光伏模拟软件对比：太阳能数据与系统配置

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本文内容

本文对比各款光伏模拟软件如何处理每次发电量模拟的三项基础：所使用的输入数据、对光伏场景的表示方式，以及所采用的硬件规格。

概述

任何光伏发电量模拟的准确性，首先取决于其输入数据的质量、场景表示的保真度以及硬件规格的精确程度。在任何光学或电气计算开始之前，模拟软件都需要太阳辐射与气象数据、诸如反射率、积尘和地平线等辅助参数、硬件规格，以及光伏电站及其周边环境的几何模型。这些输入决定了随后的每一项结果，而各模拟软件在此阶段的差异会传导至后续的每一步计算。

本文涵盖模拟软件对比系列中的三个主题：

数据输入：太阳能、气象和环境数据的来源，以及采用何种时间分辨率
场景建模：如何表示光伏电站及其周边物体
硬件规格：描述光伏组件、逆变器及其他部件的参数来自何处

关于本系列共用的测试场址、系统配置、所测试软件的版本以及统计方法，请参见设置与测试方法。

数据输入

有两项特征区分了各模拟软件的数据获取方式：是否集成了太阳能与气象数据库，以及是否内置了针对积尘、积雪等辅助参数的模型。各模拟软件所需的输入参数和时间分辨率也各不相同。

集成数据库与导入数据

集成数据库简化了操作，因为用户无需自行获取、格式化和导入数据。导入数据则扩大了数据来源的选择范围，从而允许进行技术和成本优化，但同时也可能引入低质量的输入。

Solargis Evaluate 和 Solargis Prospect 以 Solargis 数据库作为太阳能、气候和环境参数的内部来源。所采用的数据产品取决于使用场景：Solargis Evaluate 运行完整的历史时间序列或典型气象年（TMY）P50 文件，而 Solargis Prospect 使用十二条日变化曲线，分别代表每个日历月的平均条件。

pvlib、PVsyst、SAM 和 SolarFarmer 依赖外部供应商提供的数据。SAM 直接连接美国国家太阳辐射数据库（NSRDB）。SolarFarmer 集成了 Solcast API 和 PVGIS TMY 服务。pvlib 提供 IO 工具，可从各类服务和文件格式中获取并解析数据，包括 CAMS、NSRDB、PVGIS、SolarAnywhere、Solargis、Solcast、Meteonorm 和 NASA POWER，以及若干地面观测网络。PVsyst 通过一组预定义的数据格式导入数据。

时间分辨率

输入数据的时间分辨率决定了短期变率以及诸如云团快速移动和跟踪支架位置变化等瞬态效应能被多好地捕捉，因为小时级分辨率会将它们平滑掉。这种平滑可能导致模拟链条后续环节出现偏差，例如在逆变器削峰评估中，且与所采用的建模方法无关。

Solargis Evaluate 对时间序列和 TMY 均以 15 分钟分辨率运行，对 TMY 还支持 1 分钟分辨率。Solargis Prospect 使用 15 分钟分辨率的日变化曲线。pvlib、PVsyst、SAM 和 SolarFarmer 接受任何规则的小时级或亚小时级数据。

主要太阳能与气象参数

所有模拟软件都以水平面总辐照度（GHI）和气温作为核心输入。除此之外，各软件的参数集有所不同。SolarFarmer 还额外接受法向直接辐照度（DNI）、水平面散射辐照度（DIF）、倾斜面总辐照度（GTI）、可降水量（PWAT）、大气压、风速和相对湿度。PVsyst 要求提供 GHI 和气温，并将 DIF、DNI、GTI、风速、雪深以及若干大气参数视为可选项。SAM 接受以三个主要辐射分量（GHI、DNI、DIF）中的两个形式给出的辐照度，或实测的 GTI。Solargis Evaluate 和 Solargis Prospect 从其集成数据库自动提供所有必需的输入参数。

