本文關(guān)鍵詞：基于建筑信息模型的電氣特性計(jì)算仿真

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【摘要】：建筑作為城市的主要功能單元和用能單元,其能耗已經(jīng)超過(guò)總能耗的1/3。如何降低建筑能耗,已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。太陽(yáng)能作為可再生能源中最常見(jiàn)、可利用率高的一種,具有輻射范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、尤其“取之不盡,用之不竭”等優(yōu)點(diǎn),符合國(guó)家提倡的“綠色環(huán)�！薄ⅰ暗吞寂欧拧钡陌l(fā)展方向,是國(guó)家從今往后制定有關(guān)新能源發(fā)展規(guī)劃的主導(dǎo)能源之一。光伏建筑一體化(BIPV, Building Integrated Photovoltaics),通過(guò)將光伏系統(tǒng)與常規(guī)建筑相融合,利用太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能來(lái)提供建筑使用,已成為世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)建筑智能化和智能電網(wǎng)研究的重點(diǎn)。光伏建筑一體化是與建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工和安裝并與建筑物形成完美結(jié)合的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分,既具有發(fā)用電功能,又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能,甚至還可以提升建筑物的美感,與建筑物形成完美的統(tǒng)一體。然而,在現(xiàn)實(shí)的光伏建筑設(shè)計(jì)中,光伏發(fā)電系統(tǒng)及建筑用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建筑本身的設(shè)計(jì)被分割為兩個(gè)獨(dú)立和割裂的設(shè)計(jì)過(guò)程。建筑設(shè)計(jì)和光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)分別由建筑行業(yè)和電力行業(yè)各自獨(dú)立完成,極易由于光伏發(fā)電與建筑之間的相關(guān)性比如建筑的遮擋、二者數(shù)據(jù)信息的不匹配、建筑的電氣科學(xué)設(shè)計(jì)的支持不足等導(dǎo)致建筑電氣設(shè)計(jì)的不合理,造成建筑電氣潮流不必要的損耗以及電氣安全等問(wèn)題,亟需一個(gè)能夠提供一體化光伏建筑設(shè)計(jì)電氣相關(guān)的支持平臺(tái)。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：61202050)、浙江省重大技術(shù)專項(xiàng)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013C01039)的支持下,主要以光伏建筑一體化為研究對(duì)象,采用建筑信息模型(BIM, Building Information Model)系統(tǒng)地研究了光伏建筑一體化的建筑模型和電氣模型,對(duì)設(shè)施物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字表達(dá)。針對(duì)兩者在實(shí)際工程中的關(guān)聯(lián)性,本文基于BIM從模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)獲取、電氣仿真融合與電氣優(yōu)化四方面展開(kāi)系統(tǒng)研究,主要完成的工作為：(1)采用理論分析與測(cè)試研究相結(jié)合的方法進(jìn)行光伏建筑模型一體化構(gòu)建。將光伏建筑一體化分為建筑設(shè)計(jì)與光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)兩種可以同時(shí)并行設(shè)計(jì)的基本類型；利用模型二次開(kāi)發(fā)的方法在Autodesk Revit的軟件平臺(tái)上對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行建筑模型的構(gòu)建,對(duì)光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)進(jìn)行電氣模型的構(gòu)建；對(duì)Autodesk Revit的軟件平臺(tái)提供給二次開(kāi)發(fā)者進(jìn)行功能可擴(kuò)展的API,賦予了光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)的電氣模型所需要的電氣特性參數(shù)。(2)獲取電氣仿真所需的BIM模型中相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。