基于BIM模擬的山地光伏布板最大功率跟蹤設(shè)計

摘 要：本文探討了基于BIM模擬光照的山地光伏布板最大功率跟蹤設(shè)計。本文介紹了光伏布板在山地環(huán)境中的重要性和應(yīng)用價值，闡述了基于BIM技術(shù)進行光照模擬和最大功率跟蹤的算法原理，在硬件優(yōu)化部分，討論了布板設(shè)計和接線方式的優(yōu)化策略，以提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。在軟件優(yōu)化方面，探討了電路控制器仿真、原始數(shù)據(jù)處理與分析的重要性。通過本文的研究得出，在山地環(huán)境中利用BIM技術(shù)能提高光伏系統(tǒng)的能源利用效率。

關(guān)鍵詞：BIM；山地環(huán)境；光伏電站；布板設(shè)計；電壓管理

中圖分類號：TM 615 " 文獻標志碼：A

利用建筑信息模型（BIM）技術(shù)可以對山地場景進行三維模擬，從而更全面、精確地考慮這些因素對光伏組件擺放間距計算、光伏支架調(diào)整以及陰影遮擋處理的影響，結(jié)合電壓控制等方面的軟件優(yōu)化為最大功率跟蹤奠定基礎(chǔ)。在這個領(lǐng)域，已有學者參與分析與討論。閆俊義等[1]通過有限元法研究灘涂光伏陣列樁基設(shè)計。劉立珍等[2]對灘涂地區(qū)光伏電站基礎(chǔ)-支架系統(tǒng)進行深入研究，探討了技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。李莉[3]探討了BIM技術(shù)在光伏建筑一體化設(shè)計中的應(yīng)用。盧強[4]就山地光伏區(qū)施工難點及應(yīng)對措施進行分析。左穎[5]從BIM技術(shù)角度探討裝配式建筑太陽能集成設(shè)計優(yōu)化。黨瑩穎等[6]基于BIM技術(shù)設(shè)計了漂浮式水上光伏電站。丁俊杰等[7]通過BIM技術(shù)實現(xiàn)光伏電站自動化布置及發(fā)電量評估，為優(yōu)化光伏布局、提高發(fā)電效率提供了有效途徑。

1 工程概述

本工程位于廣西某地，是一個農(nóng)光儲一體化發(fā)電項目，旨在響應(yīng)國家清潔能源發(fā)展政策，推廣新能源產(chǎn)業(yè)化，促進當?shù)亟?jīng)濟與環(huán)境和諧發(fā)展。一期建設(shè)規(guī)模包括交流側(cè)容量382.5MW、直流側(cè)容量488.22MWp，容配比為1.276。升壓站設(shè)計包括3臺80MVA升壓變壓器，采用220kV出線接入220kV變電站。

在光伏系統(tǒng)中，最大功率點追蹤是保證光伏電板輸出功率的有效方式，而擾動觀察法算法則是其中一種有效的追蹤算法，在實際應(yīng)用中廣泛采用，其基本原理是對當前操作點（電壓或電流）進行微小擾動，并觀察輸出功率變化方向來找到最大功率點。將相應(yīng)計算活動拆分為兩部分，通過離線模式計算信息，從而降低網(wǎng)絡(luò)交互強度和頻率。與此同時，在定期網(wǎng)絡(luò)連接中上傳本地計算資源結(jié)果，通過在線模式下的互聯(lián)網(wǎng)鏈接保證在線交互資源。這個計算資源和全局參數(shù)統(tǒng)合的過程如圖1所示。

2 模擬光照軟件優(yōu)化

可以根據(jù)時間信息即運算獲得較為準確的光伏電板入射角數(shù)據(jù)，通過計算輻照強度預測輸出功率。計算輻照強度如公式（1）所示。

B=bεsinγ "（1）

式中：B為輻照強度；b為單位面積能量，取1367W/m2；ε為校正因子，根據(jù)實際設(shè)備調(diào)整獲得；ε為太陽高度角。

太陽高度角計算過程如公式（2）所示。

sinγ=sinδsinφ+cosδcosφcos（ω-ξ） "（2）

式中：δ為太陽直射緯度；φ為設(shè)備緯度；ω為太陽高度角最高時經(jīng)度；ξ為設(shè)備經(jīng)度。

其中，設(shè)備經(jīng)緯度φ與ξ均可提前獲得，而太陽直射緯度的計算過程可以根據(jù)時間信息獲得，如公式（3）所示。

（3）

式中：d為當日日期在全年中的序號。

在實踐中，還可以獲得輻照強度和具體日輻射量的擬合公式，如公式（4）所示。

（4）

式中：Bd為d日光照輻射強度；ωs為當日日出角；T為當日小時數(shù)，即24。

通過精確計算真實的日照輻射強度，軟件可以根據(jù)當下時間點更準確地預測不同日期下光照條件對光伏系統(tǒng)性能的影響。通過動態(tài)調(diào)整操作參數(shù)并根據(jù)實時光照條件進行優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠在僅獲取時間戳的低流量信息交流環(huán)境下實現(xiàn)最大功率輸出，并提高能源轉(zhuǎn)換效率。

