光伏转换模型

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在本文件中

您将学习光伏转换模型如何通过物理建模和分层IV曲线聚合，将辐照度和温度数据转化为详细的直流电气特性。文档解释了计算单元级电力输出的原理，模拟温度和降解效应，并将这些结果整合至逆变器输入。

概述

光伏转换模型模拟了阳光和温度在每个逆变器输入处转换为直流电输出的过程，作为光学模拟与电气系统其他部分之间的关键桥梁。该模型包括：

利用单二极管模型生成每个光伏电池的IV曲线，该模型包含关键模块参数和实时环境输入（辐照度、温度）。
计算单元温度，考虑空气温度、辐照度、风速及模块特定调整等因素。
模块运行寿命内的劣化建模，包括更高的首年损失和稳定的长期下降。
通过系统层级对IV曲线进行数值聚合——单元到模块，模块到字符串，从字符串到反相器输入——从而得到每个逆变器完整的直流侧电气表示。

总体而言，这种方法提供了详细的层级模拟，展示了辐照度和温度数据如何产生最终直流电气特性，用于进一步转换和电网集成。

光伏转换模型方法论

对于每个时间区间，光伏换算模型使用当前全球倾斜辐照度（GTI）和温度热图，计算每个逆变器输入端直流侧的电流-电压（IV）特性。

图1：光伏转换——一般过程。

该计算包含两个主要步骤：

利用单二极管模型为每个PV电池生成IV曲线。
AG对这些IV曲线s进行数值聚汇——先将单元级曲线合成模曲线，再组合成串曲线、直流组合盒曲线，最终在每个反相器输入处生成IV曲线。

图2：光伏转换过程详细说明。

单二极管模型

光伏电池本质上是一个p-n结二极管，设计用来高效将阳光转化为电能。该转换过程可用 单二极管模型 表示，正如 W. De Soto所述。

图 3：单二极管模型。

在该示意图中，考虑了若干电量：

I_L：由入射光（光电流）产生的电流
I_D：流经二极管的电流
R_sh：并联电阻，表示结上的漏电流
R_S：串联电阻，考虑当前路径中的电阻损耗

对于任一给定的GTI和电池温度，模型利用产品目录中的关键PV模块参数计算I、_D和IL电流，包括：

参考条件下的光电流
二极管在参考条件下的反向饱和（暗）电流
参考条件下的开路电压
参考理想因子
模块的短路电流温度系数

这些参数，结合并联和串联电阻，完全定义了单二极管模型。Darko Veberic 的 Lambert W 函数被用来准确模拟二极管在此情境下的行为。

利用这些输入，模型根据光学模拟提供的GTI和温度，确定每个单元的输出电流和电压。

细胞温度模型

电池温度通过瞬态温度模型计算，考虑了几个关键因素：

空气温度：模块周围的环境温度。
全球倾斜辐射度 （GTI）：电池表面接收到的太阳能量。
热惯性：模块平均温度的历史，考虑模块对温度变化的响应速度。

此外，模型使用若干模块特定的参数来捕捉环境和材料的影响：

标称操作单元温度 （NOCT）：表示在标准参考条件下的典型单元温度。
热模型修正系数：根据现场的特殊条件调整模型。
风速经验常数：根据观测数据反映风对模块的冷却效应。
模块效率在25°C：规定面板在标准测试条件下的性能。
模块类型因子：区分多种光伏技术，如晶硅（CSi）和碲化镉（CdTe）。
发射率系数近似：估算模块以热辐射形式释放热量的能力。

通过结合这些环境输入和模块特定参数，模型 能够准确预测现实条件下的细胞温度。

模块降级

Solargis 对单二极管模型的实现考虑了模块随时间的劣化。通常，光伏组件的寿命为25至30年，在此期间，其功率输出因老化和环境影响逐渐下降。

降解主要分为两个阶段：

第一年性能下降：在最初的一年，模块通常会损失约1%的效率。这种较高的损耗主要由光诱发的降解（LID）和模块材料沉降引起。
长期降解：第一年后，降解率稳定在约0.5%/年。这种持续下降归因于持续暴露于紫外线（UV）辐射、温度变化和机械应力。

通过考虑这些因素，模型 为模块在整个运行寿命中的性能提供了现实估计。

单二极管模型输出

对于每个电池，模型利用光学仿真中的GTI数据和温度模型中的电池温度，计算整个可能电压范围内的电流值。该过程以 IV曲线（电流-电压）形式生成电池的电气特性，展示了在给定条件下电流随电压的变化（见图4）。

图4：细胞的IV曲线。

IV 曲线聚合

该模型通过在每个层级聚合IV曲线来复制能源系统的电气结构：

它 将单个单元IV曲线组合 起来，形成PV模块的IV曲线。
模块IV曲线随后被 分组生成弦IV曲线。
最后，将串IV曲线 聚合，生成每个反相器输入处的IV曲线。

这一过程称为数值IV曲线聚合（或IV曲线叠加），确保整体系统行为反映所有组件的协同工作方式。

示例（图5）：

在光伏模块内部，电池被分组为子模块，每个子模块由旁路二极管保护。子模串联形成一个模。如果子模块被遮蔽，则会提供更低的电流（见图5中的红色曲线）。整体模块电压是子模块电压的总和，得到模块的IV曲线（图5中蓝色显示）。

图5：PV模块上的IV曲线聚合。

DC损失

从光伏组件到逆变器的直流路径中的直流损耗是能量产额模拟中的关键因素。这些损耗是由于直流组合盒和直流电缆中的电阻引起的。

组件：直流电网包括直流合路盒（也称为接线盒）和直流电缆。这些元件通过电阻建模，电阻包括弦、连接器和电缆中触点的电阻率。
计算方法：直流损耗以 $I^{} ² R$ 损耗计算， $其中I$ 是流经元件的电流， $R$ 是电阻。

注意：Solargis Evaluate 为直流电缆损耗提供默认值为 2%，且损耗均匀分布于所有电缆。用户可以根据具体项目需求调整该数值。

与其他软件的比较

直流损耗在其他太阳能仿真软件中也有类似的解释：

软件	参数名称	注释
索拉吉斯展望	直流段的不匹配和布线	参考条件下的直流电流路径电损耗（STC）。
太阳评估	DC损失	参考条件下的直流电流路径电损耗（STC）。
PVsyst	欧姆线路损耗	直流电线路损耗。
SAM（NREL）	直流布线	直流电损耗因子，由多种损耗类型组成（第67页）。
SolarFarmer（DNV）	直流集电器	直流收集网络电阻。

IV 曲线聚合输出

随着IV曲线通过串、直流电缆和直流合路盒逐步聚合，过程最终在逆变器输入处生成IV曲线（见图6）。最终的IV曲线代表了所有上游组件的综合电气行为，由PV转换模型计算出来。在具有多个阴影区域的系统中，所得的逆变器输入IV曲线可以显示更复杂的形状，反映光伏阵列不同部分的贡献差异。

图6：逆变器输入IV曲线示例。