积尘、积雪与地面反射率

积尘、积雪和地面反射率这几项数据输入的处理方式，是各模拟软件之间差异最为显著之处——差异汇总于表 1。

参数	Solargis Evaluate	Solargis Prospect	pvlib	PVsyst	SAM	SolarFarmer
积尘	来自内部 Solargis 积尘模型的月度长期平均值（LTA），或以手动输入覆盖	手动输入，含默认值	月度 LTA，或内置 HSU/Kimber 模型	月度 LTA，手动输入	月度 LTA，手动输入	年度或月度 LTA，手动输入
积雪	来自 Solargis 积雪模型的月度 LTA，或手动覆盖	手动输入，含默认值	月度 LTA，或内置 Marion/Townsend 模型	月度 LTA，手动输入	内部 Marion 模型	不单独建模；通常包含在积尘系数中
地面反射率	来自内部 Solargis 数据库的月度 LTA，可编辑	来自内部 Solargis 数据库的月度 LTA	年度、月度 LTA 或时间序列，手动输入	月度 LTA，手动输入（双面组件另设数值）	月度 LTA，手动输入	年度、月度 LTA 或日时间序列，手动输入

表 1：各模拟软件的积尘、积雪和地面反射率参数对比。

数据输入——Solargis Evaluate 对比情况如何
Solargis Evaluate 和 Solargis Prospect 是唯一两款从 集成数据库获取太阳能、气象和环境数据的模拟软件。pvlib、PVsyst、SAM 和 SolarFarmer 依赖外部供应商。
Solargis Evaluate 也是唯一一款 从内部 Solargis 模型和数据同时提供积尘、积雪和地面反射率的模拟软件。pvlib 内置积尘和积雪模型，但没有地面反射率数据来源；SAM 仅有积雪；SolarFarmer 则完全不单独建模积雪。

地平线数据

远地平线决定了远处地形对直接辐射的遮挡程度。各模拟软件的数据来源方式各不相同。

Solargis Evaluate 和 Solargis Prospect 从内部数据库提供地平线轮廓，并允许手动编辑。在 Solargis Evaluate 中，可在所设计电站内按分区分别定义地平线。
PVsyst 从其自有内部文件、PVGIS、Meteonorm 获取地平线，或通过手动定义。
SAM 没有专门的地平线编辑器。地平线遮挡作为物体遮挡的一部分处理，最多可为四个子阵列分别独立定义，方式包括导入文件（PVsyst、SolarPathFinder、SunEye）、遮挡表格或三维遮挡场景编辑器。
SolarFarmer 从 SolarFarmer、Meteonorm、Solargis 或 PVsyst 导入地平线文件，或根据下载的地形生成地平线。
pvlib 接受导入或用户自定义的地平线数据，用于修正 DNI 和阵列面辐照度。

场景建模

场景表示光伏电站及其周边环境的实际布局。场景保真度决定了模拟软件计算近处遮挡、阵列之间相互遮挡以及反射辐射贡献的准确程度。

地形模型构成场景的基础层。Solargis Evaluate 提供三种选择：哥白尼数字表面模型（DSM）和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）GL1，两者分辨率均约为 30 米，以及分辨率约为 90 米的 Solargis 数字高程模型（DEM）。Solargis Prospect 自动使用 Solargis DEM。PVsyst 按需从 gpxz.io 高程服务获取地形，而 pvlib 和 SolarFarmer 要求用户自行定义或导入。SAM 完全不对地形高程建模。表 2 汇总了各模拟软件的场景编辑能力。

场景中可用的物体

场景编辑器中可用的物体因模拟软件而异。Solargis Evaluate 支持遮挡物体、遮挡线、限制区域、逆变器、变压器、高压（HV）变电站以及并网点。PVsyst 支持二维和三维形状、建筑物体、地面物体以及阵列（固定式和跟踪式）。SAM 支持有效区域、方箱、圆柱、屋顶和树木物体。SolarFarmer 通过其物体编辑器支持方箱、圆柱、风力发电机、树木和建筑物体，并支持阵列、区域和限制区域。

可视化能源系统编辑器

Solargis Evaluate 中的能源系统设计器渲染带有地形和叠加卫星影像的三维场景，有助于用户将设计与真实场址特征对应起来。SolarFarmer 提供功能相当但保真度较低的编辑器，渲染范围较小且不集成地形。PVsyst 和 SAM 提供构建在空白 x-y-z 空间上的简化编辑器。Solargis Prospect 和 pvlib 没有可视化编辑器：两者均通过行间距、倾角、方位角和跟踪角度以参数化方式定义阵列几何。Solargis Prospect 通过在带地平线的单一参考点上进行内置计算来实现，而 pvlib 则要求用户以编程方式提供几何结构和遮挡计算。

