基于BIM模拟的山地光伏布板最大功率跟踪设计

摘 要：本文探讨了基于BIM模拟光照的山地光伏布板最大功率跟踪设计。本文介绍了光伏布板在山地环境中的重要性和应用价值，阐述了基于BIM技术进行光照模拟和最大功率跟踪的算法原理，在硬件优化部分，讨论了布板设计和接线方式的优化策略，以提高系统效率和稳定性。在软件优化方面，探讨了电路控制器仿真、原始数据处理与分析的重要性。通过本文的研究得出，在山地环境中利用BIM技术能提高光伏系统的能源利用效率。

关键词：BIM；山地环境；光伏电站；布板设计；电压管理

中图分类号：TM 615 " 文献标志码：A

利用建筑信息模型（BIM）技术可以对山地场景进行三维模拟，从而更全面、精确地考虑这些因素对光伏组件摆放间距计算、光伏支架调整以及阴影遮挡处理的影响，结合电压控制等方面的软件优化为最大功率跟踪奠定基础。在这个领域，已有学者参与分析与讨论。闫俊义等[1]通过有限元法研究滩涂光伏阵列桩基设计。刘立珍等[2]对滩涂地区光伏电站基础-支架系统进行深入研究，探讨了技术现状和发展趋势。李莉[3]探讨了BIM技术在光伏建筑一体化设计中的应用。卢强[4]就山地光伏区施工难点及应对措施进行分析。左颖[5]从BIM技术角度探讨装配式建筑太阳能集成设计优化。党莹颖等[6]基于BIM技术设计了漂浮式水上光伏电站。丁俊杰等[7]通过BIM技术实现光伏电站自动化布置及发电量评估，为优化光伏布局、提高发电效率提供了有效途径。

1 工程概述

本工程位于广西某地，是一个农光储一体化发电项目，旨在响应国家清洁能源发展政策，推广新能源产业化，促进当地经济与环境和谐发展。一期建设规模包括交流侧容量382.5MW、直流侧容量488.22MWp，容配比为1.276。升压站设计包括3台80MVA升压变压器，采用220kV出线接入220kV变电站。

在光伏系统中，最大功率点追踪是保证光伏电板输出功率的有效方式，而扰动观察法算法则是其中一种有效的追踪算法，在实际应用中广泛采用，其基本原理是对当前操作点（电压或电流）进行微小扰动，并观察输出功率变化方向来找到最大功率点。将相应计算活动拆分为两部分，通过离线模式计算信息，从而降低网络交互强度和频率。与此同时，在定期网络连接中上传本地计算资源结果，通过在线模式下的互联网链接保证在线交互资源。这个计算资源和全局参数统合的过程如图1所示。

2 模拟光照软件优化

可以根据时间信息即运算获得较为准确的光伏电板入射角数据，通过计算辐照强度预测输出功率。计算辐照强度如公式（1）所示。

B=bεsinγ "（1）

式中：B为辐照强度；b为单位面积能量，取1367W/m2；ε为校正因子，根据实际设备调整获得；ε为太阳高度角。

太阳高度角计算过程如公式（2）所示。

sinγ=sinδsinφ+cosδcosφcos（ω-ξ） "（2）

式中：δ为太阳直射纬度；φ为设备纬度；ω为太阳高度角最高时经度；ξ为设备经度。

其中，设备经纬度φ与ξ均可提前获得，而太阳直射纬度的计算过程可以根据时间信息获得，如公式（3）所示。

（3）

式中：d为当日日期在全年中的序号。

在实践中，还可以获得辐照强度和具体日辐射量的拟合公式，如公式（4）所示。

（4）

式中：Bd为d日光照辐射强度；ωs为当日日出角；T为当日小时数，即24。

通过精确计算真实的日照辐射强度，软件可以根据当下时间点更准确地预测不同日期下光照条件对光伏系统性能的影响。通过动态调整操作参数并根据实时光照条件进行优化，使系统能够在仅获取时间戳的低流量信息交流环境下实现最大功率输出，并提高能源转换效率。

3 基于BIM的布板优化

在光伏系统中，各种因素（例如天气、季节、时间等）会影响光照强度和太阳高度角，从而影响光伏电板的性能。通过精确计算这些参数并结合实时环境信息，系统可以更准确地预测不同日期下光照条件对光伏系统性能的影响。这种预测是实现最佳功率输出的基础。在基于光照的调整基础上，光伏电板自身的环境布局、避免遮挡并控制接线结构的影响同样重要。

3.1 光伏电板布局优化

在光伏系统设计中，光伏组件的摆放间距计算是至关重要的一环。通过合理设置光伏组件的间距，可以最大限度地利用太阳能资源，提高光伏系统的发电效率，其结果如图2所示。

当发电量为1200kW·h时，间距调整后，发电量损失为307.2kW·h。随着日照小时数增长，发电量逐渐增加，间距调整后的发电量损失也逐渐增加，表明发电容量较大会使设备调整优化成果扩大，使相同间距调整措施能够进一步提升其发电量水平，但并不呈现线性增长关系，而在较高日照小时树下，对发电量损失的改善幅度有所下降。要根据山地环境中的高度差与南北方向上的太阳高度变化调整立柱高度。在发电量达到2000kW·h的情况下，立柱高度调整减少了502千瓦时的发电量损失。随着日照小时数进一步增加，立柱高度调整可以改善发电性能，这表明在光伏系统设计中，垂直结构（例如立柱）的高度设置对系统性能有重要影响。光伏板面积调整也对发电量损失有影响，但与其他两种调整相比，其影响相对较小。

