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SunSolve

系统电子学

系统电子学将单位系统内光伏组件的DC电气输出转换为串的DC输出和阵列的AC输出。来自单位系统的光伏组件可以以不同配置串联连接，以定义一个或多个串。然后，这些串可以并联连接到逆变器的DC输入。逆变器的参数然后确定每个时间步长串的DC工作点和随后的AC输出。阵列定义还包括欧姆布线电阻，该电阻与工作点电流结合以计算布线损耗。

系统电子学的输出是每个时间步长提供的AC功率以及每个串的DC功率输出和逆变器输入处看到的DC功率。

下表提供了系统电子学模型的摘要。

参数模型注释参考文献
组件间失配IV曲线组合计算为以下差异：（1）串中每个组件的独立最大功率输出的总和和（2）所有组件串联连接时计算的串最大功率点。
DC布线损耗简单模型应用PVSyst中使用的”逆变器看到的平均电阻”模型[Mermoud2014]
逆变器效率PVSyst模型使用线性插值来确定任何DC工作输入条件下的效率。[Mermoud2014]
Sandia模型逆变器效率的参数化模型。[King2007]

光伏组件串

Section titled “光伏组件串”

串定义为包含一定数量的串联连接组件。串中的每个组件链接到单位系统内的单个特定组件，并假设该组件的IV曲线。单位系统内的组件可以根据需要链接任意次数。1 串内没有专门定义布线损耗（除了组件内已包含的损耗）。这是在阵列级别定义的。

DC串IV曲线的计算

Section titled “DC串IV曲线的计算”

通过组合串内所有组件的IV曲线来计算每个串的DC电气输出。请注意，这些IV曲线假设组件处于其计算的工作温度（参见第8节），并且已经包括由于电池间失配造成的损耗。

串联组合IV曲线的算法如下：

  1. 确定串内任何组件IV曲线在0 V处发生的最大电流（Imax）。

  2. 将均匀电流步长（Istep）计算为Ilimit除以正IV步数（默认设置为300的高级用户输入）。

  3. 从目标电流（Itarget）为-10·Istep循环到Ilimit，增量为Istep。在每一步，计算每个组件的DC电压，该电压将由Itarget的组件电流产生。组件电压由使用线性插值的每个组件IV曲线的离散IV点确定。如果目标在记录的IV点之外，则基于最接近的两点投影。请注意，这导致总共310个点。

  4. 每个Itarget处的串电压（Vstring）计算为（3）中确定的所有组件电压的总和。从对[Itarget，Vstring]构造串IV曲线。

  5. 通过用二阶多项式拟合来计算串IV曲线的最大功率点。

请注意，可以定义多个串定义。在这种情况下，每个串的输出按上述方式计算并记录输出。此时求解中不同串定义之间没有连接，这是在阵列级别定义的（参见下一节）。

阵列

Section titled “阵列”

阵列由（i）并联组件串，（ii）逆变器，以及（iii）相关布线（包括汇流箱、连接器和其他DC组件）组成。2 它还定义了一些求解选项，例如用于逆变器温度的模型。

阵列IV曲线的计算

Section titled “阵列IV曲线的计算”

并联组合串IV曲线的算法如下：

  1. 确定任何并联串IV曲线中发生的最大电压（Vmax）。

  2. 将均匀电压步长（Vstep）计算为Vmax除以正IV步数（默认设置为300的高级用户输入）。

  3. 从目标电压（Vtarget）为0 V循环到Vmax，增量为Vstep。在每一步，计算每个并联串的DC电流，该电流将由Vtarget的串电压产生。串电流由使用线性插值的每个串IV曲线的离散IV点确定。如果目标在记录的IV点之外，则基于最接近的两点投影。

  4. 每个Vtarget处的阵列电流（Iarray）计算为步骤（3）中确定的所有串电流的总和。从对[Iarray，Vtarget]构造阵列IV曲线。

  5. 通过用二阶多项式拟合结果曲线来计算阵列IV曲线的最大功率点。

阵列AC输出的计算

Section titled “阵列AC输出的计算”

