光伏模拟器对比：直流侧电气建模

机器翻译，未经校对人员审核，可能存在错误。

在本文件中

本文比较了所分析的光伏模拟器如何模拟电链的直流端：从光伏电池的有效辐照度，经过直流电缆，到逆变器端子的交流输出。

概述

本文接续了光学损耗文章，该文章涵盖了传递到每个PV电池有效辐照的链条。直流端从小区开始，终止于产生交流电的逆变器端子。

涵盖三个建模阶段：

直流转换 ——电池的电流-电压特性和电池温度，这些因素共同决定了每个时间步可用的直流功率
直流侧损耗 ——阵列输出与逆变器输入之间的扣除，主要由直流导体的欧姆损耗和逆变器削波影响
逆变器转换 ——在逆变器端子上从直流电转换为交流电的效率。削波属于直流侧损耗范围，因为它减少了从模块取用的功率，而不是在逆变器中耗发功率

各阶段以链中的三个点进行测量：

阵列输出处的理论直流功率，
直流电到达逆变器输入端，
逆变器端子的交流电。

逆变器位于直流/交流交界处：其模型以直流特性为输入，本文正因如此而有所介绍。交流链路，从逆变器输出经变压器到电网，在交流端的电气建模中有所涵盖。

关于比较设置（站点、系统配置、版本号以及偏置和RMSE定义），请参见 “设置与测试方法论”。

直流转换

直流转换将每个光伏电池的有效辐照转换为直流电。电池的电流-电压（IV）特性决定了在任何工作点可提取多少电能。电池温度、辐照度水平以及阵列的电气布局都会改变这一特性。模拟器在四个实质性方面存在差异：

单元模型

所比较的模拟器采用了两类方法。 单二极管等效电路模型 根据物理参数描述IV曲线，既有典型的De Soto五参数表述（Solargis Evatu和Solargis Prospect），也有扩展版本，增加了显式辐照度、温度和光谱依赖性，以在更广泛的条件下获得更高准确性（PVsyst和SolarFarmer），但每个模块的参数增加。经验 效率模型 则将多项式或简化泛函形式拟合到测量性能，完全避免使用二极管方程。SAM和pvlib提供了两个系列的模型。

单二极管模型基于物理基础，并能超越测试条件进行外推。经验模型更简单，但依赖于填充模块数据库，或仅适用于标准单元技术。

细胞温度

电池温度由环境温度、辐照度和风速计算，并通过电池温度系数影响直流输出。 能量平衡模型 将模块视为吸收太阳辐射、电提取与对流及辐射热损失之间的平衡。Solargis Evaluate 采用修改后的 Duffie 和 Beckman 公式，Solargis Prospect 采用无风项的模型，PVsyst 和 SolarFarmer 则采用带有 Uc 和 Uv 系数的阵列温度模型。 名义操作单元温度（NOCT） 方法从单一参考条件线性插值，速度更快但对变化条件响应较差。SAM提供了NOCT以及热传递模型和Sandia电池温度模型，pvlib则提供这两类模型以及包括Faiman、Fuentes和Ross在内的更多实证拟合。

瞬态温度校正

对于亚小时模拟，需要瞬态温度校正，因为这种分辨率暴露了模块的热惯性。当云缘或部分遮蔽下辐照度快速变化时，实际细胞温度会滞后于平衡值，稳态模型则高估了振幅。瞬态修正使之前几分钟的温度响应平滑。这对于在多变天气场地进行亚小时模拟尤为重要。

IV曲线聚合

单元级分辨率 计算每个单元的IV曲线，并通过子串、模和字符串对电气层级进行求和，因此旁路二极管和半切几何结构自然可处理。Solargis 评估和 Solargis Prospect 都在此层面工作。 更粗的聚合 在子模、模或字符串层面工作，通过广义的不匹配修正因子表示不均匀着色。PVsyst 和 SolarFarmer 在这些层级聚合，PVsyst 中有一个可定义的子模块结构，SAM 还假设整个阵列实现统一的最大功率点跟踪（MPPT）。在 pvlib 中，聚合取决于用户的实现方式。

