系统电子设备

系统电子设备阶段获取为单个光伏组件计算的直流电输出，并确定系统级的直流和交流性能。

来自模拟单元系统的组件串联连接形成组串，这些组串可以以各种配置定义。然后将这些组串并联连接到逆变器的直流输入端。在每个时间步，逆变器参数决定组合组串的直流工作点和由此产生的交流功率输出。直流布线损耗根据欧姆电阻和工作点电流计算。

此阶段的输出包括每个时间步交付的交流功率、每个组串的直流功率输出以及逆变器输入端的直流功率，以及失配、布线、约束和转换效率相关的损耗。这些损耗在瀑布损耗图页面上有更详细的描述。

组串和阵列

组串定义为包含一定数量的串联连接组件。组串中的每个组件链接到单元系统内的单个特定组件，并采用该组件的IV曲线。单元系统内的组件可以根据需要多次链接。¹ 组串内没有专门定义布线损耗(除了组件内已包含的损耗)。这在阵列级别定义。可以创建多个组串定义,每个组串的输出独立计算。

阵列由以下部分组成:(i) 并联的组件组串,(ii) 逆变器,以及 (iii) 相关布线(包括汇流箱、连接器和其他直流组件)。² 阵列还定义求解选项,例如用于逆变器温度的模型。

组串IV曲线计算

每个组串的直流电输出通过组合组串内所有组件的IV曲线来计算。请注意,这些IV曲线假设组件处于其计算的工作温度,并且已经包括由于电池间失配导致的损耗。

串联组合IV曲线的算法如下:

1. 确定组串内任何组件IV曲线在0V时出现的最大电流($I_{max}$)。

2. 将均匀电流步长($I_{step}$)计算为$I_{limit}$除以正IV步数(高级用户输入,默认设置为300)。

3. 从目标电流($I_{target}$)为$-10 \cdot I_{step}$循环到$I_{limit}$,每次递增$I_{step}$。在每一步,计算在组件电流为$I_{target}$时每个组件产生的直流电压。使用线性插值从每个组件IV曲线的离散IV点确定组件电压。如果目标在记录的IV点范围之外,则根据最接近的两个点进行外推。请注意,这会产生总共310个点。

4. 在每个$I_{target}$处的组串电压($V_{string}$)计算为步骤(3)中确定的所有组件电压之和。从配对$[I_{target}, V_{string}]$构造组串IV曲线。

5. 通过使用二阶多项式拟合来计算组串IV曲线的最大功率点。

请注意,可以定义多个组串定义。在这种情况下,如上所述计算每个组串的输出并记录输出。在此求解点,不同组串定义之间没有连接,这在阵列级别定义(见下一节)。

阵列IV曲线和交流输出

阵列IV曲线的计算

并联组合组串IV曲线的算法如下:

1. 确定任何并联组串IV曲线中出现的最大电压($V_{max}$)。

2. 将均匀电压步长($V_{step}$)计算为$V_{max}$除以正IV步数(高级用户输入,默认设置为300)。

3. 从目标电压($V_{target}$)为0V循环到$V_{max}$,每次递增$V_{step}$。在每一步,计算在组串电压为$V_{target}$时每个并联组串产生的直流电流。使用线性插值从每个组串IV曲线的离散IV点确定组串电流。如果目标在记录的IV点范围之外,则根据最接近的两个点进行外推。

4. 在每个$V_{target}$处的阵列电流($I_{array}$)计算为步骤(3)中确定的所有组串电流之和。从配对$[I_{array}, V_{target}]$构造阵列IV曲线。

5. 通过用二阶多项式拟合生成的曲线来计算阵列IV曲线的最大功率点。

阵列交流输出的计算

交流输出的计算涉及多个步骤,包括直流布线损耗、逆变器输入约束和功率限制。有关这些计算如何出现在模拟输出中的逐步细分,请参阅电能瀑布图。

总体工作流程为:

1. 并联组合组串IV曲线以确定阵列IV曲线
2. 计算直流工作点和布线损耗
3. 应用逆变器输入约束(电压、电流、功率阈值)
4. 使用逆变器效率计算交流输出
5. 应用交流功率限制并计算削峰损耗
6. 在实际工作点重新计算最终损耗

直流工作点和布线损耗

初始直流工作点在阵列最大功率点(MPP)确定:

1. 如上所述,将组串IV曲线并联组合以确定阵列IV曲线。

2. 在阵列MPP处的直流欧姆布线损耗计算为:

   $$\Delta P_{DC \ wiring, \ MPP} = I_{array,MPP}^2 \times R_{DC,wiring}$$

3. 逆变器直流输入端的电流、电压和功率的计算考虑了直流布线电阻上的电压降:

   $$I_{DC,in} = I_{array,MPP}$$ $$V_{DC,in} = V_{array,MPP} - I_{array,MPP} \times R_{DC,wiring}$$ $$P_{DC,in} = I_{DC,in} \times V_{DC,in}$$

逆变器输入约束

确定逆变器工作温度(参见下面的逆变器工作温度部分),然后将直流输入值与逆变器限值进行比较并在必要时进行调整:

1. 按顺序应用以下限制:

