示。跟踪节点的软件设计主流程如图8所示，多智能体的跟踪节点首先通过无线通讯接收跟踪节点和领导节点的相关信息，进而利用分布式协调跟踪算法使网络中所有的节点状态达到一致，即实现了对领导节点的跟踪，从而实现对太阳的跟踪。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。