计算阵列AC输出（包括损耗）的算法如下：

  1. 确定串IV曲线，然后并联组合以确定阵列IV曲线。这在上面已经描述。

  2. 使用步骤（1）中的阵列电流和全局布线电阻计算阵列最大功率点（MPP）处的DC欧姆布线损耗。

    1. ΔP∗DC wiring, MPP=I∗array,MPP×R_DC,wiring\Delta P*{DC \ wiring, \ MPP} = I*{array,MPP} \times R\_{DC,wiring}

  3. 计算逆变器DC输入处的电流、电压和功率。这实际上是MPP处的阵列值，减去DC布线电阻引起的电压和功率损耗：

    1. I∗DC,in=I∗array,MPPI*{DC,in} = I*{array,MPP}
    2. V∗DC,in=V∗array,MPP−I∗array,MPP×R∗DC,wiringV*{DC,in} = V*{array,MPP} - I*{array,MPP} \times R*{DC,wiring}
    3. P∗DC,in=I∗DC,in×V_DC,inP*{DC,in} = I*{DC,in} \times V\_{DC,in}

  4. 确定逆变器的工作温度（参见第10.4节）。

  5. 将IDC,inI_{DC,in}、VDC,inV_{DC,in}和PDC,inP_{DC,in}的值与逆变器模型施加的限制进行比较。这些限制按以下顺序应用：

    1. PDC,thrP_{DC, thr} – 最小阈值功率
    2. VMPPT,minV_{MPPT, min} – 最大功率点跟踪（MPPT）的最小输入电压
    3. VMPPT,maxV_{MPPT, max} – MPPT的最大输入电压
    4. IPNOM,maxI_{PNOM, max} – 最大输入电流限制

  6. 在（5）中的每一步之后，更新逆变器DC输入处的电流、电压和功率。使用针对DC布线电阻调整的阵列IV曲线计算新值。3 在某些情况下，这需要重新施加先前的约束，最值得注意的是功率没有降到阈值功率水平以下。（请注意，阵列电压不能增加超过阵列VOC点，也不能降低到零以下。）

  7. 由于这些约束的逆变器损耗计算为阵列最大功率点和新工作点功率之间的DC功率差异。

  8. 使用逆变器DC输入处的电压和功率计算逆变器处的AC输出功率。此步骤包括第10.5节中描述的逆变器效率

  9. 将AC输出功率与逆变器的AC功率限制进行比较。请注意，AC功率限制可能取决于逆变器 温度。如果计算的功率大于限制，则调整阵列的DC工作点。这是通过 增加阵列电压并重新计算IDC,inI_{DC,in}、VDC,inV_{DC,in}和PDC,inP_{DC,in}的值（以考虑DC布线损耗）来实现的 直到AC输出功率可接受。如果这导致输入电压增加超过电压限制 （即，VDC,in>Vmax,MPPTV_{DC,in} > V_{max,MPPT}），则 逆变器关闭，输出功率变为0 WAC。

  10. 削波损耗计算为阵列在最大功率点的DC功率与阵列在上一步中调整以满足功率限制后的DC功率之间的差异。请注意，这是DC功率损耗。

  11. 一旦知道阵列的最终工作点，重新计算由于DC布线电阻造成的损耗。通常此值低于在最大功率点计算的值。

逆变器工作温度

Section titled “逆变器工作温度”

逆变器工作温度可能影响最大AC功率输出。有三个可用模型来确定逆变器的工作温度。这些是PVSyst中使用的相同模型。

  1. “外部环境” – 使用气象中的环境温度

    Tinverter=TambientT_{inverter} = T_{ambient}

  2. “带偏移的外部环境”

    Tinverter=Tambient+ToffsetT_{inverter} = T_{ambient} + T_{offset}

  3. “具有线性加热的固定温度”

    Tinverter=Tbase+Tincrease⋅(Ginc,front)T_{inverter} = T_{base} + T_{increase} \cdot (G_{inc,front})

其中TambientT_{ambient}来自气象文件，Ginc,frontG_{inc,front}被计算（参见第8.1节），ToffsetT_{offset}、TbaseT_{base}、 TincreaseT_{increase}都是用户输入。

逆变器转换效率

Section titled “逆变器转换效率”

逆变器转换效率用于将DC输入功率转换为AC输出功率。根据逆变器模型，这可能包括DC工作点（即DC输入电压和电流）的影响。目前有两个模型可用于此。PVSyst模型（其输入在*.OND文件中描述）和Sandia模型。目前（截至2025年2月），只有PVSyst模型可供一般用户使用。

