CN113098054A - 一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，所述方法包括：基于光伏方阵的路径点集合，获取集合的质心点坐标，应用广域搜索最小生成树方法，获取质心点周围的四个点坐标，用于表示逆变器所在最优位置；使用有类簇元素数量约束的K‑Means聚类方法，对支架的坐标点进行符合最少线损、最短耗材的聚类分析；在聚类分析得到的每个汇流箱所连接的支架集合中，确定汇流箱最优位置；将汇流箱至逆变器最优布线路径建模为一个迷宫寻路问题，寻找最优解。本发明达到了缩短设计周期、降低整站电力损耗、降低电站建设成本。

Description

一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法。
背景技术
全球有超过30％的电力来自可再生能源，太阳能光伏发电技术是其中重要的部分。过去五年间，光伏产业迅速发展，全球光伏发电累计装机从140GW左右增加到500GW以上。随着光伏装机容量日益上升，市场竞争愈发激烈，降低光伏电站设计和建设成本具有重要意义。
光伏系统的设计流程中，直流侧的设备布局和电力线缆路由设计是其中的重要部分，对于实际建设过程起着关键的指导作用。目前，该设计工作主要由人工手动完成，在对于大规模电站进行设计时，效率较低，时间成本高。此外，人工设计时往往依据经验，无法全面地考虑相关影响因素及约束，难以给出最优方案。开发光伏系统直流侧的设备布局及线缆路由优化方法，可以降低人工成本和设计周期，同时也可以减少系统电力损耗、减少电缆使用量，解决大规模光伏电站设计中系统直流侧的布局和接线设计问题。
目前，国内外学者已经开展相关研究，研究了光伏电站中光伏板在给定区域中的布局优化方法[1]，提出了一种基于聚类算法的汇流箱布局和电缆布线方法[2]，给出了光伏厂区一次系统布线方案识别及方案经济性和收益评价方法[3]。然而，目前的研究多聚焦于光伏方阵布局和布线求解时所用最优算法的效率，考虑的约束多为经济性，少有结合支架至汇流箱、汇流箱至逆变器两段线路特征，综合考虑电缆用量、电力线损和建设成本在内的方法，难以为设计人员提供可以直接应用在工程设计中的参考方案。为此，需要研究综合考虑用料、线损和建设成本在内的光伏系统直流侧布局和路由技术，为行业提供可靠的方法和工具。
参考文献
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发明内容
本发明的目的在于：针对上述光伏系统设计中存在的问题，提供一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，达到缩短设计周期、降低整站电力损耗、降低电站建设成本的目的；
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：对于给定的光伏方阵，对其进行空间表征建模；基于空间表征模型，根据方阵中所有光伏支架的行、列间距，计算该方阵中逆变器的最优位置，支架位置随之确定；对于所有确定的支架位置点进行分类，确定连接至同一个汇流箱的支架，然后将这些支架归类为一个支架类簇；对于每一个支架类簇，确定汇流箱的最优位置；对于每个汇流箱，找到其连接至逆变器的最优布线路径。
本发明所述的方阵空间表征建模方法包括如下步骤：
步骤A：对于给定的光伏方阵，首先为该光伏方阵区域设定平面坐标系及原点，然后结合支架的长度及方阵的行列间距，确定所有支架中心点的坐标。最后，将这些坐标作为方阵的路径点集合。
步骤B：对于给定的光伏方阵，将每个支架所占空间、各支架间的空间进行格子化，为每一个格子确定坐标。之后，逐个判断各格子是否可以作为通路，判断后的结果设定为该格子的通路属性。本步骤中所有格子的坐标、通路属性构成二维矩阵，作为方阵的格子模型。
