光伏系统

本节首先介绍光伏系统元件的参数配置，然后通过具体案例介绍该元件的使用方法和实现的效果，最后对常见问题进行回答。该元件用于 IESLab 建模仿真平台。

元件定义

元件功能

该元件用以建模光伏发电系统，能够根据气象数据、IV 曲线及特性参数模拟光伏发电系统在实际工况下的 MPPT 输出功率。

元件原理

太阳能电池组件是光伏系统元件的基础和核心，它的输出功率与 IV 曲线和光照强度、温度等气象参密切相关，输出功率为：

P=P_{ MPPT }\eta

式中： $P_{ MPPT }$ 为实际工况的 MPPT 输出功率，根据模型（工况气象参数、IV 曲线及特性参数）得到， $\eta$ 为综合折损效率。光伏发电系统在能量流计算中可看作PQ 节点。

太阳能光伏电池理想数学模型：

I=I_{ph}-I_0\left\lbrack e^{\left(q\left(U+R_sI\right)/nkT\right)-1}\right\rbrack-\left(U+R_sI\right)/R_{sh}

T_{cell}=T_{air}+αS(1-η)/(U_c+U_ν ν_{wind} )

式中， $I_{ph}$ 为光伏阵列电流； $I_0$ 为反向饱和电流； $q$ 为电子电荷，即 1.6× 10^-19 C； $n$ 为二极管因子； $k$ 为玻耳兹曼常数，即 1.38× 1010^-23 $\mathrm{J/K}$ ； $R_s$ 为串联电阻； $R_{sh}$ 为并联电阻， $T_{cell}$ 为组件温度， $T_{air}$ 为环境温度， $S$ 为光照强度 $\mathrm{W/{m^2}}$ ，其余为常数。

在理想模型种， $I_{ph}$ ， $I_0$ ， $R_s$ ， $R_{sh}$ 4 个参数给定后，可以求解得到 I/V 曲线。

在给定的光照强度和温度条件下，求解其 I/V 曲线，通过 MPPT 控制得到最大功率点，一般认为 MPPT 点即为光伏板功率出力。

实际工况（S，T）的工程简化模型

由于参数 Iph、 I0、 Rs、 n很难确定，厂家很少提供，一般将理想方程进行工程简化。而实际的工作环境肯定与标准测试条件有所差异。光伏电池的输出特性和外界的环境影响因素有着十分紧密的联系，需要对模型所涉及到的 4 个性能参数依据环境因素对其的影响进行修正，从而实现对任意环境条件下光伏电池输出特性的模拟。

\Delta I=S/S_{ref}

T_{cell} = T_{air}+KS

\Delta U=\left\lbrack1-c\left(T_{ref}\right)\right\rbrack In\left\lbrack e+b\left(S-S_{ref}\right)\right\rbrack

在任意条件下（S，T），组件的 MPPT 峰值电压和峰值电流为：

Ú_m=U_m\Delta U

Í_m=I_m\Delta I

式中， a=0.00025 和 c=-0.0015为温度补偿系数，b=0.000288 为光强补偿系数。标准太阳光照强度 $S_{ref}$ 为 1000 $\mathrm{W/{m^2}}$ ，标准电池温度 $T_{ref}$ 为 25 $^{\circ}$ C； $T_{air}$ 为工况实际环境温度，单位为 $^{\circ}$ C；电池温度系数 K=0.03， $S$ 为太阳光照强度，单位为 $\mathrm{W/{m^2}}$ 。

光伏系统的效率与损失

由于设备自身的不完美性、外界环境因素的影响以及线缆传输过程中的能量损失等多种因素，光伏系统存在多种损失，主要考虑的因素有逆变器的效率损失、变压器的效率损失，灰尘及雨雪遮挡损失、光伏组件串并联不匹配损失、交直流部分线路损失、其它杂项损失。

失配损耗：这主要是由于组串单独组件及不同组串间输出不匹配所导致的损耗。为了优化此损失，一些光伏系统采用组串逆变电器进行短路电流分档，以减小失配损耗。

逆变电器损耗：逆变电器相关损耗包含逆变电器自身损耗以及直流电转换交流电中 MPPT 追踪导致的损耗。逆变电器自身损耗主要包括效率损耗、过载损耗、功率阀值损耗、过电压损耗以及电压阀值损耗等。此外，逆变电器在将直流电转换成交流电的过程中，还会产生电力电子器件的热损失和辅助系统耗电损失。

