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1、7 6 周 治，吕康，范小苗 光 伏 系统设计 软件 简介 文章编号：1 0 0 6-2 6 1 0(2 0 0 9)0 6 0 o 7 6 o 4 光伏 系 统 设 计 软 件 简 介 周 治，吕 康，范小苗 (中国水电顾问集团西北勘测设计研 究院，西安7 1 0 0 6 5)摘要：随着中国光伏产业的发展，光伏系统设计软件在大型、并网光伏电站系统设计中的应用越来越广。为了不 断的提高设计质量和效率，有必要对目前国内外常用的光伏系统相关设计软件进行了解。分3类对其中常见的几 个软件进行了简单的介绍。关键词：光伏系统；设计；软件 中国分类号：T M 6 1 5 文献标识码：A Br i e f
2、o n d e s i g n s o f t wa r e o f pho t o v o l t ai e s y s t e m ZHOU Zh i，L V Ka n g，F AN Xi a o-mi a o (N o r t h w e s t H y d r o C o n s u l t i n g E n g i n e e r s。C HE C C，X i a n 7 1 0 0 6 5，C h i n a)Ab s t r a c t：W i t h t h e d e v e l o p me n t o f p h o t o v o h a i e i n d u s
3、t r y i n Ch i n a，t h e d e s i g n s o f t w a r e o f p h o t o v o h a i c s y s t e m i s mo r e a n d mo r e a p p l i e d i n l a r g e p h o t o v o l t a i c p o w e r s t a t i o n s i n g a d T o i mp r o v e t h e d e s i g n q u a l i t y a n d e ffi c i e n c y，i t i s n e c e s s a r
4、y t o k n o w t h e c o mmo n d e s i gn s o f t ware s r e l a t e d t o p h o t o v o l t a i c s y s t e ms a t h o me a n d a b r o a d T h e p a p e r b fi e t h e u s u a l s o f t wa r e s i n 3 t y p e s Ke y wo r ds：p h o t o v o l t a i c s y s t e m；d es i g n；s o f t ware 0 引 言 员在实际选用中有所
5、帮助。从长远来看，太阳能作 为清洁能源和可再生能 源之一，未来的发展前途无量。一方面，人类用电量 不断上升，发电能源价格 随之上升。据国际能源署 的统计，2 0 0 0-2 0 0 5年，全球发 电用化 石能源的平 均价格上涨了6 7。另一方面，光伏发电在技术创 新和硅料价格下降的情况下，发 电成本 不断下降。预计 2 0 2 0-2 0 3 0年间，太阳能光伏发电将开始大规 模进入主流能源市场。随着中国太阳能光伏产业的发展，有必要对 目 前国内外的光伏系统相关设计软件进行 了解，从 中 挑选合适的软件进行辅助设计。从而大大减少计算 量、提高效率和准确度，并优化设计成果。笔者将目前国内外常用的
6、光伏系统相关设计软 件大致分为三大类进行简单 的介绍，以期对设计人 收稿 日期：2 0 0 9-0 7-0 6 作者简介：周治(1 9 7 7 一)，男，陕西省 大荔 县人，工 程师，从 事光 伏电站系统设计工作 1 系统仿真工具 1 1 TRNS YS T R N S Y S的全 称 为 T r a n s i e n t S y s t e m S i m u l a t i o n P r o g r a m，即瞬时系统模拟程序。该软件由美国威斯 康星大学建筑技术与太阳能利用研究所的研究人员 开发，并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善，到今天版本 己达到 1 6 0。该 系统的最大的特