方法比较

单二极管参数化在清洁标准测试条件（STC）下差异较小，且在低照照度、高温和部分遮阳区生长，这些环境主导实际年产量。选择细胞温度模型可能会使年产量偏移半个百分点甚至更多。IV聚合分辨率是具有显著近着色、半切模块或特殊字符串配置系统的主要区别。表1列出了每个模拟器使用的模型。

相位	太阳评估	索拉吉斯展望	PVLIB	PVsyst	山姆	太阳能农夫
单元模型	德索托	单二极管	CEC、PVsyst、De Soto、SAPM、PVWatts、Anton Driesse、Huld、Batzelis实证	扩展单二极管（Mermoud和Lejeune）	数据库依赖：简单效率、CEC、IEC 61853、SAPM	扩展单二极管（Mermoud和Lejeune）
细胞温度	改良版Duffie和Beckman法，1分钟和15分钟步时出现瞬时的普里利曼纠正法	Duffie和Beckman，无风项	SAPM、PVsyst、Faiman、Fuentes、Ross、NOCT、Prilliman、通用线性	带Uc、紫外系数、适应普里利曼瞬态修正的阵列温度	NOCT、热传递、桑迪亚电池温度，以及瞬态校正	阵列温度含Uc，紫外系数
IV曲线聚合	单元级，叠加为子字符串、模块、字符串旁通二极管和半切割几何结构支持 MPPT法规的适用	单元级，包含预设配置和默认参数	用户实现、多种GTI、模块温度和单二极管IV方法可选	具有可定义子模结构的子模、模和字符串层级	子模块、模块和带旁路二极管的弦电平假设跨阵列的统一MPP	子模与字符串层级

相位

太阳评估

索拉吉斯展望

PVLIB

PVsyst

山姆

太阳能农夫

单元模型

德索托

单二极管

CEC、PVsyst、De Soto、SAPM、PVWatts、Anton Driesse、Huld、Batzelis实证

扩展单二极管（Mermoud和Lejeune）

数据库依赖：简单效率、CEC、IEC 61853、SAPM

扩展单二极管（Mermoud和Lejeune）

细胞温度

改良版Duffie和Beckman法，1分钟和15分钟步时出现瞬时的普里利曼纠正法

Duffie和Beckman，无风项

SAPM、PVsyst、Faiman、Fuentes、Ross、NOCT、Prilliman、通用线性

带Uc、紫外系数、适应普里利曼瞬态修正的阵列温度

NOCT、热传递、桑迪亚电池温度，以及瞬态校正

阵列温度含Uc，紫外系数

IV曲线聚合

单元级，叠加为子字符串、模块、字符串

旁通二极管和半切割几何结构支持

MPPT法规的适用

单元级，包含预设配置和默认参数

用户实现、多种GTI、模块温度和单二极管IV方法可选

具有可定义子模结构的子模、模和字符串层级

子模块、模块和带旁路二极管的弦电平

假设跨阵列的统一MPP

子模与字符串层级

表1：每个模拟器的直流转换建模方法。

直流转换——Solargis Evaluze的对比如何
Solargis Evaluate 和 Solargis Prospect 是唯一在 单个单元层 级而非子模块或字符串层级解析 IV 曲线的模拟器。
这对 部分着色和半切割模块精度 直接相关——即粗分辨率需要近似而非直接计算的条件。
SAM在整个阵列中统一的 MPPT假设 是Solargis Evalus不共享的真正简化。

数值结果

结果计算出六个测试场地和四个系统配置，具体见 “设置与测试方法论 ”一文。

以下结果比较了模块效率（直流功率除以实际到达电池的有效辐照度）而非直接直流输出。该方法仅能比较直流转换步骤，排除光学和阴影差异的影响（已在辐照度建模和光学损耗中涉及）。

直流转换步骤结合多个子模型，每个模拟器实现不同的组合，这使本文中任何阶段的分布最广。在大多数情况下，Solargis Evaluate 计算出的模块效率高于其他模拟器，且在 pvlib 和 PVsyst 的跟踪器配置中，这一差距最为一致（见图1）。固定倾斜配置的表现不均匀：在拉斯维加斯和苏洛夫，一些模拟器产出的产出比Solargis Evaluze高，而非更少，且在双面和单面情况下的差异也存在差异。RMSE在这两个位置的所有固定倾斜配置中均为高点，且是该阶段最大的（见图2），因此这种分歧主要取决于操作条件，而非固定偏移。SAM整体上最接近Solargis Evaluate，但在双面跟踪器的Dharan阶段产生了该阶段最大的偏差。

