集中式光伏電站發電效率提升研究綜述

摘" 要：隨著國家“雙碳”目標的逐步推進，新能源特別是光伏發電占比不斷提高，集中式光伏電站因其較高的發電效率而備受關注，成為我國未來電力發展的重要方向。集中式光伏電站是目前光伏發電領域中發展較為成熟的一種形式，其大規模的設計和建設為發電領域的可持續發展提供有效的解決方案。然而，如何進一步提升其發電效率一直是一個重要的研究課題。在集中式光伏發電站發電過程中，其發電效率與諸多因素有關。因此，為提升集中式光伏電站發電效率，該研究針對諸多影響因素進行分析，并給出具體提升策略，具有較高的實用性和推廣價值。

關鍵詞：光伏電站；光伏逆變器；發電效率；損耗；影響因素

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0161-04

Abstract： With the gradual advance of the national \"dual-carbon\" goal， the proportion of new energy， especially photovoltaic power generation is increasing. Centralized photovoltaic power stations have attracted much attention because of their high power generation efficiency， which has become an important direction of electric power development in China in the future. Centralized photovoltaic power station is a relatively mature form in the field of photovoltaic power generation， and its large-scale design and construction provides an effective solution for the sustainable development of the field of photovoltaic power generation. However， how to further improve its power generation efficiency has always been an important research topic. In the power generation process of centralized photovoltaic power station， its power generation efficiency is related to many factors. Therefore， in order to improve the power generation efficiency of centralized photovoltaic power station， this study analyzes many influencing factors and gives specific promotion strategies， which has high practicability and promotion value.

Keywords： photovoltaic power station; photovoltaic inverter; power generation efficiency; loss; influencing factors

光伏發電作為一種清潔能源發電方式，具有環保、可再生等優勢，得到了廣泛應用。目前，集中式光伏電站的規模逐年擴大，但是在發電效率方面仍然存在著提升的空間。集中式光伏電站所面臨的挑戰包括溫度、局部陰影等自然因素影響，也包括光伏組件、逆變器等潛在的電力損耗、效率等問題，同時還包括運維管理等人為因素影響[1-2]。解決這些挑戰可以最大程度地提高集中式光伏電站的發電效率，達到降低能源成本、減少碳排放等目的。

本文旨在探討影響集中式光伏電站發電效率提升的相關因素，并提出具體的優化措施和提升方法，為集中式光伏電站的設計和運營提供有價值的參考依據，以促進光伏發電產業的可持續發展。

1" 光伏發電系統組成

光伏發電是光伏組件將光能轉換為直流電，直流電再經過光伏逆變器轉變成交流電的發電技術。光伏組件是整個發電系統的核心部分，成本占比也最大，根據組件類型不同可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅，光伏組件經串并聯后形成光伏方陣。光伏逆變器是一種將光伏發電產生的直流電轉換為交流電的裝置，作為光伏電站的大腦，不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度發揮太陽電池性能和系統故障保護等功能。由光伏方陣、交直流匯流箱、光伏逆變器、配電柜、升壓變壓器、光伏支架及監控、通信和防護等設施構成光伏發電系統。

2" 影響集中式光伏電站發電效率的因素

影響光伏電站發電效率的因素諸多，歸納起來主要分為自然因素、設備因素、人為因素，要確保光伏電站的高效運行，需要在這些方面實現綜合優化和管理。

2.1" 自然因素

2.1.1" 太陽輻射量影響

在光伏組件轉換效率一定的前提下，輻照度強度直接決定光伏系統的發電量。太陽輻射經過大氣層的散射、吸收，最終才能被光伏組件利用發電。大氣的吸收和散射作用會使達到地面的輻射量衰減，而衰減作用的大小與太陽穿過大氣的路程有關[3]。比如，太陽高度角低的早晨和傍晚，太陽輻射穿過大氣的路程較長，能量衰減大，太陽能光伏板吸收的輻照度小，發電量自然會減小。中午太陽高度角較大，太陽輻射穿過大氣的路程較短，能量衰減小，發電量自然會增大。

2.1.2" 溫濕度影響

光伏組件功率和溫度成反比關系[4-5]，溫度直接影響光伏電站的發電效率。外界環境溫度變化及組件在工作過程中產生的熱量致使組件溫度過高，造成發電功率下降。

過高的空氣濕度會將水汽透過背板滲透至組件內部，空氣濕度過高會加大空氣對太陽輻射的反射與散射，導致光伏電站能夠接收到的太陽輻射減少，電性能衰減，進而降低了發電效率，影響其發電量。

