光伏模拟软件对比：交流侧电气建模

概述

本文承接 直流侧电气建模一文，该文涵盖了从光伏电池经直流电缆和逆变器转换，直至逆变器端子交流输出的模拟过程。交流侧始于逆变器输出，终于并网点。

本文涵盖五个建模环节：

• 辅助损失 ——电站上非光伏设备（监控、跟踪支架、照明、暖通空调）所消耗的电能

• 交流电缆损失 ——逆变器、各变压器级与电网之间导体上的欧姆损失

• 变压器损失 ——从低压到中压（LV 至 MV）以及从中压到高压（MV 至 HV）升压变压器上的铁损和铜损

• 并网连接 ——与电网互联点处的有功功率限制、无功功率和限电

• 系统可用率损失 ——由内部或外部因素导致的向电网送电受限

六款模拟软件各自以不同的模型、默认值以及在模拟链条中的不同施加位置来实现这些环节。关于对比设置（场址、系统配置、版本号以及偏差/RMSE 的定义），请参见 设置与测试方法。

辅助损失

辅助损失是电站上非光伏设备所消耗的电能：监控系统、跟踪支架驱动装置、安防照明、逆变器房的通风与暖通空调，以及交流母线上的任何其他电气负荷。它们分为白昼负荷（在电站发电期间取用）和夜间负荷（在无发电时从电网取用）。

辅助损失建模

共有三种方法：

• 明确区分白昼与夜间建模 （Solargis Evaluate、PVsyst、SolarFarmer）将白昼耗电（恒定或与逆变器输出成比例，并设有逆变器功率阈值，低于该阈值则不施加该负荷）与夜间耗电（通常为恒定值）区分开来。SolarFarmer 还增加了电站级或逆变器级的定义方式。

• 仅计逆变器自耗电 （SAM）在逆变器模型内部计入逆变器待机和夜间损失，但不单独建模辅助设备。

• 不建模 （Solargis Prospect、pvlib）将辅助损失并入可用率损失，pvlib 也允许在用户自定义代码中实现。

对于设计良好的电站，辅助损失通常远低于年度 PVOUT 的 1%，但会随跟踪支架数量、电站地理跨度以及需要主动冷却的气候条件而上升。夜间耗电对寒冷气候地区的电站而言颇为可观：从电网取用的电量并非发电损失，但会减少净送出电量。Solargis Prospect 和 pvlib 没有内置辅助损失模型，SAM 也仅计入逆变器自耗电。在这三种情形下，其余的辅助耗电必须被吸收进可用率百分比中，或另行量化。

方法学对比

表 1：各模拟软件的辅助损失建模方法。

数值结果

结果针对 设置与测试方法 一文中定义的六个测试场址和四种系统配置计算。

由于 pvlib 没有内置模型（表 1），其辅助损失是通过自定义代码实现的。仅 Solargis Evaluate、PVsyst 和 pvlib 提供独立的辅助损失序列，其对比见图 1 和图 2。在所有场址和配置下，偏差保持在 ±0.04% 以内，RMSE 低于 0.10%。在输入数值相同的情况下，不同的实现方式对模拟发电量产生的差异微乎其微。这些差异比下文所报告的交流侧合并损失差异小一个数量级以上。

图 1：pvlib 和 PVsyst 相对于 Solargis Evaluate 的辅助损失偏差，以进入该环节的逆变器输出交流功率的百分比表示，按支架配置在六个测试场址上给出。

图 2：pvlib 和 PVsyst 相对于 Solargis Evaluate 的辅助损失 RMSE，以进入该环节的逆变器输出交流功率的百分比表示，按支架配置在六个测试场址上给出。

交流电缆损失

交流电缆损失是逆变器输出与并网点之间（经由任何变压器级）导体上的欧姆损失。其基本损失机理与 直流侧电气建模中所述的直流电缆导体电阻发热相同： 。交流侧的不同之处在于该链条通常跨越多个电压等级，且部分模拟软件将交流电缆损失与变压器损失合并为单一系数。