PVsyst和Solargis Evaluse之间的差距部分来自于它们在阴影下处理电气不匹配的问题。PVsyst 在子模和字符串层面解析着色和 IV 曲线，因此应用参数化不匹配损耗来考虑在模块或字符串上不均匀分布的阴影。Solargis Evaluate 计算每个单元格的阴影和 IV 曲线，因此 IV 曲线本身求和也能产生相同的效果，无需单独假设。图1表明PVsyst不匹配的假设可能设定过高。

图1：通过在六个测试站点安装配置，pvlib、PVsyst和SAM在直流转换效率中占Solargis评估效率的百分比，存在偏差。效率是直流功率除以到达电池的有效辐照度。

图2：通过在六个测试站点安装配置，pvlib、PVsyst和SAM在Solargis Evaluate效率中，RMSE占Solargis Evaluate效率的百分比。效率是直流功率除以到达电池的有效辐照度。

各站点的直流转换偏置与RMSE分解

直流侧损失

该阶段涵盖模拟器在阵列输出与逆变器输入之间扣除的损耗。

本阶段的损失

此阶段损失主要由两种机制主导。 直流导线上的欧姆损耗 是稳定贡献：串联线路、串联盒和直流干线。在STC中，这些电流通常被标注为1%到2%，这对应的年直流电能占比明显较小，因为电流大部分时间都远低于额定值。逆 变器削波 是可变贡献，在双面配置中，其损失是电缆损耗的数倍。

模拟器还考虑阵列输出与反相器输入之间的其他影响。PVsyst会扣除电气遮阳不匹配、模块质量和双面不匹配。在本次比较中，这些损失被纳入直流转换阶段，其他模拟器会考虑这些损失，以便进行公平比较。Solargis Evaluate、pvlib 和 SAM 在此阶段对模块质量的降级和退化进行建模。这两种效应在本比较中均为零。

直流电缆损耗建模

大多数模拟器使用相同的底层电阻关系，区别在于损失的输入方式。

物理电阻与模拟电流 （Solargis Evaluate、Solargis Prospect、PVsyst，可选 pvlib）通过布线网络计算显式电阻和模拟电流，在每个时间步。它能正确响应工作条件。在低辐照度时，电流较低且损耗较小;在峰值发电时，损耗相应地较高，且随电流的平方而非成正比上升。
Solargis Evaluate、Solargis Prospect、pvlib 和 PVsyst 提供了 STC 百分比代理 ，作为更简单的输入，STC 的百分比会被反向计算为一个阻力位。
聚合损耗因子 是SAM中的一种方法，将直流布线与不匹配、二极管和连接、跟踪误差、名牌额定、双面电气不匹配和功率优化器损耗打包成每个子阵列的单一直流损耗因子。该因子作为恒定乘数在每个时间步应用，因此扣除不会对电流产生反应。

削波

当阵列能提供超过逆变器转换功率时，就会发生削波。虽然这个损耗由逆变器决定，但它并不是逆变器内部的损耗。削波时，逆变器从光伏模块抽取的功率减少，使阵列工作点远离最大功率点。耗电减少导致直流网络中的电流降低，因此电缆损耗会同时下降。由于这两种效应都发生在逆变器输入的上游，因此削波损耗在此阶段被考虑。

削波触发取决于模拟器对逆变器工作包络的建模程度。

Solargis Evaluate、PVsyst 和 SAM 夹子在电压、电流和功率限制下实现全面的包络处理，并支持 MPPT 电压窗口强制执行。
Sandia和Anton Driesse型号的pvlib提供仅限交流车名牌的削波，这些型号在车牌处截波交流输出，但不强制电压窗口或电流限制。PVWatts 则不强制执行这两者。
硬包线关机 是 SolarFarmer 的做法：在电压、电流和功率范围之外，逆变器被视为关闭。

本比较中的测试系统体积小且设计保守，且从未达到逆变器的电压或电流极限。因此，下面的结果中削波完全是交流功率限制，且未考虑综合与仅名牌包络处理之间的差异。实际的项目中，弦电压范围更宽或电气设计更激进，确实会达到这些极限，差别会变成实质性。

