最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法

技术领域

本发明涉及光伏发电工程的优化设计技术领域，具体涉及一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法。

背景技术

近年来，光伏发电项目蓬勃发展，支架与基础是光伏场区发电系统的主要支撑结构，随着单个项目的装机容量越来越大，多通过增加串联系统中组件数量来增加基础距离，从而达到减少基础数量的目的来降低单位容量的造价，这种方法具有一定可行性，但受限于直流汇流箱、箱逆变一体机的容量，优化的空间十分有限，且基础数量减少的同时，基础间距的增大，提高了单榀支架基础的承载面积，间接导致单榀支架的工程量加大。

当前光伏支架基础计算方法大多是优先考虑发电量，使组件始终保持在太阳辐射量最大的倾角上，设计支架基础时分别使设计使用年限内最大风速沿正、负风向作用于光伏组件面上，转换为载荷后传递至支架与基础上，计算得到支架与基础的设计量，目前计算作用于支架与基础上的载荷采用以下公式：

将50年一遇基本风压计算转化为作用于檩条上的风载与基础顶部的载荷分量，其计算公式如下：

檩条上的风载

基础顶部的水平力分量

基础顶部的竖向力分量

其中

式中

依据以上计算方法，一般优化方法为

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，该方法综合考量极端风速、风速频率分布、太阳能辐射量、成本控制等因素，在保障太阳辐射量小幅度变化不影响发电量的前提下，根据风速频率分布规律，提出了最优角/避风角调节的概念，将高风速对支架与基础的不利作用降到最低，节省支架基础成本，同时保证结构安全性。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括：

步骤1、基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；

步骤2、拟合得到当地全年风速概率密度的Weibull分布；

步骤3、依托步骤2确定保护风速初值，按50年最大风压承载计算获得相应的避风角初值；

步骤4、建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；

步骤5、计算组件在最优保护风速作用下的支架基础总量，获得其它运行倾角的临界切换风速，建立支架基础一体化优化方法。

优选地，步骤1中，通过Solargis数据以及PVsyst软件模拟论证测算在不同倾角下，组件倾斜面上逐月接收到的太阳辐射量，通过组件倾角初算与阵列间距初算，建立确定组件最佳倾角和阵列最佳间距的交叉反馈模型，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个或多个倾角，并确定可调支架调节倾角范围，以太阳辐射量最大作为最优角

优选地，步骤2中，基于当地气象站风速全年统计数据，选取合适的形状参数k与尺度参数c，拟合生成具有代表性的Weibull概率密度函数：

(1)

则Weibull分布函数为

(2)

以此函数代表当地风速连续性分布的规律，其中P为小于某风速的概率，v为任意风速值变量，V为某一给定风速值。

优选地，步骤3中，将

檩条上的风载

基础顶部水平力分量

基础顶部竖向力分量

基础顶部弯矩

以上述载荷组计算得到初始的支架与基础工程量，其中

优选地，步骤4中，建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，以单位电能成本降低率最大值为目标，提出一种系统考虑最优角、避风角、风速变化、全年发电量、支架基础成本变化多因素的优化计算方法：

(7)

式中，Q(V)为该场区的单位电能成本降低率，

优选地，步骤5中，计算获得最优保护风速后，求得作用于最大调节倾角的支架基础量，以此支架基础量计算求取满足50年一遇最大风速

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的益处在于既保留了传统追踪调节方法的充分利用太阳辐射能的优点，同时克服了为防止传统固定支架在大倾角时遭遇强风易侧翻而增大基础尺寸的问题，提供了一体化计算优化的方法，规避高风速对光伏系统的影响，降低了基础设计荷载，节约了基础工程量，同时保证了发电量，实现了发电效率与造价经济性的平衡。

附图说明

图1为建立风速保护一体化计算方法的流程图；

图2为不同倾角倾斜面上逐月太阳辐射量变化曲线图；

图3为最小倾角载荷示意图；

图4为最大倾角载荷示意图；

图5为测风塔各高度威布尔分布图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明提供一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括如下步骤：

步骤（一）：基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；

在步骤一中，应通过Solargis数据以及PVsyst软件模拟论证测算在不同倾角下，组件倾斜面上逐月接收到的太阳辐射量，通过组件倾角初算与阵列间距初算，建立确定组件最佳倾角和阵列最佳间距的交叉反馈模型，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个或多个倾角，并确定可调支架调节倾角范围，以太阳辐射量最大作为最优角

步骤二：拟合得到当地全年风速概率密度的Weibull分布；

基于当地气象站风速全年统计数据，选取合适的形状参数k与尺度参数c，拟合生成具有代表性的Weibull概率密度函数：

(1)

则Weibull分布函数为

(2)

