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:

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

确定任何并联组串IV曲线中出现的最大电压( $V_{max}$ )。
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)。
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。
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。
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:

并联组合组串IV曲线以确定阵列IV曲线
计算直流工作点和布线损耗
应用逆变器输入约束(电压、电流、功率阈值)
使用逆变器效率计算交流输出
应用交流功率限制并计算削峰损耗
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:

如上所述,将组串IV曲线并联组合以确定阵列IV曲线。
在阵列MPP处的直流欧姆布线损耗计算为:
$\Delta P_{DC \ wiring, \ MPP} = I_{array,MPP}^2 \times R_{DC,wiring}$
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:

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
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 在每次调整后,重新检查最小功率阈值( $P_{DC, thr}$ )。如果调整后的功率低于阈值,逆变器不产生交流输出,剩余的直流功率记录为约束和阈值的组合损耗。阵列电压的边界在零和阵列开路电压之间。
对于 $V_{MPPT, min}$ 约束,如果阵列开路电压低于 $V_{MPPT, min}$ ,则在任何工作点都无法达到目标电压。在这种情况下,逆变器停止发电,全部阵列直流功率记录为电压约束损耗。
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:

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。
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——参见下面的逆变器交流功率降额部分)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 $_{AC}$
- 如果削峰在先前的 $V_{MPPT, min}$ 或 $I_{PNOM, max}$ 约束之后触发,则削峰损失替代那些约束损失,因为工作点在更高电压下被重新计算
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。
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。

逆变器工作温度

逆变器工作温度可能影响最大交流功率输出(影响削峰损耗)。有三种模型可用于确定逆变器的工作温度。这些模型与PVSyst中使用的模型相同。

“外部环境温度”——使用天气中的环境温度
$T_{inverter} = T_{ambient}$
“外部环境温度加偏移”
$T_{inverter} = T_{ambient} + T_{offset}$
“固定温度加线性加热”
$T_{inverter} = T_{base} + T_{increase} \cdot (G_{inc})$

其中 $T_{ambient}$ 来自天气文件, $G_{inc}$ 使用视角因子方法计算, $T_{offset}$ 、 $T_{base}$ 、 $T_{increase}$ 均为用户输入。

逆变器交流功率降额

逆变器工作温度决定了用于削峰的最大交流功率限制。支持两种可选模式,从逆变器OND文件加载。当两种模式均未激活时,交流功率限制等于逆变器的额定交流功率( $P_{AC,nom}$ )。

超功率模式: 某些逆变器在低温下可以产生超过其额定交流功率的输出。启用此模式时:

当 $T_{inv} \leq T_{PMax}$ 时:交流功率限制等于逆变器的最大额定交流功率( $P_{AC,max}$ ,高于 $P_{AC,nom}$ )
当 $T_{PMax} < T_{inv} < T_{PNom}$ 时:限制在 $P_{AC,max}$ 和 $P_{AC,nom}$ 之间线性插值
当 $T_{inv} \geq T_{PNom}$ 时:限制等于 $P_{AC,nom}$

高温限制: 在高温下,某些逆变器会降低其交流功率限制以防止过热。启用此模式时:

当 $T_{inv} < T_{PNom}$ 时:交流功率限制等于 $P_{AC,nom}$
当 $T_{PNom} \leq T_{inv} < T_{PLim1}$ 时:限制在 $P_{AC,nom}$ 和 $P_{Lim1}$ 之间线性插值
当 $T_{PLim1} \leq T_{inv} < T_{PLimAbs}$ 时:限制在 $P_{Lim1}$ 和 $P_{LimAbs}$ 之间线性插值
当 $T_{inv} \geq T_{PLimAbs}$ 时:限制等于 $P_{LimAbs}$

当同一逆变器同时启用两种模式时,首先评估超功率模式(影响 $T_{PNom}$ 以下的行为),然后评估高温限制(影响 $T_{PNom}$ 以上的行为)。所有温度断点和功率限制均在逆变器的OND文件中定义。

逆变器转换效率

逆变器转换效率用于将直流输入功率转换为交流输出功率。效率取决于直流工作点(直流输入电压和功率)。有关效率损耗如何出现在仿真结果中,请参阅逆变器工作期间的损失(效率)。

效率使用从OND(PVsyst逆变器数据库)文件加载的离散(直流功率,交流功率)对定义的效率曲线来确定。支持两种模型变体:

单效率曲线(与电压无关): 交流输出功率通过在曲线中两个相邻直流功率点之间对交流功率轴进行线性插值来计算。超过最高直流功率点后,模型基于最后两个点的斜率应用线性外推。

多效率曲线(与电压相关): 模型在不同额定直流电压(通常为3个电压)下存储单独的效率曲线。交流输出使用双线性插值计算:首先在每条相邻电压曲线的直流功率轴上插值交流功率,然后根据实际直流输入电压在这些结果之间进行插值。

请注意,对交流功率而非效率直接进行插值会在数据点之间产生平滑但略弯曲的效率曲线。更多详细信息请参阅[Mermoud2014]。

产生的交流输出功率被钳位到最小值零。这可以防止在极低直流输入水平下由于效率曲线外推而可能出现的负交流功率值。

夜间消耗

在阵列不发电的时间步(夜间或极低辐照度)期间,逆变器消耗固定的待机功率用于内部操作。此消耗由逆变器OND文件中的夜间损耗参数( $P_{night}$ )定义。这些时间步的交流功率输出报告为 $-P_{night}$ ,代表从电网汲取的能量。有关此损耗在仿真结果中如何显示的更多详细信息,请参阅夜间消耗。

系统电子设备模型总结

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,

Inverter AC power derating, Piecewise linear, Overpower mode (below

T_{PNom}

) and/or high-temperature limitation (above

T_{PNom}

) adjust the AC power limit based on inverter temperature,

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. AC output clamped to minimum of zero., [Mermoud2014]

Night-time consumption, Fixed standby power, Inverter draws a fixed power from the grid during non-generating timesteps,

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. ↩
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. ↩
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 $V_{min,MPPT}$ . ↩