对于高直流交流比设计，如阳光充足气候下单轴跟踪机常见的情况，削波主导了直流侧的电损，全面处理与仅名牌处理之间的削波能量差异可能达到数个百分点。

设计阶段特征

PVsyst 利用内部的布线损耗优化工具，计算布线网络中每个 MPPT 输入所显示的直流欧姆损耗。Solargis Evaluate 的直流电缆损耗值默认为 2%，可在能源系统设计器中调节。表2列出了每个模拟器的建模方法、输入法和裁剪行为。

方法比较

相位	太阳评估	索拉吉斯展望	PVLIB	PVsyst	山姆	太阳能农夫
直流电缆损耗建模	覆盖所有直流侧组件（电缆、连接器、串盒）	覆盖所有直流侧组件	电阻与电流，或称STC百分比损失	在布线网络中，每个MPPT输入都显示内部布线损耗优化	汇总直流损耗因子，可按子阵列设置（最多4个）	串联逆变器直流收集网络的损耗
直流电缆损耗输入	STC的百分比，默认2%	STC的百分比	STC电阻或百分比	STC的百分比	用户输入的年度系统产出百分比	逆变器名牌容量下的百分比
削波与包络	削波和MPPT调节通过Vmin、Vmax、Imax、Pmax。电网缩减。在削波期间，逆变器输入处的功耗减少	简化以快速计算	Sandia和Anton Driesse模型中的Pac剪裁。电压窗和电流限制未被执行。 PVWs仅限于效率	在Vmppmax和IMAX上方穿模。	穿波超出MPPT范围且高于铭牌。每小时以下的削减校正。穿波在交流电侧被考虑，所以直流电流并未减少	关闭时，Vdcmin、Vdcmax、Idcmax、Pdcmin、Pdcmax

相位

太阳评估

索拉吉斯展望

PVLIB

PVsyst

山姆

太阳能农夫

直流电缆损耗建模

覆盖所有直流侧组件（电缆、连接器、串盒）

覆盖所有直流侧组件

电阻与电流，或称STC百分比损失

在布线网络中，每个MPPT输入都显示

内部布线损耗优化

汇总直流损耗因子，可按子阵列设置（最多4个）

串联逆变器直流收集网络的损耗

直流电缆损耗输入

STC的百分比，默认2%

STC的百分比

STC电阻或百分比

STC的百分比

用户输入的年度系统产出百分比

逆变器名牌容量下的百分比

削波与包络

削波和MPPT调节通过Vmin、Vmax、Imax、Pmax。电网缩减。在削波期间，逆变器输入处的功耗减少

简化以快速计算

Sandia和Anton Driesse模型中的Pac剪裁。

电压窗和电流限制未被执行。

PVWs仅限于效率

在Vmppmax和IMAX上方穿模。

穿波超出MPPT范围且高于铭牌。

每小时以下的削减校正。

穿波在交流电侧被考虑，所以直流电流并未减少

关闭时，Vdcmin、Vdcmax、Idcmax、Pdcmin、Pdcmax

表2：每个模拟器的直流侧损耗建模方法。

直流侧损失——Solargis Evaluate 如何比较
Solargis Evaluate、Solargis Prospect 和 PVsyst 都计算显 式电阻和模拟电流的电缆损耗，因此推算会根据每个时间步的运行条件做出响应。
Solargis 评估 在削波发生时会减少逆变器输入端的功耗，因此直流电流和电缆损耗随之下降。SAM则没有，这夸大了其在截断期间的直流电缆损耗。
Solargis Evaluate、PVsyst 和 SAM 对完整的工作包络进行建模。pvlib型号在交流电名牌上截波，但不强制电压或电流窗口，SolarFarmer将逆变器视为其边界外，而非渐进响应。

数值结果

Solargis Evaluate、pvlib 和 PVsyst 在此阶段意见非常一致。除双面跟踪器配置中的SAM外，所有模拟器的每配置中位偏置均保持在0.5%以内，大多数站点级值在任一方向均为1%以内（见图3）。单面配置截波较少，因此能最干净地隔离电缆丢失，且站点间的分布最为狭窄。差异虽小，但方向不均：pvlib 和 PVsyst 计算的总损耗略低于 Solargis Evaluate，SAM 略高。SAM计算出较高的电缆损耗，这是应用恒定百分比而非电流依赖电阻的预期结果，因为标准测试条件下固定的百分比高估了大部分时间中较低电流的损耗。