交流电缆损失通常为发电量的 1% 至 3%。对于具有较长中压或高压电缆线路的公用事业规模电站，采用单一数值还是多级建模的选择最为关键——忽略这些环节可能使交流总损失被低估半个百分点甚至更多。对于电缆线路较短且仅有单一变压器级的电站，单一数值近似已足够适用。

交流电缆损失建模

有若干种方法：

• 基于物理电阻与模拟电流 （Solargis Evaluate、Solargis Prospect、PVsyst）在每个时间步计算交流线路上的 。

• STC（标准测试条件）百分比替代法 是常见的输入形式，该百分比会被反算为电阻值。

• 与变压器合并的聚合损失系数 是 SAM 的方法：交流电缆损失与变压器损失合并为施加于逆变器输出的单一交流损失系数。

• 部分覆盖 是 SolarFarmer 的方法：对逆变器与其变压器之间的低压电缆建模，但忽略中压和高压交流电缆。pvlib 未记载具体方法，由用户自行实现。

电压等级

实际的光伏电站包含若干交流电压等级——逆变器与第一台变压器之间的低压（LV）、各变压器级之间的中压（MV），以及电力变压器与并网点之间的高压（HV）。参与对比的各模拟软件对其中部分或全部等级建模，且方式各不相同，详见下方表 2。

详细设计支持

Solargis Evaluate 的电缆选型工具可接受明确的电缆参数（长度、直径、布置方式、电阻率）以及符合表 2 所列 IEC 标准的自定义路径。这在详细设计阶段颇为重要，此时场址专属的电缆走线已知，而百分比近似对于该电站的布局而言过于粗略。

方法学对比

表 2：各模拟软件的交流电缆损失建模、输入及选型工具对比。

数值结果

各模拟软件以不同的粒度输出交流侧损失，这使得无法对该环节单独进行公平对比。因此，交流侧损失的数值结果在 并网连接 一节中给出，将交流电缆损失、 变压器损失和 并网连接损失合并呈现。

变压器损失

变压器将逆变器交流输出升压至更高电压以便输电。变压器损失通常为年发电量的 1% 至 2%，并分为两个随时间表现不同的分量：

• 铁损 （空载损失）源自铁芯磁化。只要变压器带电，铁损即保持恒定：夜间所消耗的绝对千瓦数与发电高峰时相同。

• 铜损 （负载损失）与绕组电流的平方成正比。在低输出时急剧下降，在高输出时上升。

这一时间特性差异在容量系数较低时最为重要，例如冬季白昼短的高纬度地区或遮挡严重的场址。在全年范围内，铁损占变压器总损失的比重会高于铭牌满载百分比所显示的水平。单一效率百分比无法体现这种时间依赖性，并可能使变压器总损失出现零点几个百分点的偏差。

建模方法

共有三类模型：

• 双损失物理模型 （Solargis Evaluate 的专有模型、PVsyst 的显式铁损＋铜损公式、pvlib 的简单效率模型）将两个损失分量分开处理，因此只要变压器带电，铁损即为恒定，而铜损随负载电流的平方变化。SolarFarmer 将空载与满载欧姆损失分开（概念上类似）。

• 简单效率模型 （Solargis Prospect）将损失归并为单一效率系数。Solargis Evaluate 将此作为可选的覆盖项提供（标准 1% 损失、高效 0.9% 损失，或自定义）。

• 与交流损失合并 （SAM）将变压器铁损和铜损并入同时也包含交流电缆损失的聚合交流损失系数中。

多级支持

许多公用事业规模电站设有两级变压器：

1. 位于逆变器基座处将 LV 升至 MV 的逆变器变压器，以及

2. 位于并网点处将 MV 升至 HV 的单台电站变压器。

表 3 显示了哪些模拟软件分别对各级建模。

夜间断电

PVsyst 支持可选的夜间断电功能：变压器在夜间失电，从而消除非发电时段的铁损。Solargis Evaluate 默认保持变压器持续带电。在不具备该选项的情形下，夜间铁损会被吸收进年度损失数值中。