主要包括電力設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣信息、土壤和接地網(wǎng)信息等。通過(guò)基于電氣設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)ID對(duì)電氣模型進(jìn)行過(guò)濾,遍歷整個(gè)電力系統(tǒng)的所有電氣設(shè)備得到整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。對(duì)所獲得的信息整理歸類分為負(fù)載設(shè)備、配電設(shè)備、供電設(shè)備以及設(shè)備間的正確連接,并進(jìn)一步對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行處理,得到合適的數(shù)據(jù)格式,為后期的潮流計(jì)算和短路分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支持。對(duì)于土壤和接地網(wǎng)模型是建立在族模板的基礎(chǔ)上,通過(guò)Revit SDK所提供的編程接口進(jìn)行讀取其相關(guān)的電氣特性信息,結(jié)合短路分析結(jié)果為安全計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支持。(3)基于BIM模型實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的電氣仿真的融合。通過(guò)在BIM模型中構(gòu)建了所需求的電力系統(tǒng)并且獲得了電氣仿真所需的電氣特性參數(shù)；基于所獲取的電氣參數(shù)進(jìn)行了潮流計(jì)算分析,得到電力系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的電壓分布和功率分布以及網(wǎng)絡(luò)中的電能損耗；基于潮流計(jì)算所得到的電力系統(tǒng)潮流分布進(jìn)行了短路電流分析,通過(guò)比較所計(jì)算出的電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路電流得到整個(gè)系統(tǒng)中的最大短路電流；基于所獲取的土壤、接地網(wǎng)信息及最大短路電流進(jìn)行了接地網(wǎng)安全分析,得到接地網(wǎng)的地面電位分布、接觸電壓分布和跨步電壓分布,同時(shí)進(jìn)行了3D的可視化顯示。(4)基于IEEE-2000-80th標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地網(wǎng)在滿足接觸電壓和跨步電壓的允許范圍內(nèi)進(jìn)行成本最小優(yōu)化,得到最經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)下滿足合理運(yùn)行的最佳接地網(wǎng)設(shè)計(jì)；由工程實(shí)例仿真驗(yàn)證,當(dāng)優(yōu)化水平接地網(wǎng)時(shí),成本降低3.4%；當(dāng)優(yōu)化水平接地網(wǎng)和垂直接地體時(shí),成本降低31%。對(duì)分布式光伏接入問(wèn)題進(jìn)行分析,考慮在光伏發(fā)電一定時(shí),從電網(wǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)行角度分析最小網(wǎng)損和最少成本之間的矛盾關(guān)系,以權(quán)重因子衡量網(wǎng)損和成本對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和安全指標(biāo)產(chǎn)生的影響并進(jìn)一步將其歸一化作為綜合目標(biāo),利用遺傳算法計(jì)算光伏發(fā)電的最佳接入點(diǎn)。由工程實(shí)例仿真驗(yàn)證,網(wǎng)絡(luò)損耗降低了9.66%,成本降低了21.33%,綜合兩目標(biāo)后的成本降低了19.14%。本文提出了基于BIM的光伏建筑一體化設(shè)計(jì),構(gòu)建了光伏建筑統(tǒng)一模型,在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)不僅提供了建筑信息,而且提供了電氣信息,實(shí)現(xiàn)了光伏建筑全生命周期設(shè)計(jì),有效地簡(jiǎn)化了模型的復(fù)雜度和多模型間的共享性；基于BIM技術(shù)對(duì)構(gòu)建模型具有存儲(chǔ)功能,BIM中的信息可以完全自動(dòng)讀取,避免了手動(dòng)輸入的錯(cuò)操作,有效地提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性；基于BIM技術(shù)對(duì)光伏建筑的電氣模型設(shè)計(jì)進(jìn)行了電氣仿真,檢驗(yàn)了電氣設(shè)計(jì)的合理性,有效指導(dǎo)電氣的安全設(shè)計(jì)；基于BIM技術(shù)對(duì)安全計(jì)算的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,有效降低了成本；對(duì)分布式光伏定容選址進(jìn)行優(yōu)化,有效降低了網(wǎng)損和成本。