7、 色在 于其模块化的分析方式。所谓模块分析，即认为所 有系统均由若干个细小的系统(即模块)组成，一个 模块实现一种特定的功能，如热水器模块，单温度场 分析模块、太 阳辐射分析模块、输 出模块等。因此，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，这些模块程序就可 以对某种特定 系统进行模拟，最 后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。由此可 以看出该分析系统 的优越之处。该软件系统复杂、功能强大，适用于系统仿真研究。1 2 I NS EI I N S E L是综合模拟环境语 言(I N t e g r a t e d S i mu l a 西北水电 2 0 0 9年 第6期 t i o n E
8、n v i r o n me n t L a n g u a g e)的缩写，它能为建立应用 模型提供综合环境和图形程序语言。其基本方式为 连接块和块图形来表示某种仿真任务。最早用于可 持续能源系统，首个版本 由德 国奥丁伯格大学物理 系全体教职人员组成的可持续能源组完成。经典 的计算 机 程 序基 于算 法程序 语 言(如：F O R T R A N，C)，在程序运行的整个阶段其主要部分 均需要被严格控制。而图形程序设计语言采用完全 不同的方式，在这里数据流扮演 主要角色而不是语 句。这种语言提供能被 鼠标连接的图形符号来建立 众多的结构。该软件系统复杂、功能强大，适用于系 统仿真研究。1
9、3 H()MER H O ME R是一个小型电力系统优化模型软件，可应用在各种并网和离网的电力系统评估设计任务 中。其中含有光伏电力模块，主要侧重于系统优化 和敏感性分析。模拟：H O ME R通过计算一年 8 7 6 0 h的能量平 衡来模拟特定系统的运行，每一个时刻，H O ME R都 能够把该系统所能提供的能量于瞬时的电或热需求 进行 比较，并 计算 系统 每一 个组 件 间的能量 流。H O ME R能演示用户关心的每种系统的能量平衡计 算：配置是否可靠、是否能满足指定条件下的电力需 求、评估系统安装和运行的全寿命周期成本。优化：在各种系统配置模拟完成后，H O ME R显 示一个通过
10、净现值排 序的配置方案列表，以便用户 选择。敏感性分析：当用户在输入参数 中定义 了敏感 变量后，H O M E R能够重现每个指定敏感变量的最 优化过程。总体来说，以 f：儿种软件复杂程度较高，普通设 计人员 二 手较难，且 对光伏发 电系统设计计算 帮助 不大，主要应用于系统优化及变量敏感性分析方面。2 纶济性 价 具 计：I)j R E T S c r e e n清洁能源项 目分析软件是 目前 中国 经常使用的对光伏发 电系统进行倾 角 和发电量 计算的软件。它足【加拿大政府资助开发的独特决 策支持_ I 具。该软件完全免费，并提供有中文语言 支持。可以在全球范围内使用，用以评估各种能效
11、、可再生能源技术的能源生产量、节能效益、寿命周期 成本、减排量和财务风险。软件也包括产品、成本和 气侯数据库。R E T S c r e e n软件功能比较强大，具有 中文界面，使用容易上手。可对风能、小水电、光伏、热电联产、生物质供热、太阳能采暖供热、地源热泵等各类应用 进行经济性、温室气体、财务及风险分析。但不太适 用于专业的光伏发电系统设计。软件中的全球气象 数据库来 自美国航空航天局，其地面数据与中国的 气象站提供的地面数据有较大差别，在使用时应予 注意。3 光伏 系统分析和设 计工具 3 l P VSYS T P V S Y S T(目前版本 4 3 7)是 目前光伏系统设计 领域
12、比较常用软件之一，它能够较完整地对光伏发 电系统进行研究、设计 和数据分析。涉及并 网、离 网、抽水系统和 D C 一 网络(公共传输)光伏系统，并 包括了广泛的气象数据库、光伏系统组件数据库，以 及一般的太阳能工具等。P V S Y S T提供 了 3种水平上的光伏 系统研究，基本对应于实际项 目不同的发展阶段。初步设计：在这种模式下，光伏发电系统的产出 仅需输入很少的系统特征参数而无须指定详细的系 统单元即可被非常迅速的用月值来评估，还可以得 到一个粗略的系统费用评估。项 目设计：用详细的小时模拟数据来进行详细 的系统没计。在“项 目”对话框 中，设 人员可以模 拟不同的系统运行情况并比较