3 基于BIM的布板優(yōu)化

在光伏系統(tǒng)中，各種因素（例如天氣、季節(jié)、時間等）會影響光照強度和太陽高度角，從而影響光伏電板的性能。通過精確計算這些參數(shù)并結(jié)合實時環(huán)境信息，系統(tǒng)可以更準確地預測不同日期下光照條件對光伏系統(tǒng)性能的影響。這種預測是實現(xiàn)最佳功率輸出的基礎(chǔ)。在基于光照的調(diào)整基礎(chǔ)上，光伏電板自身的環(huán)境布局、避免遮擋并控制接線結(jié)構(gòu)的影響同樣重要。

3.1 光伏電板布局優(yōu)化

在光伏系統(tǒng)設(shè)計中，光伏組件的擺放間距計算是至關(guān)重要的一環(huán)。通過合理設(shè)置光伏組件的間距，可以最大限度地利用太陽能資源，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，其結(jié)果如圖2所示。

當發(fā)電量為1200kW·h時，間距調(diào)整后，發(fā)電量損失為307.2kW·h。隨著日照小時數(shù)增長，發(fā)電量逐漸增加，間距調(diào)整后的發(fā)電量損失也逐漸增加，表明發(fā)電容量較大會使設(shè)備調(diào)整優(yōu)化成果擴大，使相同間距調(diào)整措施能夠進一步提升其發(fā)電量水平，但并不呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，而在較高日照小時樹下，對發(fā)電量損失的改善幅度有所下降。要根據(jù)山地環(huán)境中的高度差與南北方向上的太陽高度變化調(diào)整立柱高度。在發(fā)電量達到2000kW·h的情況下，立柱高度調(diào)整減少了502千瓦時的發(fā)電量損失。隨著日照小時數(shù)進一步增加，立柱高度調(diào)整可以改善發(fā)電性能，這表明在光伏系統(tǒng)設(shè)計中，垂直結(jié)構(gòu)（例如立柱）的高度設(shè)置對系統(tǒng)性能有重要影響。光伏板面積調(diào)整也對發(fā)電量損失有影響，但與其他兩種調(diào)整相比，其影響相對較小。

3.2 光伏電板接線調(diào)整

考慮基于光伏電板自身接線模式調(diào)整的影響，不同接線優(yōu)化調(diào)整結(jié)果如圖3所示。

由于彼此遮擋等因素，在光伏電板中部分模塊的發(fā)電效率較低，而接線模式?jīng)Q定對其他模塊的影響，因此可以通過重接線的方式避免發(fā)電損失。其中，線性連接主要通過重新調(diào)整接線關(guān)系，使同一塊光伏電板的不同區(qū)域的線路連接形式不同，單一逆變器的鏈接進一步減少。環(huán)形連接能夠更好地改善發(fā)電量損失，受隨坡就勢條件下復雜的光線遮擋條件因素影響，在簡單的線性連接關(guān)系基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。因此，當處理并聯(lián)失配問題時，可以優(yōu)先考慮采用線性連接來規(guī)避系統(tǒng)中的不匹配問題，從而考慮更復雜的重接線方案優(yōu)化，并最大程度地減少發(fā)電量損失。

4 基于擾動觀察法的的電壓管理算法

基于優(yōu)化后的光照環(huán)境，通過動態(tài)調(diào)整操作參數(shù)，光伏系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)不同的工作條件。這種優(yōu)化方法不僅有助于提高能源轉(zhuǎn)換效率，還能避免能源浪費，并最大化利用光伏電板產(chǎn)生的清潔能源。