【關(guān)鍵詞】：電氣 建筑 潮流計(jì)算 短路分析 安全計(jì)算 接地網(wǎng) BIM BIPV 分布式光伏 最佳接入點(diǎn)
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU85;TU17
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-27
• 1.1 光伏建筑一體化是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇12-14
• 1.1.1 能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型12-13
• 1.1.2 節(jié)能減排13
• 1.1.3 防災(zāi)備用13
• 1.1.4 電能安全13-14
• 1.2 分布式光伏發(fā)電的特點(diǎn)14-15
• 1.3 分布式光伏發(fā)展概述15-18
• 1.3.1 發(fā)展歷史15-16
• 1.3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀16-18
• 1.4 光伏建筑一體化18-21
• 1.4.1 光伏建筑一體化的發(fā)展概況18-19
• 1.4.2 應(yīng)用現(xiàn)狀19-21
• 1.5 BIM的發(fā)展概況與應(yīng)用現(xiàn)狀21-22
• 1.6 光伏建筑一體化的不足22-23
• 1.7 課題來(lái)源與主要研究?jī)?nèi)容23-27
• 1.7.1 課題來(lái)源23-24
• 1.7.2 主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.7.3 技術(shù)路線25-27
• 2 光伏建筑模型的構(gòu)建27-35
• 2.1 引言27-30
• 2.1.1 BIPV的系統(tǒng)論概述27
• 2.1.2 BIPV的協(xié)同學(xué)概述27-28
• 2.1.3 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的BIPV協(xié)同學(xué)概述28
• 2.1.4 基于BIM的BIPV設(shè)計(jì)28-30
• 2.2 建筑模型的構(gòu)建30-31
• 2.3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣模型的構(gòu)建31-34
• 2.3.1 基于BIM的建筑電氣模型構(gòu)建31-33
• 2.3.2 土壤及接地網(wǎng)模型構(gòu)建33-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 3 模型信息的獲取35-38
• 3.1 引言35
• 3.2 建筑信息的獲取35
• 3.3 電氣信息的獲取35-37
• 3.3.1 電力設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣信息獲取35-37
• 3.3.2 接地網(wǎng)和土壤信息的精確獲取37
• 3.4 本章小結(jié)37-38
• 4 基于光伏建筑的電氣仿真與 3D顯示38-51
• 4.1 引言38
• 4.2 潮流計(jì)算38-39
• 4.2.1 潮流計(jì)算概述38-39
• 4.2.2 接入光伏的潮流計(jì)算39
• 4.3 短路分析39-41
• 4.3.1 短路電流概述39-40
• 4.3.2 基于光伏建筑的短路分析40-41
• 4.4 接地網(wǎng)安全計(jì)算41-47
• 4.4.1 安全計(jì)算概述41-42
• 4.4.2 基于光伏建筑的安全計(jì)算42-47
• 4.5 計(jì)算結(jié)果的 3D輸出47-48
• 4.6 數(shù)據(jù)驗(yàn)證和工程案例分析48-50
• 4.6.1 電氣仿真計(jì)算精度驗(yàn)證48
• 4.6.2 實(shí)例分析48-50
• 4.7 本章小結(jié)50-51
• 5 基于光伏建筑的電氣優(yōu)化51-63
• 5.1 引言51
• 5.2 基于光伏建筑的接地網(wǎng)優(yōu)化51-53
• 5.2.1 優(yōu)化水平接地體51-52
• 5.2.2 實(shí)例分析52
• 5.2.3 優(yōu)化水平接地體和垂直接地體52-53
• 5.2.4 實(shí)例分析53
• 5.3 基于光伏建筑的光伏發(fā)電最佳接入點(diǎn)優(yōu)化53-61
• 5.3.1 光伏發(fā)電最佳接入點(diǎn)概述53-54
• 5.3.2 基于遺傳算法的最佳接入點(diǎn)分析54-58
• 5.3.3 實(shí)例分析58-61
• 5.4 本章小結(jié)61-63
• 6 總結(jié)和展望63-66
• 6.1 總結(jié)63-64
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)64
• 6.3 展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-69
• 在讀碩士期間取得的科研成果69-70
• 附錄一：關(guān)于BIPV Analysis70-81
• 致謝81

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本文編號(hào)：845157