一种光伏电站发电量的模拟计算方法与流程

本发明属于电数字数据处理，尤其涉及一种光伏电站发电量的模拟计算方法。

背景技术：

1、在光伏电站设计评估过程中，通常需要利用数字数据处理设备建立场区三维空间模型，并对不同时序下的发电功率进行计算，以此作为工程收益测算的基础，现有模拟计算方法一般先获取气象参数，再通过设定统一的光照折减系数估算光伏阵列的受光情况，并将辐照度代入单二极管物理模型，计算直流侧输出功率，当光伏电站建设在地形起伏较大的山地区域时，不同位置的地表坡度和朝向存在差异，同时还会出现复杂且不规则的阴影遮挡，受此影响，光伏阵列内部各电池片的有效辐照度往往并不一致，部分电池片受遮挡后还会使反向并联旁路二极管导通，进而使组串的伏安特性出现多个峰值，为了计算这类遮挡影响，现有方法通常采用提高空间网格密度并对大量空间对象进行射线求交计算的方式，但随着地表三角网和电池片数量增加，需要处理的空间数据和求交次数也随之大幅增加，容易超出数据处理设备能够承担的计算量。

2、在进一步求解上述多峰非线性特性时，传统方法通常采用隐式数值迭代法，由于多峰特性中存在多个拐点，数值迭代在这些区域容易出现雅可比矩阵奇异和数值振荡，导致计算难以稳定收敛，在阴影快速变化时，这种不考虑历史状态的计算方式容易使模拟功率与设备实际的动态响应产生较大偏差，例如，公开号为cn121529504a的中国发明专利申请公开了一种基于光照模拟的光伏发电量预测方法，基于数字高程模型与太阳轨迹开展视线通视性分析，并结合各向异性散射模型计算斜面受光量，然而，该类方法主要基于静态地理网格与离线气象插值，将地形遮蔽简化为理想几何视线的二值化通视判定，忽略了复杂下垫面多尺度反射微环境与动态云影遮蔽的非线性衰减规律；同时，各向异性模型在局部深切峡谷或微地形突变区域难以精确刻画漫射辐射的空间异质性，导致极端气象与晨昏弱光时段的辐射累积量存在计算误差，无法满足山地电站全工况高精度功率预测的工程需求。

3、因此，如何降低大量离散空间对象进行几何求交时的计算负担，在保证多峰非线性计算稳定收敛的同时，反映具有历史状态依赖关系的动态寻优过程，并得到较为准确的全时序发电功率数据，成为本发明需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种光伏电站发电量的模拟计算方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，获取地形高程数据与气象时序数据，构建地表不规则三角网模型，结合太阳轨迹模型提取场区可用排布几何域；

3、步骤s2，在场区可用排布几何域内映射光伏支架阵列三维位姿矩阵，基于初始排布总容量与目标直流侧容量的偏差迭代收敛生成光伏阵列目标空间拓扑数据集；

4、步骤s3，基于地表不规则三角网模型与光伏阵列目标空间拓扑数据集构建双层层次包围盒空间加速索引结构，解算各时序步长下各电池片的光学遮挡因子矩阵；

5、步骤s4，将光学遮挡因子矩阵与气象时序数据输入光学辐照转换模型，解算各电池片的有效总辐照度与实时工作结温；

6、步骤s5，将各电池片的有效总辐照度与实时工作结温代入单二极管物理模型，聚合生成组串级多峰伏安特性矩阵；依据上一时序步长的工作电压状态确定当前时序步长组串级多峰伏安特性矩阵中的局部极值收敛区间，将当前时序步长的工作电压状态约束于局部极值收敛区间内；在有效总辐照度的时序跌落幅度达到设定的重扫触发阈值时解除约束并将工作电压状态指向全局极值点；根据各时序步长的工作电压状态解算交流输出功率并积分生成时序发电量数据集。

7、优选的，步骤s1包括：步骤s11，提取地表不规则三角网模型中各三角面片的三维顶点坐标，通过空间向量叉积解算各三角面片的单位法向量与综合坡度角，并解算东西向与南北向的坡度投影分量；步骤s12，在设定的光照时间窗口内沿太阳光线向量投射测试射线，统计各三角面片的累计阴影遮蔽时长；步骤s13，筛选综合坡度角、坡度投影分量与累计阴影遮蔽时长均处于设定阈值范围内的三角面片，组合生成场区可用排布几何域。

8、优选的，步骤s2包括：步骤s21，依据基准日太阳高度角与方位角解算无前后排直射遮挡的理论基准行间距，将理论基准行间距与行间距比例系数相乘获得实际排布间距；步骤s22，在场区可用排布几何域内按实际排布间距定位光伏支架，生成光伏支架阵列三维位姿矩阵，并按组件标称峰值功率计算初始排布总容量；步骤s23，当初始排布总容量低于目标直流侧容量时，在设定比例区间内按步长递减行间距比例系数并重新映射排布；步骤s24，当初始排布总容量高于目标直流侧容量时，构建全场支架空间拓扑关联图，统计各支架在设定搜索半径内的邻接支架数量，剔除邻接支架数量小于设定阈值的孤立支架；当剔除孤立支架后排布总容量仍高于目标直流侧容量时，沿场区边缘由外向内依序剔除支架，直至排布总容量与目标直流侧容量的绝对差值满足单块组件容量容差窗口。