变压器相关损耗：这主要包括逆变电器自身损耗及抵押转高压过程中的损耗。逆变器在晚上也会持续的消耗电能，需要考虑变压器的空载损耗。

线缆损耗：这主要是由于电压降导致的欧姆损耗，具体损耗需基于项目实际使用的线缆情况而定。线缆损耗主要包括 AC 及 DC 线缆损耗，AC 线缆损耗指AC输出到变压器连接点间造成的损耗，DC 线缆损耗指光伏阵列、汇流箱输出端至逆变器 DC 输入端造成的损耗。

其他损耗：光伏发电系统效率还可能受到灰尘及雨雪遮挡、斑点、组件衰减、温度影响等外界因素的损失。在项目前期，应注意系统的最优化设计，并在项目运行过程中采取一定措施来减少这些影响。

在光伏系统众多损失中，逆变器效率是最重要的。逆变器 MPPT 跟踪效率用效率常数代替。

太阳能光伏组件的 IV 曲线随着光照强度、温度和遮挡的不同在变化着，最大功率点也就在变化了，逆变器需要不断地寻找这个最大功率点，也就是最大功率点跟踪了，这样才能保证全天的电池板能量都能最大化地输出出来，不浪费太阳能资源。

MPPT ，即 Maximum Power Point Tracking ，中文为“最大功率点跟踪”，它是指逆变器根据外界不同的环境温度、光照强度等特性来调节光伏阵列的输出功率，使得光伏阵列始终输出最大功率。光伏阵列的最大功率点跟踪( MPPT )技术，常用的有以下几种：恒电压跟踪法(Constant Voltage Tracking， CVT)、干扰观察法(Perturbation And Observation method， P&O)、增量电导法(Incremental Conductance method， INC)、基于梯度变步长的电导增量法等。

系统效率：

P=Ṕ_m\eta_{in}\eta_{dirt}\eta_{DCcable}\eta_{mismatch}\eta_{ACcable}\eta_{IAM}\eta_{trans}

式中， $Ṕ_m$ 为理想功率， $\eta_{in}$ 为逆变器 inverter 的 MPPT 追踪控制效率， $\eta_{dirt}$ 为受污损遮挡影响后系统效率， $\eta_{DCcable}$ 为直流电缆效率， $\eta_{mismatch}$ 为光伏组件串并联不匹配影响后的系统效率， $\eta_{ACcable}$ 为交流电缆效率， $\eta_{IAM}$ 为太阳辐射入射（IAM）影响后的系统效率， $\eta_{trans}$ 为变压器效率。

推荐的系统效率参考值：

效率损失项目	修正系数
直流电缆效率	99%
光伏组件串并联不匹配修正效率	99%
灰尘及雨雪遮挡修正效率	97%
交流线路效率	99%
逆变器 MPPT 效率	97%
太阳辐射入射（IAM）修正效率	98%
变压器效率	99%

元件说明

属性

CloudPSS 元件包含统一的属性选项，其配置方法详见参数卡页面。

参数

设备参数

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
生产厂商	`manufacturer`		生产厂商	文本	生产厂商
设备型号	`equipType`		设备型号	文本	设备型号
峰值功率Pmax	`MaximumPower`	Wp	峰值功率	实数	峰值功率
峰值工作电压Vmpp	`MaximumPowerVoltage`	V	峰值工作电压	实数	峰值工作电压
峰值工作电流Impp	`MaximumPowerCurrent`	A	峰值工作电流	实数	峰值工作电流
开路电压Voc	`OpenCircuitVoltage`	V	开路电压	实数	在光照条件下，光伏组件输出端口未接负载时的电压值。
短路电流Isc	`ShortCircuitCurrent`	A	短路电流	实数	在光照条件下，光伏组件两端电压为零时的电流。
组件效率STC	`ModuleEfficiencySTC`	%	组件效率	实数	STC工况下组件效率，范围为0-100，一般在15-23 %区间
最大功率温度补偿系数δ	`TemperatureCoefficientsofPmax`	%/ $^{\circ}$ C	最大功率温度补偿系数	实数	最大功率温度补偿系数
开路电压温度补偿系数c	`TemperatureCoefficientsofVoc`	%/ $^{\circ}$ C	开路电压温度补偿系数	实数	开路电压温度补偿系数
短路电流温度补偿系数α	`TemperatureCoefficientsofIls`	%/ $^{\circ}$ C	短路电流温度补偿系数	实数	短路电流温度补偿系数
光伏组件面积	`SinglePanelArea`	㎡	光伏组件面积	实数	光伏组件面积
功率因数	`PowerFactor`		功率因数	实数	功率因数，范围为0-1，一般在0.9-1