PVSyst逆变器模型

Section titled “PVSyst逆变器模型”

该模型按[Mermoud2014]中所述实现。

Sandia逆变器模型

Section titled “Sandia逆变器模型”

可以使用Sandia方法对逆变器转换效率进行建模。4 它考虑了功率的自耗，并包括效率对DC功率和DC电压的依赖性。

SunSolve实现Sandia逆变器模型的一些特性如下：

  • 该模型仅对可以访问高级选项的用户可用。

  • 包括夜间功耗，并在（1）GHI为零，（2）产量求解期间发生”错误”，或（3）排除DC计算的任何小时应用。5

  • 忽略逆变器效率对环境温度的依赖性。6

  • 忽略与温度相关的降额。7

  • 功率削波基于最小DC功率和最大AC功率。

  • 不强制执行电压或电流限制。

  • 表VIII总结了用于模拟逆变器的输入。Sandia模型通过一组四个系数（C0到C3）提供逆变器效率曲线的参数化。

表VIII： 用于模拟现场性能的逆变器输入[King2007]。

属性单位符号
MPPT数量
最大AC功率WACPAC0
最大DC功率WDCPDC0
标称AC电压VAC
标称DC电压VDC
最大DC电流ADC
最大DC电压VDC
最小MPPT DC电压VDC
最大MPPT DC电压VDC
夜间功耗WAC
运行期间功耗WDCPS0
Sandia 2007系数
AC输出功率对DC输入功率的曲率1/WACC0
允许PDC0随DC电压输入线性变化的经验系数1/VDCC1
允许PS0随DC电压输入线性变化的经验系数1/VDCC2
允许C0随DC电压输入线性变化的经验系数1/VDCC3
  • 运行时逆变器的AC输出功率（PAC）使用以下计算： PAC=[PAC0A−B−C⋅(A−B)]⋅(PDC−D)+C⋅(PDC−D)2P_{AC} = \left[ \frac{P_{AC0}}{A - B} - C \cdot (A - B) \right] \cdot (P_{DC} - D) + C \cdot (P_{DC} - D)^2 A=PDC0⋅[1+C1(VDC−VDC0)]A = P_{DC0} \cdot [1 + C_1(V_{DC} - V_{DC0})] B=PS0⋅[1+C2(VDC−VDC0)]B = P_{S0} \cdot [1 + C_2(V_{DC} - V_{DC0})] C=C0⋅[1+C3(VDC−VDC0)]C = C_0 \cdot [1 + C_3(V_{DC} - V_{DC0})]

下图显示了SunSolve中模拟的模型与示例逆变器模型的CEC数据库测量值的比较。

SMA SC4000 UP逆变器效率 相对于最大AC功率的百分比，显示三个不同DC电压 （MPPT最小值、MPPT最大值和标称值）。CEC数据库测量值显示为 符号，SunSolve中的Sandia 2007模型实现显示为线。

Footnotes

Section titled “Footnotes”

  1. 例如，如果单位系统表示具有56个组件的2P配置的单轴跟踪器，则可以定义一个串包含28个东（上）组件，另一个串包含28个西（下）组件。此外，可以定义包含14个东和14个西组件的第三个串。 ↩

  2. 目前，布线被建模为单个电阻值，该值考虑了串内、汇流箱和DC侧其他组件中的所有布线。它可以理解为逆变器输入看到的总电阻。 ↩

  3. 例如，如果逆变器输入处的电压低于Vmin,MPPT，则使用迭代求解来找到阵列电压，该电压在考虑DC布线电阻上的电压降后，给逆变器的输入电压为Vmin,MPPT。 ↩

  4. 有关方程的描述，请参阅PV Performance Modeling Collaborative（PVPMC）网站：https://pvpmc.sandia.gov/modeling-steps/dc-to-ac-conversion/sandia-inverter-model/ ↩

  5. 例如，太阳天顶角在88和90°之间的时间步长不包括在DC功率计算中。 ↩

  6. 对于环境温度变化20°C，此损耗通常为逆变器效率的0.15%abs。 ↩

  7. 这是一些逆变器中实现的保护机制，如果它们过热（以避免对逆变器造成物理损坏），它们将关闭。 ↩