其中，确定方阵中逆变器的最优位置的方法是：基于步骤A得到的方阵的路径点集合，计算该集合的质心点的坐标，然后获取该质心点周围的四个集合点坐标。用此四个集合点坐标表示逆变器所在的最优位置。
其中，支架位置点分类方法是：根据汇流箱的数量、型号和参数要求，对于所有支架的坐标点进行符合最少线损、最短耗材等约束的聚类分析，得到每个汇流箱所连接的支架集合。
其中，确定汇流箱最优位置的方法是：对于每个汇流箱，将其对应的支架类簇左侧和右侧视为可能的位置点。对于所有可能的位置点，计算该位置建设成本和运行后造成电力损耗的加权值。从所有可能的位置点中，选取加权值最低的作为该汇流箱位置。
其中，汇流箱至逆变器最优布线路径的方法是：对于所有给定位置的汇流箱，在基于步骤B得到的方阵的格子模型中获取最优路由方案，并将其指定为该汇流箱接线至方阵中逆变器的布线路径。
本发明提出的光伏系统直流侧布局及路由优化方法，是支持在计算机上运行的解决方案。以上所述的方法可以编写为可执行程序，通过在计算机上运行，实现光伏电站直流侧设备布局和路由设计的自动化。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明可以对大规模地面光伏电站进行布局路由的优化布置，达到缩短设计周期、降低整站电力损耗、降低电站建设成本的目的。
附图说明
图1为光伏系统直流侧方阵布局和路由设计概念图；
图2为一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法流程图；
图3为一组具有两行四列的支架建模结果示意图；
图4为图3支架布局下两点间的最短路径示意图；
图5为与本发明实施例对照的人工设计的光伏方阵设备布局和线缆路由方案图；
图6为一种光伏方阵设备布局和线缆路由方案图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，光伏电站直流侧的布局包括：光伏方阵所在区域范围，以及光伏支架、汇流箱、逆变器的位置；光伏电站直流侧的布线包括：安置在光伏支架的光伏组串至汇流箱、汇流箱至逆变器的路由接线。根据光伏电站的设计流程，设计人员首先需要在给定区域内布置所有设备(光伏支架、汇流箱和逆变器)的位置，然后制定设备之间线缆的路由方案。
如图2所示，本发明方法包括以下步骤：
1)对于给定的光伏方阵，首先为该方阵区域设定平面坐标系及原点。
在一个给定的方阵中，包含数十个光伏支架，数个汇流箱，以及一台逆变器。其中，每个光伏支架会占据一定空间，汇流箱所占空间很小可以忽略不计(通常安装在支架的左端或右端)，逆变器占据约4个支架的空间。根据光伏电站的设计流程，默认方阵中所有光伏支架的行列间距是固定的，而支架、汇流箱、逆变器等设备的位置可以调整。针对光伏方阵所在区域的布局平面图，首先选定能覆盖所有设备的最小矩形的左下角为原点。然后，将逆变器所占空间等效为两行两列的支架，再根据光伏方阵中支架的行间距、列间距，计算获得所有支架和等效支架中心点的坐标。。坐标构成的集合作为光伏方阵的路径点集合。
2)确定光伏方阵中逆变器的最优位置。
基于步骤1)的路径点集合，获取集合的质心点坐标。然后应用广域搜索最小生成树方法，获取该质心点周围的四个点坐标，表示逆变器所在最优位置。
其中，逆变器的中心将是所有线缆的终点。后续确定好汇流箱的位置后，将以各个汇流箱为起点，以此逆变器作为终点，制定设备之间线缆的路由方案。
3)对支架位置点进行分类。
根据汇流箱的数量、型号和参数要求，使用有类簇元素数量约束的K-Means聚类方法，对于所有支架的坐标点进行符合最少线损、最短耗材等约束的聚类分析。其中，聚类数设定为汇流箱数量，类簇中元素的数量约束最大值、最小值与连接至汇流箱的光伏组串数量最大值、最小值一致。上述有类簇元素数量约束的K-Means聚类方法仅能约束类簇的最大最小值，因此可能发生聚类后类簇数量不符合连接至汇流箱上组串数要求的情况。在此情况下，首先定位需要调整的类簇，然后对于每个需要调整的类簇执行下述步骤：
