一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法，包括步骤：1)获取历史气象数据，并对数据进行筛选；2)结合历史清晰度、历史总云量数据，对相关天气进行分类；3)建立辐射预测模型，对历史气象数据进行相应训练，输入至预测下一个小时的水平面总辐射，并进行下一小时天气类型分类；4)采用天文算法计算当前时刻与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置；5)结合下一小时天气类型及下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置，选用不同的跟踪控制方式进行光伏发电系统控制。与现有技术相比，本发明专利技术具有明显降低跟踪系统能耗及提高实际光伏发电效益等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法
本专利技术涉及太阳辐射观测、建模及光伏资源开发利用领域，尤其是涉及一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法。
技术介绍
随着能源安全、生态环境、气候变化等问题日益突出，加快发展新能源已经成为国际社会推动能源转型发展、应对全球气候变化的普遍共识和一致行动。虽然我国光伏累计装机容量连续三年世界第一，但是从我国能源结构及消耗体量来看，无论装机规模占比、发电量占比，还是年利用小时数来看，光伏发电的市场及优化还有巨大提升空间和潜力。光伏发电系统中光伏组件的安装，除固定式，还有可以跟踪太阳位置的安装方式，以获得更多的入射辐射能量，提高光伏发电系统的效率和发电量。这些安装方式根据运动维度的分类，可以分为一维(环绕单轴转动)和二维(环绕双轴转动)两类。在这两大类运动方式的基础上，实际太阳追踪系统可以细分为多种。目前国内外研究人员已经对光伏发电系统中的辐射接收问题及光伏跟踪系统的运行性能进行了详细的讨论。现有技术设计了不同的太阳跟踪系统，包括固定式系统、南北轴单跟踪式跟踪系统、垂直轴单跟踪式跟踪系统、双跟踪式跟踪系统这四种不同的太阳追踪系统，计算比较了不同跟踪系统下斜面的太阳辐射接收能力；通过建立数学模型对跟踪系统的性能进行预测与分析，针对固定式、单跟踪式、双跟踪式发电系统的性能进行研究。双跟踪光伏发电系统一般以两个维度跟踪太阳轨迹，具有较高的辐射能量接收效益。双跟踪光伏发电系统增加的辐射成分主要为到达斜面的直接辐射成分。但是在不同气象条件下，到达地表太阳辐射的直接辐射分量丰富程度不同，有的是直接辐射主导，有的是散射辐射主导，因此不必一直实时以两个维度跟踪太阳轨迹，但可以获得相近的辐射收益，同时降低系统运行能耗。到达地表的太阳辐射强度及成分受气象因子影响显著，云层状况、空气中气溶胶成分都会对其造成相关影响。不同类型的天气，对太阳辐射的影响程度不同。将天气类型分类处理，有利于简化应对不同情况的控制方法。天气状态可由多种方式进行描述。国家标准GB/T22164-2008将天气状态分为33种不同的类型。不同天气类型下，地外太阳辐射透过大气层到达地面的变化也不相同。因此，考虑不同天气类型下的辐射收益情况很有必要。但是实际研究中如果按上述国家标准进行天气分类，会使得分析的复杂性大大增加。此外，由于一些极端天气现象数据的缺失，数据分析的可行性与可信度大大降低，因此需要对天气类型重新进行有效而简单的识别和划分。气象站测量得到的是水平面上的太阳辐射，水平面上太阳辐射成分可分解为直接辐射和散射辐射两部分。而在实际中，光伏阵列一般为倾斜放置，以获得更多的辐射，因此需要将水平面辐射转换为斜面上太阳辐射。倾斜面上的太阳辐射可由太阳直接辐射、散射辐射、反射辐射三部分组成。然而，由于不同地区存在地理环境差异，各地太阳辐射状况各不相同，不同天气下太阳辐射中直接辐射成分丰富程度不同，使得光伏发电系统性能表现会有明显差异，哪些场景适用双轴跟踪方式，哪些场景适用单轴跟踪方式，哪些场景适用固定式，往往缺乏明晰的结论。另外，某种跟踪方式下，在不同天气状态下采用不同的跟踪策略，有利于在获得最大辐射能量的同时，节约运行耗能。因此，如何针对不同情景下的多种跟踪式辐射收益的定量分析与比较，可为当地的光伏电站规划及优化设计(是否采用跟踪式)提供指导依据。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法，该方法包括以下步骤：S1：获取历史气象数据，包括总云量、能见度、降水气温等，并对数据进行筛选。S2：结合历史清晰度、历史总云量数据，对相关天气进行分类。首先，根据历史清晰度、历史总云量数据计算清晰度指数，为降低太阳高度角对清晰度指数的影响，对清晰度指数进行修正，根据修正的清晰度指数对相关天气进行初级分类；修正后的清晰度指数K′T的表达式为：式中，KT为修正前的清晰度指数，m是大气质量。1)将k'T≥0.5的天气范围划分为天气类型1；2)将0.5≥k'T≥0.2的天气范围划分为天气类型2；3)将0.2≥k'T≥0.1的天气范围划分为天气类型3；4)将0.1≥k'T≥0的天气范围划分为天气类型4。其次，采用K-means聚类算法将初级分类后的天气类型1划分为天气类型I、II、III三类：1)将聚类类别数设置为三，以云量为0、50％、100％作为起始聚集中心；2)通过三次迭代获得最终的聚类中心与各类型的边缘，结合聚类结果，形成一类天气下的清晰度指数与总云量交叉下的天气类型分类；3)将天气类型2、天气类型3、天气类型4规划入天气类型III中。S3：根据数值天气预报模式建立辐射预测模型，通过对历史气象数据进行训练，预测下一个小时的水平面总辐射，通过云模式获取下一小时总云量预测数据，计算下一小时内清晰度指数，对清晰度指数进行修正，将下一小时天气类型按照天气类型I、II、III三大类进行归类。优选地，采用数值天气预报模式输出订正、机器学习方法或神经网络方法，建立短期或超短期的辐射预测模型。