基于BIM模擬的山地光伏布板最大功率跟蹤設計

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計。本文介紹了光伏布板在山地環境中的重要性和應用價值，闡述了基于BIM技術進行光照模擬和最大功率跟蹤的算法原理，在硬件優化部分，討論了布板設計和接線方式的優化策略，以提高系統效率和穩定性。在軟件優化方面，探討了電路控制器仿真、原始數據處理與分析的重要性。通過本文的研究得出，在山地環境中利用BIM技術能提高光伏系統的能源利用效率。

關鍵詞：BIM；山地環境；光伏電站；布板設計；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、光伏支架調整以及陰影遮擋處理的影響，結合電壓控制等方面的軟件優化為最大功率跟蹤奠定基礎。在這個領域，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計。劉立珍等[2]對灘涂地區光伏電站基礎-支架系統進行深入研究，探討了技術現狀和發展趨勢。李莉[3]探討了BIM技術在光伏建筑一體化設計中的應用。盧強[4]就山地光伏區施工難點及應對措施進行分析。左穎[5]從BIM技術角度探討裝配式建筑太陽能集成設計優化。黨瑩穎等[6]基于BIM技術設計了漂浮式水上光伏電站。丁俊杰等[7]通過BIM技術實現光伏電站自動化布置及發電量評估，為優化光伏布局、提高發電效率提供了有效途徑。

1 工程概述

本工程位于廣西某地，是一個農光儲一體化發電項目，旨在響應國家清潔能源發展政策，推廣新能源產業化，促進當地經濟與環境和諧發展。一期建設規模包括交流側容量382.5MW、直流側容量488.22MWp，容配比為1.276。升壓站設計包括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，從而降低網絡交互強度和頻率。與此同時，在定期網絡連接中上傳本地計算資源結果，通過在線模式下的互聯網鏈接保證在線交互資源。這個計算資源和全局參數統合的過程如圖1所示。

2 模擬光照軟件優化

可以根據時間信息即運算獲得較為準確的光伏電板入射角數據，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，根據實際設備調整獲得；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為設備緯度；ω為太陽高度角最高時經度；ξ為設備經度。

其中，設備經緯度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，即24。

通過精確計算真實的日照輻射強度，軟件可以根據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性能的影響。通過動態調整操作參數并根據實時光照條件進行優化，使系統能夠在僅獲取時間戳的低流量信息交流環境下實現最大功率輸出，并提高能源轉換效率。

3 基于BIM的布板優化

在光伏系統中，各種因素（例如天氣、季節、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并結合實時環境信息，系統可以更準確地預測不同日期下光照條件對光伏系統性能的影響。這種預測是實現最佳功率輸出的基礎。在基于光照的調整基礎上，光伏電板自身的環境布局、避免遮擋并控制接線結構的影響同樣重要。

3.1 光伏電板布局優化

在光伏系統設計中，光伏組件的擺放間距計算是至關重要的一環。通過合理設置光伏組件的間距，可以最大限度地利用太陽能資源，提高光伏系統的發電效率，其結果如圖2所示。

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

3.2 光伏電板接線調整

考慮基于光伏電板自身接線模式調整的影響，不同接線優化調整結果如圖3所示。

由于彼此遮擋等因素，在光伏電板中部分模塊的發電效率較低，而接線模式決定對其他模塊的影響，因此可以通過重接線的方式避免發電損失。其中，線性連接主要通過重新調整接線關系，使同一塊光伏電板的不同區域的線路連接形式不同，單一逆變器的鏈接進一步減少。環形連接能夠更好地改善發電量損失，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系基礎上進行優化。因此，當處理并聯失配問題時，可以優先考慮采用線性連接來規避系統中的不匹配問題，從而考慮更復雜的重接線方案優化，并最大程度地減少發電量損失。

4 基于擾動觀察法的的電壓管理算法

基于優化后的光照環境，通過動態調整操作參數，光伏系統可以更好地適應不同的工作條件。這種優化方法不僅有助于提高能源轉換效率，還能避免能源浪費，并最大化利用光伏電板產生的清潔能源。

4.1 算法設計

對初始狀態來說，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，經過調整開機時光伏電板及其控制電路的有關設備，初期往往不能立刻較好地進入運行環境，因此算法應在開機后5min～15min多次重啟算法，重置初始值，在近期記錄數據中選取較高數值作為初始值，并進行運算，從而避免迭代結果在劣化輸出功率中震蕩。

將時間序列設置為t，其間隔通常為0.3ms，以此實現實時響應。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。

對下一時刻的數據進行更新后，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，也即構成了功率差值，系統應根據其方向而調整變量電壓，如公式（9）所示。

（9）

式中：Vp為單次調整步長。

此外，為了避免頻繁響應，在上述數據中，Vi0與Vit均應設置去尾等方式避免高精度數據引起算法迭代結果震蕩，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控，但也存在一些環境制約。具體來說，Pamp;O算法對短期內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。為了應對這些挑戰，控制策略需要軟硬件支持相結合。除了軟件方面的算法優化外，利用硬件設置方式增加中間環節可以進一步穩定系統電壓。在這種情況下，調節光伏電池的輸出電壓至關重要，以保持輸出電壓穩定并最大化輸出功率。在案例項目中，將BOOST電路作為實現MPPT算法的一種硬件支持方式。

4.3 結果分析

對光伏電板運行中的電壓、電壓導數和功率數據進行曲線擬合，結果如圖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，功率導數也相應變化。通過這個模型，電壓偏離導致功率導數增加，從而使反饋算法更能調整電壓。當電壓靠近基線水平時，功率較高、功率導數較小，P＆O算法的調整效果最差。當電壓達到最優點時，功率達到光伏曲線峰頂，功率導數為0，說明P＆O算法可以保持穩定電壓水平。

5 結語

基于BIM技術的山地光伏布板設計與施工過程管理將為清潔能源產業帶來變革。全面考慮山地場景下復雜因素對光伏系統性能的影響，并利用BIM技術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，并推動清潔能源產業向前發展。

參考文獻

[1] 閆俊義，劉毅，劉立珍，等.有限元法作為灘涂光伏陣列樁基設計計算方法的適用性研究[J].水利水電技術（中英文），2024，55（3）：1-10.

[2] 劉立珍，李海楓，閆俊義，等.灘涂地區光伏電站基礎-支架系統技術現狀及發展趨勢研究[J].水利水電技術（中英文），2023，54（增刊2）：431-438.

[3] 李莉.BIM技術在光伏建筑一體化設計中的應用[J].電池，2023，53（4）：477-478.

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

[5] 左穎.基于BIM技術的裝配式建筑太陽能集成設計優化探究[J].太陽能學報，2023，44（5）：490.

[6]黨瑩穎，袁博，張順.基于BIM的漂浮式水上光伏電站設計[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電量評估[J].太陽能學報，2022，43（5）：305-311.