光伏转换模型

本文档内容

您将了解光伏转换模型如何使用物理建模和分层 IV 曲线聚合将辐照度和温度数据转换为详细的直流电气特性。该文档解释了计算电池级电力输出、对温度和退化影响进行建模以及将这些结果组合到逆变器输入背后的原理。

概述

光伏转换模型模拟每个逆变器输入处阳光和温度转换为直流电输出，成为光学模拟与电气系统其余部分之间的重要桥梁。该模型包括：

使用单二极管模型为每个光伏电池生成静脉注射曲线，该模型结合了关键模块参数和实时环境输入（辐照度、温度）。
计算电池温度，考虑空气温度、辐照度、风速和模块特定调整等因素。
对组件在其运行生命周期内的退化进行建模，包括更高的第一年损失和稳定的长期下降。
通过系统层次结构（单元到模块、模块到组串、组串到逆变器输入）对 IV 曲线进行数值聚合，从而产生每个逆变器的完整直流侧电气表示。

总而言之，这种方法提供了详细的分层仿真，说明辐照度和温度数据如何产生最终的直流电气特性，用于进一步转换和电网集成。

光伏转换模型方法

对于每个时间间隔，光伏转换模型使用当前全局倾斜辐照度（GTI）和温度热图来计算每个逆变器输入的直流侧电流-电压（IV）特性。

图 1：光伏转换 - 一般过程。

此计算涉及两个主要步骤：

使用Single Diode Model为每个光伏电池生成IV曲线。
Ag以数字方式聚合这些 IV 曲线 s - 首先将电池级曲线组合成模块曲线，然后组合成组串曲线、直流汇流箱曲线，最终在每个逆变器输入处产生 IV 曲线。

图 2：PV 转换过程的详细信息。

单二极管模型

光伏电池本质上是一个 pn 结二极管，旨在有效地将阳光转化为电能。此转换过程可以使用 单二极管模型表示， 如 W. De Soto所述。

图 3：单二极管模型。

在此原理图中，考虑了几个电量：

I_L：入射光产生的电流（光电流）
I_D：流过二极管的电流
R_sh：并联电阻，表示结两端的漏电流
RS：串联电阻，考虑电流路径中的电阻损耗

对于任何给定的GTI和温度，该模型使用产品目录中的关键光伏组件参数计算I_、D 和I_、L 电流，包括：

参考条件下的光电流
基准条件下的二极管反向饱和（暗）电流
参考条件下的开路电压
参考理想性因素
模块的短路电流温度系数

这些参数与并联和串联电阻相结合，完全定义了单二极管模型。Darko Veberic 的 Lambert W function 用于准确模拟二极管在这种情况下的行为。

通过这些输入，模型根据光学仿真提供的GTI和温度确定每个电池的输出电流和电压。

电池温度模型

电池温度是通过瞬态温度模型计算的，考虑了几个关键因素：

空气温度：模块周围的环境温度。
全局倾斜辐照度 （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记录，考虑模块对温度变化的响应速度。

此外，该模型还使用多个特定于模块的参数来捕获环境和材料影响：

标称工作电池温度 （NOCT）：表示标准参考条件下的典型电池温度。
热模型校正系数：根据现场的独特条件调整模型。
风速经验常数：根据观测数据反映风对模块的冷却效果。
25°C 时的模块效率：指定面板在标准测试条件下的性能。
组件类型因素：区分各种光伏技术，例如晶体硅（CSi）和碲化镉（CdTe）。
发射率系数近似：估计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，该模型 可以准确预测真实条件下的电池温度。

模块退化

Solargis 实现的单二极管模型考虑了模块随时间推移的退化。通常，光伏组件的使用寿命为 25 至 30 年，在此期间，其功率输出会因老化和环境影响而逐渐下降。

退化分为两个主要阶段：

第一年退化：在第一年，组件通常会损失约 1% 的效率。这种较高的损耗主要是由光致降解（LID）和组件材料的沉降引起的。
长期降解：第一年后，降解率稳定在每年0.5%左右。这种稳步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，该模型 提供了模块在其整个使用寿命期间性能的现实估计。

单二极管模型输出

对于每个电池，该模型使用光学仿真的GTI和温度数据来计算整个可能电压范围内的电流值。此过程以 IV 曲线（电流-电压）的形式生成电池的电气特性，这说明了在给定条件下电流如何随电压变化（图 4）。

图 4：细胞的 IV 曲线。

IV 曲线聚合

该模型通过聚合每个水平的 IV 曲线来复制能源系统的电气结构：

它 结合了单个电池 IV 曲线 以形成光伏组件的 IV 曲线。
然后对模块 IV 曲线 进行分组以创建字符串 IV 曲线。
最后，聚合组串 IV 曲线 以生成每个逆变器输入处的 IV 曲线。

这个过程称为数值 IV 曲线聚合（或 IV 曲线叠加），可确保整个系统行为反映所有组件如何协同工作。

示例（图 5）：

在光伏组件内部，电池被分组为子模块，每个子模块都由旁路二极管保护。这些子模块串联起来形成完整的模块。如果子模块（例如，以红色显示的子模块 1）被阴影处理并且提供较少的电流，则串联配置意味着所有子模块共享相同的电流。总模块电压是子模块电压的总和，从而得出模块的 IV 曲线（如图 5 中的蓝色所示）。

图 5：光伏组件上的 IV 曲线聚合。

直流损耗

从光伏组件到逆变器的直流电路径中的直流损耗是能量产量模拟的关键因素。这些损耗是由于直流汇流箱和直流电缆中的电阻而发生的。

组件：直流电网包括直流汇流箱（也称为接线盒）和直流电缆。这些组件使用电阻进行建模，其中包括串、连接器和电缆中触点的电阻率。
计算方法：直流损耗计算为 $^{I2R}$ 损耗，其中 $I$ 是流过元件的电流， $R$ 是电阻。

注意：Solargis Evaluate 为直流电缆损耗提供 2% 的默认值。用户可以根据具体的项目要求调整此值。

与其他软件的比较

在其他太阳能模拟软件中，直流损耗的计算方式类似：

软件	参数名称	笔记
Solargis 前景	直流部分的不匹配和布线	基准电压源（STC）条件下的直流电流路径电损耗。
Solargis 评估	直流损耗	基准电压源（STC）条件下的直流电流路径电损耗。
光伏系统	欧姆接线损耗	直流wiring losses 。
SAM （NREL）	直流接线	由几个loss types组成的直流电损耗系数（第 67 页）。
太阳能农民（DNV）	直流集电极	直流collection 网络电阻。

IV 曲线聚合输出

随着静脉注射曲线通过组串、直流电缆和直流汇流箱逐渐聚合，该过程最终会在逆变器输入处生成静脉注射曲线（图6）。最后的 IV 曲线表示通过光伏转换模型计算的所有上游组件的组合电气行为。在具有多个阴影区域的系统中，生成的逆变器输入IV曲线可以显示更复杂的形状，反映光伏阵列不同部分的不同贡献。

图 6：逆变器输入 IV 曲线示例。

进一步阅读

W. De Soto “Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance” 。
达科·维贝里克（Darko Veberic） “Lambert W Function for Applications in Physics”。