13、它们。这个模块在设 计光伏阵列、选择逆变器、蓄电池组或泵等方面能给 设计人员提供很大的帮助。详细数据分析：当一个光伏系统正在运行或被 详细监控时，这部分(位于工具部分)允许输出详细 数据(几乎任何 A S C I I 格式)，并以表格或者图形的 形式显 示。此外，在“工具”中还包含 了数据库管理，如气 象数据库、光伏组件数据库以及一些用于处理太阳 能资源 的特定工具(从 不同数据源 中导 入气 象数 据、气象数据或太阳相关几何参数的表或图形显示、晴朗天空的辐射模型、光伏阵列在部分 阴影或组件 失谐条件下的性能等等)。均可 由用户自行扩展。软件主界面如图 1 所示。7 8 周治，吕康，范小 苗
14、光伏 系统设 计软件 简介 图 1 P v S YS T软 件 主 界 面 图 总之，P V S Y S T软件功能全面，模型数据库的可 扩充性很强，比较适合于光伏发电系统的设计应用。3 2 P V S OI P V半 S O L是一个光伏系统设计和计算程序，它 专为计划部 门、技术 人员、能源顾 问和教 育机构设 计。P V S O L从 不同的技术和经济角度来评估光 伏发电系统，另外，每个系统的生态效益都可以通过 污染排放计算得到。这些计算基于时平衡，最终结 果可以图形、项 目详细报告等形式显示或打印。软件功能：可进行离网和并网发电系统设计；光 伏阵列可 以被设置在不同的角度；方便地选择光
15、伏 组件、系统逆变器等；系统中不同搭配的光伏组件和 逆变器的 MP P(最大输出功率)跟踪；各种 阴影 的影 响分析(建筑物、树等)，可用 图形或表 的方式输入 阴影；监视部分负荷时光伏组件和逆变器的性能；详 细的系统组件数据库能够 由用户 自定义扩展；定义 不同负荷下的电力需求；可输入单独负载如洗衣机、咖啡机、电视和电灯；关于能量生产 需求的详细信 息以及其它各种经济分析；所有 的数据库单元都能 被用户 自定义扩展。软件主界面如图2所示：图 2 P VS O L软件主界面图 该软件的最大优点是提供了大量的用户可扩充 接口，主要包括：光伏组件数据库、逆变器数据库、蓄 电池数据库、负载概况、单独
16、装置、由电网供电产生 的费用、向电网供电产生的费用、混合污染、MP P跟 踪等。另外，其气象数据库包括 了欧美许多 国家和 地区的详细时数据，并可由用户 自定义扩充。这个 特点使 P V S O L软件 比较适合于光伏发电系统设 计应用，具有一定的实用价值。3 3上海电力学院设计软件 软件由上海电力学院采用 C“语言编制(内含中 国太阳能辐射资料库)，主要有 3个模块，太阳辐射计 算模块、并网系统设计模块、独立系统设计模块。软件的太阳辐射计算模块界 面见 图 3(黑色框 内所示为输入数据)：图 3 软件的太阳辐射计 算模块界面图 计算后可输 出统计结果。经 与 R E T S c r e e
17、n软 件计算结果数据 比对，其计算得到 的最佳倾角一般 偏小 2。4。这是 由于该软件太阳辐射计算模块 采用了 K l e i n S A和 T h e i l a c k e r J C所提 出的月平 均太 阳辐射 量方 法 计 算 倾斜 面上 的太 阳辐 射 量 所引起 的。并网系统设计模块包括 2个 内容：一是 已知太 阳电池方阵容量，可计算得到全年光伏系统的最大 发电量和太 阳电池方阵的最佳倾角，以及 1 2个月光 伏系统的发电量；二是根据负载用 电量来确定达到 用电平衡时，可计 算得到所需方 阵的最小容量、1 2 个月光伏系统的发 电量及负载用 电量、全年光伏系 统的发电量以及太阳电
18、池方阵的最佳倾角。独立系统设计模块适用于为固定 日负荷供电的 独立光伏电源系统的设计，也可适用于月平均负荷 变化不超过 1 0 的独立光伏电源系统。该软件适 合作为光伏发电系统设计计算辅助工具。但功能仍 然不很强大，有待于进一步完善。3 4 PV FCh a r t P V F C h a r t 是 用于光伏 发电 系统设计 和经济 西北水电 2 0 0 9年 第6期 7 9 分析的软件。由美国威斯康星大学太阳能实验室用 于评估公用接 口光伏系统(并 网)、蓄电池 系统、无 接 口或蓄电池系统(离 网)的长期性能。程序包含 众多地点的天气数据。软件还可以对光伏系统设计中的各个参数的相 关性进
19、行分析，可生成图形并打印。该软件未提供中国气象参数(也无气象参数输 入接口)，故无法进行数据测试。另外，其经济分析 参数不适用于中国，故该软件对 国内光伏发电系统 设计帮助不大。3 5 CONERGY C o n e r g y I P G S i z e r 是一款用较少 的输入得到光 伏阵列最佳匹配的逆变器的工具，德 国 C o n e r g y公 司出品。主要有以下几步即可得到结果：(1)选择想要的光伏组件类型；(2)输入设计功率或光伏组件数量得到光伏阵 列的尺寸；(3)预选逆变器(仅能选择 C o n e r g y 公司产品)；(4)输入计算最佳结果的一些必须值。该软件可显示上百种