3-1)判断需要增加元素还是删除元素；
3-2)如果是增加元素：从与该类簇邻接的类簇中选取与其他需要调整的类簇距离最近的类簇，然后从选取的类簇中定位与该类簇相邻的元素。将定位的元素添加至该类簇中，该元素即从原有类簇中删除。
3-3)如果是删除元素：定位该类簇中与其他需要调整的类簇距离最近的元素，将定位的元素从该类簇中删除。如果与该类簇邻接的类簇数量≥1，计算所有“邻接类簇”的质心，然后选取与该类簇质心中最接近的簇作为相邻类簇，再将该元素即添加至相邻类簇中。
3-4)判断调整后的类簇元素数量符合要求，如果不符，重复步骤3-1)，直至调整后的类簇元素数量符合要求。
对每个需要调整的类簇，重复步骤3-1)至3-4)，直至聚类结果是否符合连接至汇流箱上组串数的要求。
4)在聚类分析得到的每个汇流箱所连接的支架集合中，确定汇流箱最优位置。
4-1)首先，将光伏方阵区域、设备所占空间、各支架间的空间进行格子化划分，单位格子的边长为区域平面图上最小支架间距。下一步为每一个格子确定坐标，然后对所有格子指定是否可以作为通路的属性。将格子坐标集和每个坐标是否可以作为通路的标记作为方阵的格子模型。
4-2)确定汇流箱与支架和逆变器连接的约束及影响因素。根据电力电缆布线的标准，已知的约束条件是：
-从光伏支架至汇流箱的电源线应从其支架左侧或右侧连接到相应的汇流箱插座上；
-所有线缆不能交叉；
-线缆应避免穿过支架；
-线缆走向应横平竖直；
4-3)本发明设计了带权重的线缆路由成本计算方法。计算公式为：
W＝(c1+p1)*L1+(c2+p2)*L2
其中，W表示该汇流箱位置的电缆路由损耗与成本的综合加权值。其中，c1代表组串到汇流箱接线电缆的单位长度建设成本权重参数，p1代表组串到汇流箱接线电缆单位长度线损权重参数，c2代表汇流箱到逆变器接线电缆的单位长度建设成本权重参数，p2代表汇流箱到逆变器接线电缆单位长度线损权重参数，L1代表组串到汇流箱电力线缆的长度，L2代表汇流箱到逆变器电力线缆的长度。加权值越低，代表若将汇流箱布设在该位置，布线成本和电缆损耗的程度越小。
4-4)基于步骤4-1)中的方阵格子模型，将每个支架类簇中所有支架的左侧和右侧视为对应汇流箱可能的位置点，然后对于所有可能的位置点，基于步骤4-3)计算该位置放置汇流箱后，线缆的建设成本和运行后造成电力损耗的加权值。从所有可能的位置点中，选取加权值最低的作为该汇流箱位置。
5)获取汇流箱至逆变器最优布线路径。
对于所有给定位置的汇流箱，在步骤4-1)得到的格子模型中获取最优路由方案，并将其指定为该汇流箱接线至方阵中逆变器的布线路径。
为了获取所述最优路由方案，即找到所有电力线缆的最短路径，将该问题建模为一个迷宫寻路问题。将汇流箱作为迷宫的起点，逆变器作为迷宫的终点，支架和区域限制作为障碍物。接下来，对于步骤给出的方阵格子模型，并将其转化为加权图的邻接矩阵，然后用Dijkstra算法找到其最优解。
例如，一组具有两行四列的支架如图3所示建模。在该图中，起点为“S”，终点为“E”，障碍物用“X”表示。对于这两个节点之间的最短路径，用Dijkstra方法计算得到最短路径。如图4所示，依次以所有汇流箱为出发点，分别找出到逆变器的最短路径，即得到所有的线缆路径。对于上述示例，应用本发明的人工设计方案和应用本发明方法得出的方案如图5和图6所示。
为体现本发明所提升的效益，表1对比展示了采用本实施例进行优化方案和由人工设计方案的建设成本和线损分析结果。
表1不同方案下建设成本和线损分析
Figure BDA0003001280200000061