在双面配置中，削波损失更大，模拟器间的一致性也较宽松。削波几乎完全是双面效应，理论直流能量的约4%，而单面配置不到1%，因为后侧增益在固定逆变器功率限制下提供更多能量（见表3）。Solargis Evaluate 和 PVsyst 在削减的能量量上非常一致。pvlib和PVsyst在单脸时计算的直流侧损失略小于Solargis Evalus，但双面时略高，约半个百分点，且站点间的分布扩大了两倍到五倍。RMSE在其上尾部而非中位数也表现出同样的效应（见图4）。截获量与场地辐照度比例相符，从达兰的0.4%到拉斯维加斯和比勒陀利亚的5%以上。模拟器之间的一致性在削波较少时最接近，在削波频繁时最弱。

配置	太阳评估	PVsyst	山姆	PVLIB （上限）
双面追踪器	4.6	4.6	3.3	5.2
追踪器，单面	0.7	0.4	0.7	0.8
固定倾斜，双面	3.9	4.0	3.6	4.8
固定倾斜，单面	0.6	0.4	0.6	0.8

表3：六个测试站点各模拟器和安装配置的逆变器削波损耗占理论直流能量的百分比。

pvlib 不单独报告削波，因此 pvlib 列是包含直流电缆损耗的上界。扣除单面配置所暗示的电缆损耗后，pvlib 就与其他模拟器保持一致。

SAM计算的削波比其他方法少，约比双面跟踪仪理论直流能量低1个百分点，这几乎解释了其在双面配置中较低的直流侧损耗。这是SAM处理逆变器功率限制的方式不同，而不是它建模电缆损耗的方式。其双面构型的中位RMSE是单面值的数倍，而pvlib和PVsist的中位数保持在两者之间水平（见图4）。剩余的几十分之一百分点的微小部分反映了SAM在削波期间保持直流电流恒定，导致其电缆损耗略高于正常水平。

图3：通过在六个测试站点安装配置，pvlib、PVsys和SAM在Solargis评估中，pvlib、PVsys和SAM的直流侧损耗偏置，占进入步进的阵列直流输出功率的百分比。

图4：pvlib、PVsyst和SAM在Solargis评估中，按阵列直流输出功率的百分比计算，通过在六个测试站点安装配置，实现pvlib、PVsys和SAM的直流侧损耗RMSE。

各站点对DC侧损失偏差与RMSE的分解

逆变器转换

逆变器将光伏串中的直流输入转换为电网频率下的交流输出。转换效率随直流输入电压、输出功率水平以及环境或内部温度而异。逆变器模型决定了这些依赖关系的捕捉准确度。

逆变器转换效率可减少1%至2%的年发电量损失。加上前一阶段扣除的削波，逆变器是最大的电气损失来源之一。

削波问题详见上述直流侧损耗部分。削波减少了逆变器从模块中汲取的功率，而不是在逆变器内部消耗功率，因此削波后的能量会在逆变器输入前扣除。该阶段仅隔离逆变器转换效率。

逆变器模型

被比较的模拟器使用五个模型族，选择决定了模拟能代表多少逆变器行为。

参数拟合基于测量曲线。 桑迪亚逆变器模型符合五个参数，适用于不同直流电压和输出功率下的效率参数，是五个中验证最广泛的。它被 Solargis Evaluate、Solargis Prospect 使用，参数集简化为默认预设，pvlib 有单变体和多 MPPT 版本，SAM 则通过加州能源委员会（CEC）逆变器数据库使用。
制造商曲线带有电压窗口。 PVsyst的栅网逆变器模型读取制造商的效率曲线。OND组件文件并强制执行一个显式的MPP电压窗口。
测量多个电压下的曲线。 SolarFarmer插值了CEC测量的效率曲线，三条各六点的曲线。SAM提供等效的部分负载曲线选项。
电压敏感的替代方案。pvlib中的Anton Driesse模型适用于效率高度依赖MPP电压的逆变器。
只追求效率。 NREL的PVW瓦特，在pvlib中，作为简单的SAM选项，以及SolarFarmer中的最大或加权效率选项，都采用单一效率，不依赖电压或电流。快速，但粗糙。