2.1.3" 灰塵、遮擋影響

光伏組件的發電量與灰塵密度、遮擋情況有關，灰塵密度越大或者存在較大面積的遮擋，會嚴重影響集中式光伏電站的發電效率[6]。

灰塵容易附著于組件表面形成遮擋，積灰遮擋會使發電效率下降10%以上，積灰嚴重時效率會下降30%以上。

發生遮擋時，被異物遮擋的電池片部分的電子躍遷活躍度降低，對應電阻增大，該遮擋區域將成為耗能負載，導致遮擋部位溫度升高，光伏組件溫度不均，在局部產生“熱斑效應”，組件的光吸收率和導電性降低，組件輸出功率降低，發電效益減少，嚴重情況下會影響光伏組件的使用壽命。因此，定期清洗組件和消除遮擋尤為重要。

2.2" 設備因素

2.2.1" 光伏組件影響

1）組件的轉換效率影響。光伏組件是影響發電量的最核心因素，光伏組件的轉換率越高發電效果越好。現階段組件轉換效率集中在22.5%左右，部分企業最高轉換效率已超23%。

2）組件的匹配度影響。串聯會由于組件的電流差異造成電流損失，為了減少組合損失，應該在電站安裝前嚴格挑選電流一致的組件串聯[7]。組件的衰減特性也盡可能一致。

3）組件的安裝角度。光伏系統的發電量跟組件的方位角與傾角有很大關系，一般來說，正南朝向和最佳傾角條件下系統發電效率最高，因此，系統安裝設計時務必注意。當然，地形條件、用地面積等其他因素需要綜合考慮，都需要對組件的朝向和傾角進行取舍。

4）組件功率優化技術。功率優化技術是一種通過控制光伏組件一直工作在最大功率點、輸出功率時刻達到最大的一種控制方法。功率優化器可以提升組件的發電效率，尤其是有遮擋的光伏組件效果更佳[8]。組件功率優化技術在捕捉最大功率點的同時，還能實時反饋單塊光伏組件的運行模擬量，包括組件的輸出電壓、輸出電流、溫度及功率，后臺監控可覆蓋至單塊組件，大大提高了現有光伏發電的自動化程度，為排查故障、開展巡查等提供便利。光伏組件功率優化技術在提高發電量和工作效率方面應用前景廣闊。

2.2.2" 光伏逆變器影響

1）系統電壓范圍影響。傳統的光伏發電系統直流側電壓等級為1 000 V，當最大直流電壓等級從1 000 V增加到1 500 V，交流側電壓由傳統的315、380、400 V上升到540、690、800 V時，逆變器LCL濾波器的體積和損耗顯著降低。提高直流電壓等級后，光伏逆變器在LCL濾波器方面更具成本效益[9]，發電效率更高。同時，隨著系統電壓的提升，輸出電流也進一步降低，交直流線損得到有效降低。

2）控制方式影響。光伏逆變器傳統的連續脈寬調制（CPWM）控制方式是在正弦脈寬調制（SPWM）算法產生三相原始正弦調試波基礎上疊加零序電壓分量產生的，其本質是相同的，都是在一個開關周期內基于線電壓伏秒相等的調制方式，傳統的7段式脈寬調制（PWM）控制機理沒有改變[10]。

斷續脈寬調制（DPWM）合成思想基于連續脈寬調制（CPWM）角度出發，舍棄冗余小矢量其中的一個開關狀態，將開關序列由7段式變為5段式，如此，每個開關周期內開關器件的開關次數將降低1/3。

光伏逆變器開關器件的損耗包括導通損耗和開關損耗，相較于導通損耗，開關損耗占據較大比重。因此采用DPWM控制方式降低開關損耗進而提升光伏逆變器效率效果顯著[11-13]，最大轉換效率能達到99%以上。

3）溫控系統影響。光伏逆變器采用傳統的強制風冷溫控系統，可以采用智能溫控風機，轉速通過調節離心風機的占空比來控制，再結合NB/T 32004—2018《光伏并網逆變器技術規范》中規定的光伏逆變器各部位的極限溫度應滿足要求來設定風機的控制速率，從而減小風機損耗提升系統效率。

4）損耗影響。光伏逆變器損耗對光伏電站發電量和經濟效益的影響是顯著的。為了最大限度地提高光伏電站的發電效率，應該選用高效率、低功耗的逆變器設備，并定期進行檢測和保養，及時發現和修復運行故障，降低逆變器的損耗。

2.2.3" 變壓器影響

變壓器是光伏電站中的一個非常重要的設備，起到調節電能轉換、電壓變換等作用。變壓器質量和性能的好壞直接關系到光伏電站的電能輸出和發電效率。變壓器對光伏電站發電量的主要影響因素如下。