变压器容量选型

铁损和铜损是变压器额定功率的函数，因此所选变压器容量会影响损失计算。Solargis Evaluate 提供三种选型模式（表 3）；其他模拟软件通过变压器规格来处理这一问题。

方法学对比

表 3：各模拟软件的变压器损失建模方法。

数值结果

各模拟软件以不同的粒度输出交流侧损失，这使得无法对该环节单独进行公平对比。因此，交流侧损失的数值结果在 并网连接 一节中给出，将 交流电缆损失、变压器损失和 并网连接损失合并呈现。

并网连接

并网点是电站与电网运营商网络的接口所在。模拟软件的并网连接模型决定了电站在模拟过程中必须遵守哪些限制和信号：有功功率限制（限电）、无功功率或功率因数要求，以及运行约束。这些约束在模拟链条中施加的位置会影响限电与上游损失之间的相互作用。

对于位于输电受限或可再生能源渗透率高的电网中、预计会频繁限电的电站，限电与削峰之间的相互作用会改变所建模的送出总电量。当限电信号在模拟期内发生变化时，静态限值可反映平均限电行为，但无法反映期内的变化。表 4 显示了哪些模拟软件直接表征时间变化，以及哪些对无功支撑建模。

限电建模

共有三种方法：

• 逆变器层面按时间步施加 （Solargis Evaluate、PVsyst）将限值施加于每个模拟步，并通过降低各逆变器的最大功率点（MPP）目标值来在逆变器之间分配该约束。Solargis Evaluate 施加单一静态限值，在整个模拟期内保持恒定。PVsyst 既支持静态限值（施加于逆变器额定值或注入点，逆变器多发以补偿下游损失），也支持通过小时级电网限值文件实现随时间变化的限电。

• 模拟结束时扣减 （SAM、SolarFarmer）将限电作为模拟后对聚合输出的削减来施加，可为恒定百分比、小时级损失，或带自定义时段的小时级损失。

• 不建模 （Solargis Prospect、pvlib）将电站在并网点视为无限制。

无功功率与功率因数

光伏电站可通过调整其输出功率因数（cos φ）来输出无功功率。该功能会影响送入电网的有功（有用）功率。所对比软件对该功能的建模细节见下方表 4。

施加时机

当限电在逆变器层面按时间步施加时，它会与削峰正确地相互作用：被限至低于交流铭牌值的逆变器可供削峰的直流功率更少，因此削峰损失下降而限电损失上升。从 PVOUT 中扣减的总电量可能与简单的百分比削减存在可测量的差异。当限电作为模拟结束时的扣减来施加时，上游所建模的削峰损失不受影响，而扣减电量是针对已完成模拟的 PVOUT 计算的——此时削峰与限电之间的损失归属便不再反映现实中会发生的情况。

方法学对比

表 4：各模拟软件的并网连接建模方法。

数值结果

各模拟软件以不同的粒度输出交流侧损失，这使得无法对该环节单独进行公平对比。因此，交流侧损失的数值结果在本节中给出，将 交流电缆损失、 变压器损失和并网连接损失合并呈现。

尽管这些结果合并了三个交流侧损失环节，一致性仍然很高：在全部 72 个案例中，偏差保持在 ±0.9% 以内，RMSE 低于 1.2%。这些差异属于系统性差异而非随机差异。在所有场址和配置下，PVsyst 计算出的交流侧损失均小于 Solargis Evaluate。pvlib 的偏差平均接近于零，但在不同场址间会改变符号。SAM 在 24 个案例中的 21 个计算出更大的损失，例外是 Dharan 和 Yaren 的双面跟踪配置，以及 Yaren 的固定倾角单面配置。