   • $P_{DC, thr}$ – 最小阈值功率
   • $V_{MPPT, min}$ – 最大功率点跟踪的最小输入电压
   • $V_{MPPT, max}$ – MPPT的最大输入电压
   • $I_{PNOM, max}$ – 最大输入电流限制

2. 在应用每个约束后,使用根据直流布线电阻调整的阵列IV曲线更新逆变器直流输入端的电流、电压和功率。³ 在某些情况下,必须重新施加先前的约束(特别是确保功率保持在阈值以上)。阵列电压的边界在零和阵列开路电压之间。

3. 这些约束导致的逆变器损耗计算为阵列最大功率点的直流功率与新工作点的功率之间的差值。

交流输出和功率限制

计算交流输出并与逆变器交流功率限制进行比较:

1. 使用直流输入电压和功率计算交流输出功率,包括如下面逆变器转换效率部分所述的逆变器效率。

2. 将交流输出功率与逆变器的交流功率限制(可能取决于逆变器温度)进行比较。如果计算的功率超过限制:

   • 通过增加阵列电压来调整直流工作点
   • 重新计算$I_{DC,in}$、$V_{DC,in}$和$P_{DC,in}$的值以考虑直流布线损耗
   • 此过程继续,直到交流输出功率可接受
   • 如果这导致$V_{DC,in} > V_{MPPT,max}$,逆变器关闭,输出变为0 W$_{AC}$

3. 削峰损耗发生在阵列直流功率将产生超过逆变器额定交流功率限制的交流输出时。损耗计算为阵列在最大功率点的直流功率与调整后以满足功率限制的直流功率之间的差值。这被测量为直流功率损耗。有关这在模拟结果中如何显示,请参阅削峰损耗。

4. 一旦确定了最终工作点,就会重新计算直流布线损耗。通常,该值低于在最大功率点初始计算的值。差值在瀑布图中显示为工作点布线损耗修正。

Inverter operating temperature

The inverter operating temperature may impact the maximum AC power output (affecting the clipping loss). There are three models available to determine the operating temperature of the inverter. These are the same models as used in PVSyst.

1. “External ambient” – uses the ambient temperature from the weather

   $$T_{inverter} = T_{ambient}$$

2. “External ambient with shift”

   $$T_{inverter} = T_{ambient} + T_{offset}$$

3. “Fixed temperature with linear heating”

   $$T_{inverter} = T_{base} + T_{increase} \cdot (G_{inc})$$

Where $T_{ambient}$ comes from the weather file, $G_{inc}$ is calculated using the view factor approach and $T_{offset}$, $T_{base}$, $T_{increase}$ are all user inputs.

Inverter conversion efficiency

The inverter conversion efficiency is used to convert the DC input power into AC output power. The efficiency depends on the DC operating point (DC input voltage and power). For how efficiency losses appear in simulation results, see Inverter loss during operation.

Efficiency is determined using efficiency curves defined as discrete (DC power, AC power) pairs loaded from OND (PVsyst inverter database) files. Two model variants are supported:

Single efficiency curve (voltage-independent): AC output power is calculated by linear interpolation on the AC power axis between the two surrounding DC power points in the curve. Beyond the highest DC power point, the model applies linear extrapolation based on the slope of the last two points.

Multiple efficiency curves (voltage-dependent): The model stores separate efficiency curves at different nominal DC voltages (typically 3 voltages). AC output is calculated using bi-linear interpolation: first interpolating AC power along the DC power axis for each of the two surrounding voltage curves, then interpolating between these results based on the actual DC input voltage.

Note that interpolating on AC power rather than efficiency directly produces a smooth but slightly curved efficiency profile between data points. Further details are available in [Mermoud2014].

Summary of system electronics models

Parameter	Model	Notes	Reference
String IV curve	Series combination	Combines module IV curves in series using interpolation and polynomial fitting to determine string maximum power point
Array IV curve	Parallel combination	Combines string IV curves in parallel using interpolation and polynomial fitting to determine array maximum power point
Inverter constraints	Sequential limits	Four constraints applied in order: $P_{DC,thr}$ (minimum power), $V_{MPPT,min}$, $V_{MPPT,max}$, $I_{PNOM,max}$
Inverter operating temperature	Three model options	External ambient, ambient with shift, or fixed base with linear irradiance-dependent heating
Clipping loss	AC power limiting	Occurs when DC input would produce AC output exceeding inverter rated AC power. Measured as DC loss.
Inverter efficiency		Single-curve (voltage-independent) or multi-curve (bi-linear interpolation) using OND file data	[Mermoud2014]

Footnotes

1. For example, if the unit-system represents a single-axis-tracker with a 2P configuration of 56 modules then one string can be defined to contain 28 east (upper) modules and another string to contain 28 west (lower) modules. Additionally, a third string could be defined that contains 14 east and 14 west modules. ↩

2. Currently the wiring is modelled a single resistance value that accounts for all wiring within the strings, combiner boxes and other components on the DC side. It can be understood as the total resistance seen by the inverter inputs. ↩

3. For example, if the voltage at the inverter input is lower than $V_{min,MPPT}$, then an iterative solution is used to find the array voltage that, after accounting for the voltage drop across the DC wiring resistance, gives an input voltage to the inverter of $V_{min,MPPT}$. ↩