1）電壓、電流穩定性：如果變壓器的質量和性能不佳，容易出現電壓波動，進而影響光伏電站的發電效率。電流穩定性差，很容易出現線路電流過載，導致設備的損壞，從而降低光伏電站的發電效率。

2）設備壽命：變壓器質量越差，使用壽命也相應越短，如果在運行中沒有及時檢修和保養，就容易導致變壓器故障而影響光伏電站的發電效率。

為了確保光伏電站的正常運行和最大化的發電效率，應該從電壓電流穩定性和設備壽命等角度出發，選擇合適的變壓器，以及定期進行檢修和保養。

2.2.4" 交直流線損

交直流線損是影響光伏電站發電量的一個重要因素。由于交直流輸電過程中存在一定的能量損失，這種損失會影響到光伏電站的實際發電量。

交直流線損會嚴重影響光伏電站的發電效率和經濟效益，因此，需要對光伏電站的線路設計和運營進行優化，降低線損，提高光伏電站的發電效率。提升交直流測電壓等級、安裝優質線纜及加強運維管理等，都是解決交直流輸電損失問題的有效途徑。

2.2.5" 設備故障

設備故障是光伏電站運行中面臨的實際問題之一，對光伏電站的發電量有很大的影響。光伏電站由眾多電氣設備構成，設備構成十分復雜，如果某一個設備出現故障不僅會影響電站運行安全，而且會降低發電效率。同時，設備故障將增加光伏電站的維修成本。設備故障會導致工人進行修理或更換損壞的設備，這將增加維護成本。

因此，降低設備故障率，提高光伏電站的可靠性和安全性，從而實現最大化發電量，是光伏電站運營管理工作中必須考慮的關鍵問題。

2.3" 人為因素

2.3.1" 設計問題

在光伏電站設計階段，需要考慮各種因素的綜合影響，確保設計合理、施工嚴謹，從而確保光伏電站達到最高的發電效率。

2.3.2" 運維管理

光伏電站后期運行時，加強維護管理是提高光伏電站發電效率的一項重要舉措。在光伏電站后期運維過程中，需要建立專業的維護隊伍，開展光伏電站日常維護工作。運維管理對光伏電站發電量的主要影響因素如下。

1）定期檢查和維護：光伏電站設備需要定期檢查和維護，包括組件清洗，更換損壞的組件和電纜，檢查和調整逆變器設置等。

2）錯誤診斷和恢復：一旦發生了故障，需要快速準確地診斷，并盡快恢復，以減少設備停機時間和電力損失。及時診斷和恢復可以使光伏電站在最短時間內恢復正常運行，最大限度地減少停機時間和電力損失。

3）性能監控：光伏電站需要進行實時性能監控，使用更先進的監測技術和軟件，及時掌握光伏電站的實時數據和性能狀況。通過性能監控，可以及時發現隱患點，及時進行維護或更換，從而減少故障發生，并提高光伏電站的發電效率。

4）人員培訓：運維人員需要接受培訓和提高，掌握運行和維護光伏電站的技能，及時解決故障，有效保障光伏電站的穩定運行。

3" 光伏電站發展前景

3.1" 組件級電力電子器件應用日益廣泛

由光伏電力電子設備發展歷程來看，從集中式逆變器到組串式逆變器的迭代發展，實現了從系統級MPPT到組串級MPPT的升級，系統發電量提升3%以上。而從組串式逆變器到以微型逆變器為代表的組件級電力電子器件解決方案，通過實現光伏系統的組件級優化發電和監控，將會讓系統發電量和安全性得到進一步提升。

3.2" 人工智能增效

人工智能技術將普遍應用到強波動和不確定性高的新能源領域。在系統優化方面，利用電站產生的海量數據可以尋找最優角度，提升光伏發電效率。利用人工智能對MPPT跟蹤算法進行優化，同樣可以提升發電量。在檢測診斷方面，利用智能IV診斷功能，在對組串電流電壓曲線進行分析的基礎上，輔助以紅外、可見光等檢測結果，全面提升組件故障定位與定性效率。

4" 結束語

影響集中式光伏電站發電效率的因素眾多且復雜，本文針對自然因素、設備因素、人為因素等方向進行歸納總結，給出其影響因素及提升效率的方法措施，助力光伏電站效率提升，增加電站投資收益。同時，針對光伏電站的發展前景，從電力電子技術和人工智能等角度入手，分析其發展前景，為電站投資和運營人員提供方向指導和行業觀察。

提升集中式光伏電站發電效率，充分利用可再生清潔能源，具有較高的市場推廣和應用價值，對集中式光伏發電的發展具有積極推動作用。

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