20、匹配的结果，并可从中选 取不同方面的最佳组合。软件还可对光伏组件数据 库进行修改、删除、扩充等操作。该软件为逆变器厂商的选型软件，使用面较窄，仅作为辅助设计工具。3 6 S u n t r,1)s i g n S u n n y D e s i g n为 S MA(艾思玛太阳能技术)公司 的光伏 系统设 计软件。使用 S u n n y D e s i g n设计软 件，首先需输入光伏 电站基本数据，如安装地点、组 件类型、组件朝向和光伏 电源 组件数量及接 口等。然后根据其他数据的特性，选择某种逆变器，与指定 光伏组件进行匹配计算，从而选 出最佳匹配逆变器。它可用于评估电站数据及运行状况，可
21、 自动检测 电 站设置(如果需要，也可手动进行)，可评估电站在 1 a内的运行情况(如转换效率，能源利用或电量产出 等)。评估结果可 以做成报告，内容和设计也可根 据需要而有所改动。其逆变器数据库中包含 S MA公司所有逆变器 的参数(S u n n y B o y，S u n n y M i n i C e n t r a l，S u n n y C e n t r a 1)。光伏组件数据库中包括所有当前 以及最新 的 组件型号等数据。该软件属厂商的选型软件，使用面较窄，当设计 选用 S MA公司的逆变器产品时，可以用它作为辅助 设计工具。3 7 S o l a r Pr o S o l a
22、 r P r o，t3本 L a p l a c e S y s t e m公 司出品，是 一 个可视化 程度很 高 的太 阳能分析 工具。采 用 3 D C A D建模，可进行全年动态阴影分析，光伏组件最 优化分析，经济分析等。软件将光伏系统计算和计 算机图形技术结合在一起，可以直观地看到建筑物 阴影对光伏阵列 的影响。软件还可以进行 I-V图 形输出、电力图形输 出及进行经济分析等。总体而 言，这是一款非常不错的光伏系统分析软件。3 8其它 3 8 1 ME TEONORM M E T E O N O R M为太 阳能及应 用气象学 的全球 气象数据库，可通过该软件查到几乎地球上任何地 方
23、及时刻的相关数据。可作为设计参考资料使用。3 8 2小型计算工具 除了以上几类软件外，还有一些小型的采用微 软 E X C E L编制的计算工具，如 s o l r c，L e i t u n g s b e r e c h n u n g，G e n A u等，这些工具功能 比较单一，可在光伏 发电系统设计中根据实际情况选用。4 结论及建议 通过对以上软件 的简单介绍及笔者的试用，对 以上光伏系统相关软件总结如下：在太阳能辐射 计算方面，可选择 R E T S c r e e n软件和上海 电力学院 设计软件。在 进 行 系统 集 成设 计 时，可 选 择 P V S Y S T软件和 P
24、V S O L软件。其它小型计算 工具可在具体设计中作为补充。文章介绍的软件除上海 电力学院设计软件外，其余均为国外设计软件，尽管其 中的某些软件提供 了数据库扩充接 口，但在具体使用时仍存在各种问 题。随着 目前中国并 网光伏发电系统的迅猛发展，在系统集成设计方面，亟需开发 出适合 中国国情的 具有独立知识产权的光伏系统设计软件。参考文献：1 K l e i n S A C a l c u l a t i o n o f m o n t h l y a v e r a g e i n s o l a t i o n o n t i l t e d s u r-f a c e s J S o
25、l a r E n e r g y，1 9 7 7，1 9(4)：3 2 5-3 2 9 2 K l e i n S A，T h e i l a c k e r J C A n a l g o r i t h m f o r c a l c u l a t i n g m o n t h l y a v e r a g e r a d i a t io n o n i n c l i n ed 8 11 r f a c e 8 J J o u rnal o f S o l a r E n e r g y E n g i n e e r i n g，1 9 8 1，(1 0 3)：2 9-3 3 3 杨金焕，葛亮，蒋秀丽，等 太 阳能辐射 资料 库的创建 J 可 再生能源。2 0 0 4，(5)：1 4 1 6