基础参数

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
元件类型	`CompType`		选择元件类型	选择	选择交流元件时输出交流电，为光伏交流系统；选择直流元件时输出直流电，为光伏直流系统。
设备配置台数	`DeivceNumber`	台	设备配置台数	自然数	设备配置台数
待选设备类型	`DeviceSelection`		从设备库中选择设备类型	选择	选择数据管理模块录入的设备型号，将光伏系统元件的厂家、产品型号、额定运行参数自动绑定为对应设备在数据管理模块中录入的参数。
损失系数组	`LossCoes`		配置光伏系统各个环节的能量损失系数	表格	可配置的损失类型包括直流电缆损失、光伏组件串并联不匹配损失、灰尘及雨雪遮挡损失、交流线路损失、逆变器 MPPT 的效率损失、太阳辐射入射（IAM）损失、变压器损失等，当仿真参数组的出力模式项为指定出力曲线时失效。

仿真参数

在仿真参数中编辑光伏系统的仿真边界条件，主要包含运行方式和运行策略曲线。

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
出力模式	`PowerMode`		选择光伏系统的出力模式	选择	在输入仿真运行策略前需要指定设备运行模式。有由气象数据计算和指定出力曲线两种模式。若选择由气象数据计算，则光伏系统出力根据气象数据计算得到。若用户已经计算或得到了光伏系统的出力曲线，可以修改为指定出力曲线模式，在出力曲线参数中录入出力曲线即可。
运行策略	`Strategy`		配置光伏系统在不同时刻的设备启停策略	表格	仅当出力模式项为气象数据计算时生效，在表格中录入各个时间段对应的设备启停策略。开始时刻对应每个仿真时刻，启停设备台数不能超过设备配置台数。
出力曲线	`PowerCurve`		自定义光伏系统的出力曲线	表格	仅当出力模式项为指定出力曲线时生效，在表格中录入各个时间段对应的光伏系统的出力。开始时刻对应每个仿真时刻。
光伏板跟踪方式	`TrackingMethod`		选择光伏板跟踪方式	选择	仅当出力模式项为由气象数据计算时生效。可选择固定倾角或单轴跟踪（ NS 轴）
光伏板倾角	`DigAngle`	°	配置光伏板倾角	实数（常量）	仅当出力模式项为由气象数据计算且光伏板跟踪方式项为固定倾角时生效。调节范围 0-360°

优化参数

在优化参数中编辑光伏系统的优化条件。

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
是否优化该设备	`OptimizationChoice`		是否对光伏系统元件的运行方式进行优化	选择	仅当仿真参数组的出力模式项为由气象数据计算时生效。选择是，则设备的运行策略由系统优化得到，不读取仿真参数中设置的运行模式和运行策略；选择否，则系统按照仿真参数的运行模式和运行策略运行。

引脚

光伏系统只有一个电接口引脚，用于将光伏系统元件与其他电设备连接，支持线连接和信号名的连接方式。

引脚的名称、键值、维度、定义描述的详细说明如下表所示。

引脚名	键值 (key)	维度	描述
电接口	`DC/AC`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得光伏系统与其他电元件相连，当基础参数元件类型项是直流元件时，键值为 DC；元件类型项是交流元件时，键值为 AC。