以此函数代表当地风速连续性分布的规律，其中P为小于某风速的概率，v为任意风速值变量，V为某一给定风速值。

步骤（三）：依托步骤二确定保护风速初值，按50年最大风压承载计算获得相应的避风角初值；

参照《光伏电站太阳跟踪系统技术要求》中 “风速增至18m/s时，跟踪系统应自动进入抗风状态” 要求，将18m/s作为对比值，依据步骤二中的风速Weibull分布函数，设定小于其累积频率为85%的风速V

将

檩条上的风载

基础顶部水平力分量

基础顶部竖向力分量

基础顶部弯矩

以上述载荷组计算得到初始的支架与基础工程量，其中

步骤四：建立以保护风速为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；

(7)

式中，Q(V)为该场区的单位电能成本降低率，

步骤（五）：计算组件在最优保护风速作用下的支架基础总量，获得其它运行倾角的临界切换风速，建立支架基础一体化优化方法；

计算获得最优保护风速后，求得作用于最大调节倾角的支架基础量，以此支架基础量计算求取满足50年一遇最大风速

光伏发电可调系统配备了风速感应的设备，对于风速的变化感应灵敏。同等风速作用下，支架倾角越大，基础受到的水平载荷越大，其支架基础工程量越大。风速不高于保护风速时，组件基本角度均保持在其各最优角上，风速高于保护风速时，支架倾角均调节至避风角，降至保护风速以下后支架倾角复位至各最优角。计算各运行角度的临界切换风速，在于获得各倾角下支架基础能够承受的临界风速，将高风速对支架与基础的不利作用降到最低，构建最有利的运行模式，同时能最大程度的节省支架基础的工程量，兼具安全性与经济性。

下面结合附图1-5和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

一种最优角避风角风保自切换的光伏支架基础一体化计算方法，包括附图1中所有步骤：

1. 基于组件倾角和阵列间距交叉反馈计算方法获得可调光伏支架的最优角；

利用通用的太阳能资源数据库对光伏项目所在区域做太阳能资源分析，常用的资源数据库有NASA气象数据库、Meteonorm数据库及SolarGis数据库，通过光伏组件倾角和阵列间距交叉反馈多因素综合计算方法，得到组件全年逐月最大辐射量对应的单个或多个倾角，并确定可调支架调节角度范围。

以某100MW项目为例，支架全年1~12月各月在不同调节倾角时的太阳辐射量如图2所示，可见各月均存在一个太阳辐射量最大的最优角，统计得到可调支架逐月太阳辐射量最大对应倾角如下表1：

表1 全年各月辐射量最大对应倾角

可得到倾角调节范围为10~45

如图3、图4所示分别为支架在10°与45°作用下受力示意图，同等风速条件下由公式（4）与（6）可知45°角支架基础所受

2. 拟合得到当地全年风速的Weibull概率密度分布函数。

仍以该项目为例，初步测得各风速段分布的频率如图5所示，对其进行函数拟合，考虑风切变影响获得测风塔各高度Weibull参数分析值如下表2所示。

表2 各高度Weibull参数值

鉴于支架实际高度，取10m高度处风速作为作用于支架的风速分布，由图5可以看到3~10m/s范围内的风速出现频率较为集中，占比较高。

3. 依据步骤二中的风速Weibull分布函数，设定小于其累积频率为85%的风速V

4.按保护风速初值V

5. 建立以保护风速V为变量的单位电能成本降低率模型，获得最优保护风速；得到计算模型如下：

(1)

经计算可得，不同的保护风速的单位容量支架基础成本如下表3所示；

表3 不同保护风速单位容量支架基础一体成本（万元/MW）

由上表可以看出，支架基础成本和保护风速基本上成线性递增关系。将计算值代入式（1）中，可得到V=16.5m/s时，Q(V)最大，即最优保护风速为16.5m/s。

本项目采用感应风速可调，风速高于16.5m/s时角度从45

表4

6. 继续求取获得其它倾角所对应的临界切换，根据不同倾角倾斜面上逐月太阳辐射量数据制定各倾角的调节计划，以39

7.将步骤5获得的保护风速计算载荷分量计算感应风速可调光伏系统与按50年最大风速计算的传统固定可调光伏系统的支架基础工程量，结果如下表5所示：

表5

该项目容配比为1:1.2，直流侧容量为120.47616MWp，由计算结果可以看出，单位千瓦静态投资降低249.6元，降低总建设成本约6.41%，感应风速可调光伏系统相比传统固定可调方式节省支架工程量11.44%，节省桩基础长度31.25%，其中传统可调方式的支架与基础总成本约为7406.07万，感应风速可调光伏的支架基础总成本约为5311.46万，该项目采用此创新设计可降低直接工程成本（不含间接成本）约2094.6万元，基于实际发电数据刨除25年的发电收益损失约452万，共直接创造经济效益约1642.6万元。

以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似的方法替代，这些也应视作本发明的保护范围。