9、优选的，步骤s3包括：步骤s31，构建包含地表不规则三角网模型底层包围盒与光伏支架组件顶层包围盒的双层层次包围盒空间加速索引树，作为双层层次包围盒空间加速索引结构；步骤s32，由各电池片采光面中心点沿当前时序步长下的太阳单位光线向量发射探测射线，通过双层层次包围盒空间加速索引树遍历求交，在探测射线与外部地形或相邻光伏支架相交时将直射遮挡因子赋值为0，未相交时赋值为1；步骤s33，在电池片采光上半球空间内构建均匀半球采样光线包，沿采样方向发射环境探测光线，依据采样光线与天穹及地面的空间相交拓扑，积分求解各电池片的天空散射遮挡因子与地面反射视野因子，组合生成光学遮挡因子矩阵。

10、优选的，步骤s4中解算各电池片实时工作结温，包括：步骤s41，提取气象时序数据中的环境温度；步骤s42，将环境温度、标称电池工作温度经验常数以及倾斜面总辐射输入代入动态热平衡方程，解算输出各电池片在当前时序步长下的实时工作结温。

11、优选的，步骤s5中聚合生成组串级多峰伏安特性矩阵，包括：步骤s51，依据各电池片的有效总辐照度与实时工作结温，通过单二极管物理模型修正各电池片的短路电流、开路电压、最大功率点电流以及最大功率点电压；步骤s52，依据光伏组件内部各串联电池片子串的有效总辐照度差异，确定各子串反向并联旁路二极管在不同电流区间下的导通与截止状态，生成组件端口电压随工作电流变化的分段单调特性曲线；步骤s53，在相同工作电流下对同一组串内的所有组件端电压进行代数叠加，生成包含多个局部极值点的组串级多峰伏安特性矩阵。

12、优选的，步骤s5中将当前时序步长的工作电压状态约束于局部极值收敛区间内，包括：步骤s54，将上一时序步长的工作电压状态作为参考工作电压，映射至当前时序步长组串级多峰伏安特性矩阵的电压轴，判定该参考工作电压所落入的分段单调区段；步骤s55，将当前时序步长的工作电压状态限制在分段单调区段所对应的局部极值收敛区间内，阻断向非相邻区段的高阶极值点跨越；步骤s56，在当前时序步长的有效总辐照度相对上一时序步长的跌落幅度达到重扫触发阈值时，解除分段单调区段边界限制，对当前时序步长的组串级多峰伏安特性矩阵进行全域遍历并将工作电压状态更新为全局最大功率点电压。

13、优选的，步骤s5中解算交流输出功率，包括：步骤s57，将接入同一逆变器最大功率点跟踪通道的各光伏组串直流输出功率进行代数累加，获取该通道的输入总直流功率；步骤s58，结合逆变器的额定交流输出容量上限以及有功转换效率曲线，求解逆变器交流输出有功功率，其中当输入总直流功率乘以有功转换效率超过额定交流输出容量上限时，将逆变器交流输出有功功率截断为额定交流输出容量上限。

14、优选的，步骤s5中积分生成时序发电量数据集，包括：步骤s59，在全生命周期模拟周期内，以固定离散时间步长遍历全年各个时序点；步骤s510，对电站内所有逆变器在各时序步长下的交流输出有功功率进行时间积分，输出电站首年总发电量、等效满发利用小时数以及系统性能比。

15、相对于现有技术，本发明一种光伏电站发电量的模拟计算方法，具有以下优势：

16、1、在光伏电站发电量的模拟计算中，利用上一时序步长的组串工作电压状态限制当前时序步长的寻优范围，并在满足触发条件时再进行全局寻优，这样可以避免每个时序点都直接按照瞬时全局最优状态进行计算，使模拟过程能够反映逆变器受寻优步长限制产生的追踪滞后以及局部极值停留现象，减少复杂阴影变化条件下因理想化全局寻优造成的功率高估，使时序功率计算结果更接近电站实际运行时的动态电气响应。

17、2、本方法根据各电池片有效总辐照度差异以及旁路二极管的导通状态，将复杂的多峰伏安特性划分为多个单调区段，并在这些区段内进行确定性的代数计算，由此可以减少传统隐式数值迭代在多峰拐点附近出现雅可比矩阵奇异、数值振荡和求解发散的情况，提高不同遮挡组合下多峰伏安特性计算的收敛稳定性，并有利于大规模光伏阵列的连续时序计算。

18、3、本方法采用由地表不规则三角网底层包围盒和光伏支架组件顶层包围盒组成的双层层次包围盒空间加速索引树，对射线求交过程中需要检查的空间对象进行分层筛选，这样无需对场区内全部地形和光伏组件逐一进行求交计算，可以减少大规模空间几何数据的检索量，在保留复杂地形局部差异和电池片级遮挡计算精度的同时，提高长时序光学遮挡计算的处理效率，从而缓解精细化阴影计算带来的数据处理负担。