前三类在典型运行中特性良好的逆变器结果非常相似。差异在工作包络边界和具有强烈MPP电压依赖性的逆变器处加剧。

温度降级与启动

PVsyst、SAM和SolarFarmer会使交流输出超过定义的环境或内部温度。Solargis Evaluate、pvlib 和 PVsyst 强制设定启动阈值，低于此阈值逆变器不提供交流电，SolarFarmer 中的最低直流功率限制也有同样效果。PVsyst 还明确支持多 MPPT 和主从配置。表4列出了逆变器型号以及每个模拟器的降级和启动行为。

方法比较

相位	太阳评估	索拉吉斯展望	PVLIB	PVsyst	山姆	太阳能农夫
逆变器模型	桑迪亚逆变器模型	Sandia模型，采用预设默认逆变器或单一欧式效率值	桑迪亚（单线和多MPPT）、安东·德里斯并网、NREL光伏瓦特	PVsyst电网逆变器模型，带有MPP电压窗口、效率曲线（OND格式）、削波	带有CEC数据库、制造商数据手册或NREL部分负载曲线的Sandia	具有最大效率和加权效率的效率模型，或称CEC测量曲线
温度降级与启动	Vmin 的创业没有降温	简化以快速计算	启动门槛强制执行没有降温	Pthresh的创业温度降价明确支持的多MPPT和主从配置	温度降压。没有启动阈值	温度降压。Pdcmin以下的关机作为启动阈值

相位

太阳评估

索拉吉斯展望

PVLIB

PVsyst

山姆

太阳能农夫

逆变器模型

桑迪亚逆变器模型

Sandia模型，采用预设默认逆变器或单一欧式效率值

桑迪亚（单线和多MPPT）、安东·德里斯并网、NREL光伏瓦特

PVsyst电网逆变器模型，带有MPP电压窗口、效率曲线（OND格式）、削波

带有CEC数据库、制造商数据手册或NREL部分负载曲线的Sandia

具有最大效率和加权效率的效率模型，或称CEC测量曲线

温度降级与启动

Vmin 的创业

没有降温

简化以快速计算

启动门槛强制执行

没有降温

Pthresh的创业

温度降价

明确支持的多MPPT和主从配置

温度降压。没有启动阈值

温度降压。Pdcmin以下的关机作为启动阈值

表4：每个模拟器的逆变器转换建模方法。

逆变器转换——Solargis Evaluate 的比较
Solargis Evaluate 采用 了 Sandia 逆变器模型，这是五个家族中验证最广泛的，也是 Solargis Prospect、pvlib 和 SAM 所使用的同一系列。
由于削波在直流端考虑，比较模拟器的转换效率仅为百分之一，因此效率模型不构成它们之间的差异。
Solargis Evaluate 与 PVsyst 和 pvlib 一样，强制设定 启动阈值，低于此阈值不提供交流电。

数值结果

在前一阶段扣除削波后，这一阶段仅隔离转换效率，模拟器几乎完全一致。每个模拟器、站点和配置的偏差保持在0.3%以内，RMSE低于1%（见图5和图6）。这是系列中最接近的共识之一。PVsyst 与 Solargis Evaluate 稍微接近，其次是 pvlib，然后是 SAM，但差异太小，难以承担实际价值。结果证实，尽管表述和参数源不同，逆变器转换模型在正常运行中仍能一致描述一个特性良好的逆变器的效率。逆变器建模会产生材料差异时，是通过削波和包络处理，而非效率曲线。

图5：通过在六个测试站点安装配置，pvlib、PVsyst和SAM对Solargis的逆变器转换损耗偏置，按逆变器输入端直流功率的百分比计算。

图6：通过在六个测试站点安装配置，pvlib、PVsyst和SAM在Solargis评估处逆变器输入处的直流功率百分比，逆变器转换损耗RMSE。

各站点的逆变器转换损耗偏置与RMSE分解

光伏模拟器对比：直流侧电气建模

概述