4.1 算法設(shè)計

對初始狀態(tài)來說，讀取當前電壓和電流信息如公式（5）所示。

hi0={Vi0，Ii0，Pi0} " （5）

式中：hi0為第i個光伏電板的初始參數(shù)信息；Pi0為第i個光伏電板的初始電壓；Vi0為第i個光伏電板的初始電流；Ii0為第i個光伏電板的初始輸出功率。

對每塊光伏電板來說，考慮其功率水平即為電壓和電流的乘積，得出公式（6）。

Pit=Vit×Iit " （6）

在實踐中，經(jīng)過調(diào)整開機時光伏電板及其控制電路的有關(guān)設(shè)備，初期往往不能立刻較好地進入運行環(huán)境，因此算法應(yīng)在開機后5min～15min多次重啟算法，重置初始值，在近期記錄數(shù)據(jù)中選取較高數(shù)值作為初始值，并進行運算，從而避免迭代結(jié)果在劣化輸出功率中震蕩。

將時間序列設(shè)置為t，其間隔通常為0.3ms，以此實現(xiàn)實時響應(yīng)。獲取實時電壓和電流信息，如公式（7）所示。

hit={Vit，Iit，Pit} "（7）

式中：hit為t時第i個光伏電板的參數(shù)信息；Pit為t時第i個光伏電板的電壓；Vit為t時第i個光伏電板的電流；Iit為t時第i個光伏電板的輸出功率。

對下一時刻的數(shù)據(jù)進行更新后，形成的前后功率差值如公式（8）所示。

?Pit+1=Pit+1-Pit=Vit+1×Iit+1-Vit×Iit "（8）

式中：?Pit+1為t時第i個光伏電板的變化趨勢，也即構(gòu)成了功率差值，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)其方向而調(diào)整變量電壓，如公式（9）所示。

（9）

式中：Vp為單次調(diào)整步長。

此外，為了避免頻繁響應(yīng)，在上述數(shù)據(jù)中，Vi0與Vit均應(yīng)設(shè)置去尾等方式避免高精度數(shù)據(jù)引起算法迭代結(jié)果震蕩，因此取最小0.1V；Ii0與Iit的閾值為0.1A。

4.2 硬件需求

觀察擾動法（Perturb and Observe，Pamp;O）為一級追蹤算法，主要關(guān)注功率變化而不是功率凈值水平。這種方法依賴基線水平進行調(diào)控，但也存在一些環(huán)境制約。具體來說，Pamp;O算法對短期內(nèi)的功率變化非常敏感，因此任何偶然性的事件，例如云層遮擋等因素，都會影響最大功率點跟蹤效果。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，控制策略需要軟硬件支持相結(jié)合。除了軟件方面的算法優(yōu)化外，利用硬件設(shè)置方式增加中間環(huán)節(jié)可以進一步穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。在這種情況下，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓至關(guān)重要，以保持輸出電壓穩(wěn)定并最大化輸出功率。在案例項目中，將BOOST電路作為實現(xiàn)MPPT算法的一種硬件支持方式。

4.3 結(jié)果分析

對光伏電板運行中的電壓、電壓導數(shù)和功率數(shù)據(jù)進行曲線擬合，結(jié)果如圖4所示。

隨著電壓偏離基線水平，光伏曲線顯示功率的不同方向變化，在這個過程中，功率導數(shù)也相應(yīng)變化。通過這個模型，電壓偏離導致功率導數(shù)增加，從而使反饋算法更能調(diào)整電壓。當電壓靠近基線水平時，功率較高、功率導數(shù)較小，P＆O算法的調(diào)整效果最差。當電壓達到最優(yōu)點時，功率達到光伏曲線峰頂，功率導數(shù)為0，說明P＆O算法可以保持穩(wěn)定電壓水平。

5 結(jié)語

基于BIM技術(shù)的山地光伏布板設(shè)計與施工過程管理將為清潔能源產(chǎn)業(yè)帶來變革。全面考慮山地場景下復雜因素對光伏系統(tǒng)性能的影響，并利用BIM技術(shù)對其進行精確仿真與管理，將有效提高項目的效率，降低成本，并推動清潔能源產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。

參考文獻

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[2] 劉立珍，李海楓，閆俊義，等.灘涂地區(qū)光伏電站基礎(chǔ)-支架系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].水利水電技術(shù)（中英文），2023，54（增刊2）：431-438.

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[4] 盧強.淺談山地光伏區(qū)施工難點及應(yīng)對措施[J].人民黃河，2023，45（增刊1）：175，177.

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[6]黨瑩穎，袁博，張順.基于BIM的漂浮式水上光伏電站設(shè)計[J].人民長江，2022，53（增刊1）：39-43.

[7]丁俊杰，白建波，李建，等.基于BIM的光伏電站自動化布置及發(fā)電量評估[J].太陽能學報，2022，43（5）：305-311.