3.2 光伏电板接线调整

考虑基于光伏电板自身接线模式调整的影响，不同接线优化调整结果如图3所示。

由于彼此遮挡等因素，在光伏电板中部分模块的发电效率较低，而接线模式决定对其他模块的影响，因此可以通过重接线的方式避免发电损失。其中，线性连接主要通过重新调整接线关系，使同一块光伏电板的不同区域的线路连接形式不同，单一逆变器的链接进一步减少。环形连接能够更好地改善发电量损失，受随坡就势条件下复杂的光线遮挡条件因素影响，在简单的线性连接关系基础上进行优化。因此，当处理并联失配问题时，可以优先考虑采用线性连接来规避系统中的不匹配问题，从而考虑更复杂的重接线方案优化，并最大程度地减少发电量损失。

4 基于扰动观察法的的电压管理算法

基于优化后的光照环境，通过动态调整操作参数，光伏系统可以更好地适应不同的工作条件。这种优化方法不仅有助于提高能源转换效率，还能避免能源浪费，并最大化利用光伏电板产生的清洁能源。

4.1 算法设计

对初始状态来说，读取当前电压和电流信息如公式（5）所示。

hi0={Vi0，Ii0，Pi0} " （5）

式中：hi0为第i个光伏电板的初始参数信息；Pi0为第i个光伏电板的初始电压；Vi0为第i个光伏电板的初始电流；Ii0为第i个光伏电板的初始输出功率。

对每块光伏电板来说，考虑其功率水平即为电压和电流的乘积，得出公式（6）。

Pit=Vit×Iit " （6）

在实践中，经过调整开机时光伏电板及其控制电路的有关设备，初期往往不能立刻较好地进入运行环境，因此算法应在开机后5min～15min多次重启算法，重置初始值，在近期记录数据中选取较高数值作为初始值，并进行运算，从而避免迭代结果在劣化输出功率中震荡。

将时间序列设置为t，其间隔通常为0.3ms，以此实现实时响应。获取实时电压和电流信息，如公式（7）所示。

hit={Vit，Iit，Pit} "（7）

式中：hit为t时第i个光伏电板的参数信息；Pit为t时第i个光伏电板的电压；Vit为t时第i个光伏电板的电流；Iit为t时第i个光伏电板的输出功率。

对下一时刻的数据进行更新后，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为t时第i个光伏电板的变化趋势，也即构成了功率差值，系统应根据其方向而调整变量电压，如公式（9）所示。

（9）

式中：Vp为单次调整步长。

此外，为了避免频繁响应，在上述数据中，Vi0与Vit均应设置去尾等方式避免高精度数据引起算法迭代结果震荡，因此取最小0.1V；Ii0与Iit的阈值为0.1A。

4.2 硬件需求

观察扰动法（Perturb and Observe，Pamp;O）为一级追踪算法，主要关注功率变化而不是功率净值水平。这种方法依赖基线水平进行调控，但也存在一些环境制约。具体来说，Pamp;O算法对短期内的功率变化非常敏感，因此任何偶然性的事件，例如云层遮挡等因素，都会影响最大功率点跟踪效果。为了应对这些挑战，控制策略需要软硬件支持相结合。除了软件方面的算法优化外，利用硬件设置方式增加中间环节可以进一步稳定系统电压。在这种情况下，调节光伏电池的输出电压至关重要，以保持输出电压稳定并最大化输出功率。在案例项目中，将BOOST电路作为实现MPPT算法的一种硬件支持方式。

4.3 结果分析

对光伏电板运行中的电压、电压导数和功率数据进行曲线拟合，结果如图4所示。

随着电压偏离基线水平，光伏曲线显示功率的不同方向变化，在这个过程中，功率导数也相应变化。通过这个模型，电压偏离导致功率导数增加，从而使反馈算法更能调整电压。当电压靠近基线水平时，功率较高、功率导数较小，P＆O算法的调整效果最差。当电压达到最优点时，功率达到光伏曲线峰顶，功率导数为0，说明P＆O算法可以保持稳定电压水平。

5 结语

基于BIM技术的山地光伏布板设计与施工过程管理将为清洁能源产业带来变革。全面考虑山地场景下复杂因素对光伏系统性能的影响，并利用BIM技术对其进行精确仿真与管理，将有效提高项目的效率，降低成本，并推动清洁能源产业向前发展。

参考文献

[1] 闫俊义，刘毅，刘立珍，等.有限元法作为滩涂光伏阵列桩基设计计算方法的适用性研究[J].水利水电技术（中英文），2024，55（3）：1-10.

[2] 刘立珍，李海枫，闫俊义，等.滩涂地区光伏电站基础-支架系统技术现状及发展趋势研究[J].水利水电技术（中英文），2023，54（增刊2）：431-438.

[3] 李莉.BIM技术在光伏建筑一体化设计中的应用[J].电池，2023，53（4）：477-478.

[4] 卢强.浅谈山地光伏区施工难点及应对措施[J].人民黄河，2023，45（增刊1）：175，177.

[5] 左颖.基于BIM技术的装配式建筑太阳能集成设计优化探究[J].太阳能学报，2023，44（5）：490.

[6]党莹颖，袁博，张顺.基于BIM的漂浮式水上光伏电站设计[J].人民长江，2022，53（增刊1）：39-43.

[7]丁俊杰，白建波，李建，等.基于BIM的光伏电站自动化布置及发电量评估[J].太阳能学报，2022，43（5）：305-311.