由以上具体实施例可见，本发明提出的光伏系统直流侧布局和路由优化方法可以有效降低线缆建设成本及运行时产生的电力损耗。实施例说明本发明能够满足工程设计的实际要求，具有重要的现实意义和良好的应用前景。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，其特征在于，所述方法包括：
基于光伏方阵的路径点集合，获取集合的质心点坐标，应用广域搜索最小生成树方法，获取质心点周围的四个点坐标，用于表示逆变器所在最优位置；
使用有类簇元素数量约束的K-Means聚类方法，对支架的坐标点进行符合最少线损、最短耗材的聚类分析；
在聚类分析得到的每个汇流箱所连接的支架集合中，确定汇流箱最优位置；
将汇流箱至逆变器最优布线路径建模为一个迷宫寻路问题，寻找最优解。
2.根据权利要求1所述的一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，其特征在于，所述使用有类簇元素数量约束的K-Means聚类方法，对支架的坐标点进行符合最少线损、最短耗材的聚类分析具体为：
1)判断需要增加元素还是删除元素；
2)如果是增加元素：从与该类簇邻接的类簇中选取与其他需要调整的类簇距离最近的类簇，从选取的类簇中定位与该类簇相邻的元素，将定位的元素添加至该类簇中；
3)如果是删除元素：定位该类簇中与其他需要调整的类簇距离最近的元素，将定位的元素从该类簇中删除；
如果与该类簇邻接的类簇数量≥1，计算所有“邻接类簇”的质心，选取与该类簇质心中最接近的簇作为相邻类簇，再将该元素即添加至相邻类簇中；
4)判断调整后的类簇元素数量符合要求，如果不符，重复步骤1)，直至调整后的类簇元素数量符合要求；
5)对每个需要调整的类簇，重复步骤1)至4)，直至聚类结果是否符合连接至汇流箱上组串数的要求。
3.根据权利要求1所述的一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，其特征在于，所述在聚类分析得到的每个汇流箱所连接的支架集合中，确定汇流箱最优位置具体为：
将光伏方阵区域、设备所占空间、各支架间的空间进行格子化划分，单位格子的边长为区域平面图上最小支架间距；为每一个格子确定坐标，然后对所有格子指定是否作为通路的属性；将格子坐标集和每个坐标是否作为通路的标记作为方阵的格子模型；
基于方阵格子模型，将每个支架类簇中所有支架的左侧和右侧视为对应汇流箱可能的位置点，计算该位置放置汇流箱后线缆的建设成本和运行后造成电力损耗的加权值，从所有可能的位置点中，选取加权值最低的作为该汇流箱位置。
4.根据权利要求3所述的一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，其特征在于，所述计算该位置放置汇流箱后线缆的建设成本和运行后造成电力损耗的加权值为：
W＝(c1+p1)*L1+(c2+p2)*L2
其中，W表示该汇流箱位置的电缆路由损耗与成本的综合加权值，c1代表组串到汇流箱接线电缆的单位长度建设成本权重参数，p1代表组串到汇流箱接线电缆单位长度线损权重参数，c2代表汇流箱到逆变器接线电缆的单位长度建设成本权重参数，p2代表汇流箱到逆变器接线电缆单位长度线损权重参数，L1代表组串到汇流箱电力线缆的长度，L2代表汇流箱到逆变器电力线缆的长度。
5.根据权利要求1所述的一种光伏系统直流侧布局及路由优化方法，其特征在于，所述将汇流箱至逆变器最优布线路径建模为一个迷宫寻路问题具体为：
将汇流箱作为迷宫的起点，逆变器作为迷宫的终点，支架和区域限制作为障碍物，将方阵格子模型转化为加权图的邻接矩阵，用Dijkstra算法找到最优解。
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