对于全部三款模拟软件，能够提高电站出力的设计选择同时也会降低偏差：几乎在每个场址上，双面配置的偏差都低于单面配置，跟踪支架的偏差都低于固定倾角。作为出力最高的配置，双面跟踪在每个场址上对每款模拟软件都呈现最低的偏差。 三款独立开发的模拟软件表现出一致的走向，说明问题指向参考对象：Solargis Evaluate 的交流侧损失随负载增长的速度快于其他软件。这一规律符合电阻性处理方式的特征，即电缆损失和铜损随电流的平方变化，而按输出百分比计的系数则使损失占比保持不变。

图 3：pvlib、PVsyst 和 SAM 相对于 Solargis Evaluate 的交流侧损失偏差，以进入该环节的逆变器输出交流功率的百分比表示，按支架配置在六个测试场址上给出。

图 4：pvlib、PVsyst 和 SAM 相对于 Solargis Evaluate 的交流侧损失 RMSE，以进入该环节的逆变器输出交流功率的百分比表示，按支架配置在六个测试场址上给出。

系统可用率损失

可用率损失涵盖尽管有可用辐照度但电站无法送出电能的时段。它在概念上与本文前面讨论的按时间步计的损失不同：后者代表导体和部件上的物理能量损失，而可用率损失代表电站本可发电却未发电的停运情形。

此处区分两类物理来源：

• 内部可用率损失 涵盖电站侧的停运：设备故障、计划检修、故障响应时间

• 外部可用率损失 涵盖电网侧的停运：输电故障、电网运营商下达的限电指令、影响电网的不可抗力事件。两者在运行和合同层面的含义不同——内部由电站运营方负责，外部通常由电网运营商或购电方承担。

内部与外部的划分使运营方能够区分电站可靠性与电网可用性。这种区分在可融资性研究中具有实际意义，因为两者分别与贷款方和购电方谈判确定。单一合并数值会丧失这一区分，而按时段定义可用率损失则可使计划检修依据已知的季节性发电情况来安排。

建模方法

各模拟软件中存在五种不同的处理方式：

• 内部/外部划分 （Solargis Evaluate）将两类分开，并各自以百分比施加于聚合后的年度长期 PVOUT。

• 定义时段或百分比 （PVsyst）支持总体百分比，或模拟年度内的特定时段，从而可模拟计划检修窗口。

• 单一聚合数值 （Solargis Prospect、SolarFarmer）对聚合输出施加一个百分比。

• 与电网限电合并 （SAM）使用一个输入参数同时驱动电网限电和可用率损失，可为恒定百分比、小时级损失，或带自定义时段的小时级损失。

• 不建模 （pvlib）将实现方式交由用户决定。

施加位置

各模拟软件在模拟链条中施加可用率损失的位置各不相同，详见表 5。

方法学对比

表 5：各模拟软件的系统可用率损失建模方法。

数值结果

由于各模拟软件对系统可用率损失的建模方式各不相同，且在模拟链条的不同阶段施加该损失，因此无法进行公平的数值对比。

延伸阅读

Solargis 知识库

• “Argus 电气模拟概述”：Solargis

• “Argus 模拟后处理概述”：Solargis

• “Argus 光伏模拟链条”：Solargis

• “对比的设置与测试方法”：Solargis

电缆损失

• “IEC 60287 - Electric cables: calculation of the current rating”：作者 国际电工委员会（IEC）

• “IEC 60502 - Power cables with extruded insulation and their accessories”：作者 国际电工委员会（IEC）

• “IEC 60038 - IEC standard voltages”：作者 国际电工委员会（IEC）

• “IEC 60228 - Conductors of insulated cables”：作者 国际电工委员会（IEC）

模拟软件总体对比

• “Cross-validation of PV system simulation software”：作者 Driesse, A., Patel, N.