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# 光伏发电模型库

# 概述


TYPhotovoltaicPower 光伏发电模型库包括环境模型、光伏发电设备、电力变换设备、电力输送设备、电能存储设备、控制器、负载、传感器、边界等模型。可用于光伏发电系统建模与分析，分析光伏系统受环境影响后的发电性能，优化光伏系统配置和调度策略，具体应用场景包括光伏电厂数字化建模、太阳能房屋光伏发电系统、航天光伏供电系统、公共设施光伏供电系统、风光互补发电系统等。

# 功能要点

  • 满足离并网发电系统建模需求

    涵盖常用的光伏发电系统设备模型，可快速高效的构建光伏离并网系统，辅助用户进行光伏发电系统相关设备的选型设计与效能评估。

  • 支持光伏系统控制策略设计验证

    基于光伏发电模型库，可进行并网控制、MPPT 控制等仿真，开展光伏发电系统动态特性和不同环境条件下响应特性分析，可用于辅助设计和优化光伏发电系统的控制策略。

  • 满足高效和高精度仿真需求

    变换器模型包含开关电路、平均值和开关函数三种类型，其中平均值模型可在保证变换器功能的基础上有效提高系统的仿真效率，从而模拟和预测光伏发电系统的运行状态和性能，有效提高系统的可靠性和可用性。

  • 支持多颗粒度建模仿真

    支持光伏阵列细颗粒的仿真，同时可结合综合能源系统模型库、风力发电模型库等，实现多颗粒度建模仿真。

  • 多阶段、多场景仿真分析

    支持用于设计、研发和运维阶段，开展容量配置优化、设备性能检测、基于数字孪生的系统运维、系统运行监测等多个应用场景。

  • 支持光伏板多种故障形式模拟

    光伏阵列可模拟短路、短路、遮挡故障，预测和评估光伏发电系统在故障情况下的行为和性能，模拟系统在不同故障工况下的动态响应。

# 模型库目录

TYPhotovoltaicPower 光伏发电模型库提供了光伏发电系统构成所需的设备模型，主要包括：环境模型、发电设备、电力变换设备库、电力输送设备库、电能存储设备库、控制系统库、负载库、传感器库和边界库设备模型，覆盖了光伏发电系统典型应用实例，支持快速构建光伏发电系统数字化模型，开展光伏发电系统设计、运行和评估，以及控制策略验证等工作。

名称 描述
UsersGuide 用户指南 提供模型库概述、联系方式、版本说明等介绍文档
Components 通用模型库 提供电容、电感、电阻和有功、无功功率计算等通用模型
Environment 环境模型库 提供光照环境模型
Generators 发电设备库 提供多种太阳能电池模型，包括简单太阳能电池、集中参数光伏阵列、考虑串并联结构的光伏阵列以及分布式光伏阵列
PowerConverters 电力变换设备库 包括开关电路型、平均值型和开关函数型，提供了 Boost 升压斩波、Buck 降压斩波、单向全桥逆变器、半桥变换器、三相全桥逆变器等
PowerTransmissions 电力输送设备库 提供了汇流箱、滤波器、线路、电网、变压器等模型
ElectricalStorages 电能存储设备库 提供了蓄电池模型
Controllers 控制系统库 提供 MPPT 控制器和并网控制器等模型
Loads 负载库 提供了单相、三相的恒定电流负载和恒定功率负载
Sensors 传感器库 提供常用的电气传感器和热传感器
Sources 边界库 提供常用的电气边界和热边界
Interfaces 接口库 提供了控制接口和电学接口

# 主要模型

# 应用场景

光伏发电模型库可以支撑的应用场景主要包括光伏发电站、工商业光储微电网、光储直流系统（如航天能源系统、直流楼宇）、综合能源领域等，其中场站光伏发电系统为本模型库主要应用场景。根据不同研发阶段应用分为以下的场景使用：

  • 设计阶段

    • 光伏阵列容量配置优化

      在光伏发电项目设计阶段，光伏发电模型库可辅助用户进行光伏系统相关设备的选型设计与效能评估，进行系统多方案优选分析，旨在通过优化光伏阵列的容量、布局，实现光能利用效率最大化、发电成本最小化及经济效益最佳化的研究与实践。