案例

案例1
案例2

以建模仿真平台含风光储交直流配网仿真项目为例。

在数据管理模块录入不同类型的光伏设备；

配置光伏设备的额定运行参数；

然后将基础参数的待选设备类型和数据管理模块中录入的光伏设备绑定；

最后将仿真参数的出力模式项配置为由气象参数计算；

并设定启停策略；

从仿真结果中可以看到该光伏系统元件的运行方式是由气象参数和运行策略决定的。

项目文件下载

含风光储交直流配网仿真项目

光伏出力曲线

常见问题

光伏元件是否准确？

光伏系统出力受多种因素影响，其中关键影响因素有气象条件和太阳能电池模型。

气象参数

平台内置中国大陆区域 8760 小时数据由 NASA 的 POWER（https://power.larc.nasa.gov）和 MERRA2（https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2/）项目提供，NASA地球表面辐照从地球外层的辐照计算得到，受云层及空气质量影响较大，相比于 PVSyst 内置的 Meteonorm8 气象数据库，约有 0-10% 的偏差。

太阳能电池工程模型

以 NOCT 工况为例验证模型有效性: NOCT 是额定电池工作温度（ Normal Operating Cell Temperature， NOCT），是指当太阳能组件或电池处于开路状态，并在电池表面光强强度为 800 W/，环境温度为 20 $^{\circ}$ C，风速为 1m/s 时所达到的温度，正常组件的 NOCT 都在 45 $^{\circ}$ C 左右（此时，k=0.03125）。
收集了晶科、隆基、晶澳等多个太阳能组件的参数，对比 NOCT 工况下的 MPPT 功率，太阳能电池工程模型的结果与厂家实测值的误差约 0-1%，满足实际精度要求。

光伏系统能否进行排列优化？

暂不支持。

光伏系统的交直流元件有什么区别？

选择交流时输出交流电，为光伏交流系统，已经包含组串、支架跟踪、逆变、变压等主辅系统; 选择直流时输出直流电，为光伏直流系统，已经包含组串、支架跟踪等主辅系统，但不包含逆变设备。在能量流计算过程中均为 PQ 节点。

注意，交流元件和直流元件不能直接相连。

光伏系统元件在建模仿真平台使用时需要配置哪些元件参数？数据管理模块需要配置哪些数据？

在对光伏系统元件进行仿真模拟前，务必录入编辑元件的基础参数和仿真参数；

在数据管理模块需要配置光伏设备的额定运行参数。并在基础参数中绑定数据管理模块的光伏设备。

光伏系统元件的运行方式有哪几种配置方式？

共有 3 种

指定出力曲线

若用户已经有光伏系统的出力曲线，此时光伏系统元件的运行方式可完全由用户自己设定。
只需要将仿真参数的出力模式项设置为指定出力曲线，并在出力曲线项中录入各个时间段对应的光伏系统出力。此时基础参数无效，也无需优化，优化参数被禁用。

出力由气象数据计算得到，运行方式不进行优化

此时光伏系统元件的运行方式由气象数据和启停策略计算得到。只需要将仿真参数的出力模式项设置为由气象数据计算，配置光伏板的跟踪方式、光伏板倾斜角等与气象有关的参数，并在运行策略项中录入各个时间段对应的设备启停策即可。

出力由气象数据计算得到，运行方式优化

此时光伏系统元件的出力由气象数据计算，但是不读取仿真参数的设备启停策略，设备启停策略由系统优化得到，主要应用于有弃风弃光的场景，调整设备启停以减小弃风弃光（默认光伏系统元件的跟踪系统不含固定角度，可调整角度以弃光）。需要将优化参数的是否优化该设备项设置为是即可。

启停策略和出力曲线的开始时刻必须和仿真时刻一致吗？

建议保持一致。若启停策略和出力曲线的开始时刻与仿真时刻不一致，平台会自动采用插值和外推算法填充。特别注意：对于启停策略和出力曲线，在仿真时刻之外的时间段策略，为前平推和后平推，即，策略之前的数值始终为策略的第一个值，策略之后的数值始终为策略里最后一个值。

元件定义​

元件功能​

元件原理​

元件说明​

属性​

参数​

设备参数​

基础参数​

仿真参数​

优化参数​

引脚​

案例​

项目文件下载​

常见问题​