S4：根据当前日期时刻，采用天文算法计算此时与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置；S5：结合步骤S3分类的下一小时天气类型及步骤S4获取的与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置，选用不同的跟踪控制方式进行光伏组件控制。1)若预测得到下一小时内天气类型为I型，控制光伏组件采用双轴跟踪方式跟踪太阳轨迹，结合天文算法与光电传感器追踪模块，控制光伏组件跟踪太阳的高度角与方位角，跟踪步长为15分钟；2)若预测得到下一小时内天气类型为II型，控制光伏组件采用单跟踪方式跟踪太阳轨迹，通过天文算法计算下一小时末时太阳高度角，控制光伏组件倾角保持在相应位置不变，结合天文算法与光电传感器追踪模块，控制光伏组件跟踪太阳方位角，跟踪步长为15分钟；3)若预测得到下一小时内天气类型为III型，通过天文算法计算下一小时末时太阳高度角与太阳方位角，调整光伏组件维持此姿态。S6：获取当前气象要素与辐射数据，加入历史数据；S7：通过太阳高度角判断控制工作继续或停止，若太阳高度角高于10°，返回步骤S2；若太阳高度角小于10°，表示白天结束，停止控制工作，将光伏组件倾角设置为0°，将光伏组件方位角设置当地时间日出时刻太阳方位角。所述的光电传感器追踪模块包括单片机及分别与单片机连接的时钟芯片、四路光敏电阻、两路舵机以及上位机，所述的单片机内置用于进行光敏电阻参数采集的ADC电路，时钟芯片通过串行通信将时间信息发送至单片机，当四路光敏电阻不同时正对太阳时，四路光敏电阻将产生的电压差传递至单片机，单片机输出PWM波形控制两路舵机，同时，四路光敏电阻再向单片机反馈电压值，形成闭环控制，进而控制光伏组件跟踪太阳的高度角与方位角。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术对天气类型进行分类，将太阳辐射在不同天气类型下区分，并对下一小时内天气情况进行预测，判断下一小时内跟踪系统的运动方式，能够最大化增实际光伏发电效益；(2)本专利技术根据不同情况控制双轴跟踪系统的运动形态，可以减小机械损耗，增加双轴跟踪系统使用寿命；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取历史气象数据，并对历史气象数据进行筛选；2)结合历史清晰度、历史总云量数据，对相关天气进行分类；3)根据数值天气预报模式建立辐射预测模型，通过对历史气象数据进行训练，预测下一个小时的水平面总辐射，通过云模式获取下一小时总云量预测数据，计算下一小时内清晰度指数，对清晰度指数进行修正，将下一小时天气类型按照步骤2)获取的类型标准进行归类；4)根据当前日期时刻，采用天文算法计算此时与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置；5)结合步骤3)分类的下一小时天气类型及步骤4)获取的与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置，选用不同的跟踪控制方式进行光伏组件控制；6)获取当前气象要素与辐射数据，加入历史数据；7)判断太阳高度角，若太阳高度角高于10°，返回步骤2)；若太阳高度角小于10°，表示白天结束，停止光伏组件控制，将光伏组件倾角设置为0°，将光伏组件方位角设置当地时间日出时刻太阳方位角。

【技术特征摘要】
1.一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取历史气象数据，并对历史气象数据进行筛选；2)结合历史清晰度、历史总云量数据，对相关天气进行分类；3)根据数值天气预报模式建立辐射预测模型，通过对历史气象数据进行训练，预测下一个小时的水平面总辐射，通过云模式获取下一小时总云量预测数据，计算下一小时内清晰度指数，对清晰度指数进行修正，将下一小时天气类型按照步骤2)获取的类型标准进行归类；4)根据当前日期时刻，采用天文算法计算此时与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置；5)结合步骤3)分类的下一小时天气类型及步骤4)获取的与下一整点时刻太阳高度角与方位角的大致位置，选用不同的跟踪控制方式进行光伏组件控制；6)获取当前气象要素与辐射数据，加入历史数据；7)判断太阳高度角，若太阳高度角高于10°，返回步骤2)；若太阳高度角小于10°，表示白天结束，停止光伏组件控制，将光伏组件倾角设置为0°，将光伏组件方位角设置当地时间日出时刻太阳方位角。2.根据权利要求1所述的一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法，其特征在于，所述的历史气象数据包括总云量、能见度、降水气温。3.根据权利要求1所述的一种基于天气类型判别的双跟踪光伏发电系统控制方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：201)结合历史清晰度、历史总云量数据计算清晰度指数，并对清晰度指数进行修正，根据修正后的清晰度指数对相关天气进行一级分类，包括：a)当修正后清晰度指数大于或等于0.5时，将天气范围划分为天气类型1；b)当修正后清晰度指数范围为[0.2，0.5]时，将天气范围划分为天气类型2；c)当修正后清晰度指数范围为[0.1，0.2]时，将天气范围划分为天气类型3；d)当修正后清晰度指数范围为[0，0.1]时，将天气范围划分为天气类型4；202)采用K-means聚类算法将一级分类后的天气类型1划分为天气类型I、天气类型II、天气类型III三类。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芬，杨勇，杨程，王悦，赵晋斌，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31