场景能力	Solargis Evaluate	Solargis Prospect	pvlib	PVsyst	SAM	SolarFarmer
可视化编辑器	是	否	否	是	是	是
布局导入	KML	不适用	不适用	DAE、3DS、PVC、H2P	S3D	CSV、SHP、KML、KMZ、PVC
内置地形	哥白尼 DSM（默认）、SRTM GL1、Solargis DEM	Solargis DEM	否	否（gpxz.io 按需集成）	不适用	否
地形导入	瓦片（x-y-z）、GeoTIFF	不适用	可手动定义	CSV、GeoTIFF、Bing/Azure 地图、gpxz.io 高程	不适用	多种格式
场景导出	KML、PVC、DAE、DWG、DXF（间接）	不适用	不适用	SHD	S3D	PVsyst、Google Earth、SHP、PVC

表 2：各模拟软件的场景编辑能力。

场景建模——Solargis Evaluate 对比情况如何
Solargis Evaluate 和 Solargis Prospect 是唯一两款具备 内置地形的模拟软件，而 Solargis Evaluate 是唯一提供模型选择的软件：哥白尼 DSM、SRTM GL1 或 Solargis DEM。SAM 完全不对地形高程建模。
Solargis Evaluate 是唯一在场景中放置 电气设备的模拟软件，包括逆变器、变压器、高压变电站和并网点。其他场景编辑器仅承载几何结构：形状、建筑、树木和阵列。
有四款模拟软件提供可视化编辑器，但只有 Solargis Evaluate 中的能源系统设计器能够 渲染带有叠加卫星影像的地形，因而可将布局与真实场址特征而非空白坐标空间进行核对。Solargis Prospect 和 pvlib 以参数化方式工作，适合快速筛查，但无法表示单个障碍物。

硬件规格

硬件规格（最重要的是光伏组件和逆变器，也包括变压器、电缆和跟踪支架）是影响光伏发电量模拟准确性的重要因素。所设定的硬件参数决定了被模拟部件的响应特性以及它们在模拟链条中造成的损失。如果规格不准确，损失可能在任一方向上偏移数个百分点。

参与对比的模拟软件通过三种途径获取这些参数。若干模拟软件支持多种途径。

精选目录。 Solargis Evaluate 从由 Solargis 集中维护的 Solargis 光伏部件目录（PVCC）读取经过验证的组件和逆变器规格。
内置库。 SAM 内含基于加州能源委员会（CEC）和桑迪亚国家实验室数据集构建的部件库。PVsyst 内含自有的部件数据库。Solargis Prospect 使用一小组预定义的部件规格，按设计固定不变，以保持配置的快捷性。
用户自行提供规格。 SolarFarmer 从 PVsyst 导入由制造商编写的 PAN 和 OND 文件，或采用手动录入的数值。PVsyst 在其数据库之外也接受 PAN 和 OND 文件。pvlib 将参数作为由用户组装的数据结构获取，其内容可来自 SAM 所内含的同一批 CEC 和桑迪亚数据集，或任何其他来源。

这些途径的区别在于参数准确性的责任归属。精选目录或内置库将责任归于软件供应商，用户从列表中选择经过验证的部件。文件导入则将责任转移给 PAN 或 OND 文件的编写者。手动录入则将责任完全交给用户。

硬件规格——Solargis Evaluate 对比情况如何
Solargis Evaluate 是唯一从 集中维护、经过验证的目录读取数据的模拟软件。PVsyst 和 SAM 随附内置库，而 SolarFarmer、PVsyst 和 pvlib 则依据用户提供的文件或数值工作。
当参数以 PAN 或 OND 文件形式、或以手动录入数值形式提供时，两位工程师对同一款组件建模可能会从不同的数值出发，而由此产生的发电量差异在输出结果中无从察觉。精选目录使部件规格在不同项目和不同用户之间具备可复现性。

对下游模拟的影响

数据、场景和硬件的质量限定了后续每一项计算的准确性：

小时级输入数据会将瞬态效应平滑掉，而下游任何模型都无法将其还原；
无法表示障碍物、支架结构或地形的场景，会限制近处遮挡的计算，无论遮挡算法多么严谨；
既无内部硬件规格数据库、也无积尘、积雪或地平线模型的模拟软件，将完全依赖用户所提供的系数。

本系列的下一篇文章辐照度建模介绍各模拟软件如何将这些输入和场景转换为每个电池上的阵列面辐照度，其中包括直接建立在上文所述场景表示之上的近处遮挡计算。