    • 光伏系统拓扑设计与评估

      根据不同光伏系统拓扑结构，可进行离网、并网等不同形式的光伏发电系统设计，并通过设备选型和优化配置，评估设计方案合理性。

  • 研发阶段

    • 环境因素对发电效率的影响评估

      通过改变环境因素，如光照强度、入射角、遮挡率等，可分析评估不同环境条件下的光伏发电效率。

    • 光伏侧、网侧控制策略设计、优化与验证

      控制策略设计、优化与验证是光伏发电系统研发的核心环节之一。基于光伏发电模型库，可进行 MPPT 控制、并网控制等仿真，对光伏发电系统的动态特性和各种环境条件下的响应特性进行模拟，其主要作用是保证光伏阵列的可靠运行，获取最大光能转化效率，以及提供良好的电力质量。

    • 光伏发电系统暂态、稳态仿真分析

      通过对光伏发电系统进行系统级的仿真分析，研究光伏系统在短时间内的动态行为（如光照或负载变化）及长时间运行中的稳定性（如功率输出的平稳性、系统的运行效率等），从而优化光伏发电系统的设计、提升其稳定性与效率，并有效预测系统在不同运行情况下的行为，为实际部署和运营提供可靠依据。

  • 运维阶段

    • 光伏阵列设备性能监测

      通过实时采集、分析光伏系统光伏阵列的运行数据，监测设备在不同工作条件下的实际表现。设备监测内容包括光伏板（输出电压、输出功率）、变换器（电压、电流）等，通过对仿真结果的比对分析，识别性能异常或潜在故障，采取预防性维护措施，提高设备的可靠性和运行效率。

    • 光伏系统数字孪生运维

      通过将实时数据与物理动态模型结合，构建光伏系统数字孪生模型，实现同步其物理状态和运行环境，进行实时状态监测、故障诊断与预测、性能优化和运维决策支持等。

# 应用案例

光伏系统由光伏阵列根据阳光的光照强度和入射角度将太阳能转化为直流电，通过 MPPT 算法跟踪环境变化来实时调整工作点，使其始终工作在最大功率点，从而最大限度的利用太阳能进行发电。光伏阵列发出的直流电通过并网逆变器转化为交流电，逆变器根据电网的电压和频率调整输出的交流电，确保与电网同步，并且按照设定的功率因数进行调节。

光伏并网发电系统包括环境模型、光伏阵列、Boost 升压斩波、电容、电感、电阻三相全桥逆变器、电网、MPPT 控制器、并网控制器和电压电流传感器等模型，系统原理图如图所示：

光伏并网发电系统模型图：

下图展示了光伏阵列在 MPPT 控制器的调控作用下的输出电压，由仿真结果可知，光伏阵列的输出电压稳定在 290 V，该电压为该光伏阵列在辐照强度为 1000 W/m2，温度为 25℃ 环境条件下输出功率最大值所对应的输出电压。

光伏阵列输出电压变化曲线：

下图展示了光伏阵列在 MPPT 控制器的调控作用下的输出功率与最大输出功率的对比曲线，由曲线可知，光伏阵列的实际输出功率与最大输出功率很接近，即 MPPT 控制器实现了光伏阵列的最大功率输出。

光伏阵列输出功率与最大输出功率对比曲线：

下图展示了 Boost 升压斩波变换器的输出电压，即逆变器输入直流电压。由仿真结果可知，该电压在并网控制器调控下稳定于设置值 800 V，该值的稳定确保了最大功率跟踪的高效运行，提高了整体效率，还保护了逆变器和电网的安全稳定运行。

Boost 升压斩波输出电压变化曲线：

下图展示了经三相全桥逆变器变换后输出的三相电流与电网电压，由仿真结果可知，三相全桥逆变器在并网控制器控制作用下输出的电流与电网电压频率相同，从而确保电网的稳定性，提升并网逆变器的工作效率。

并网电流与网侧电压变化曲线：