集中式光伏電站發(fā)電效率提升研究綜述

摘" 要：隨著國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的逐步推進(jìn)，新能源特別是光伏發(fā)電占比不斷提高，集中式光伏電站因其較高的發(fā)電效率而備受關(guān)注，成為我國(guó)未來(lái)電力發(fā)展的重要方向。集中式光伏電站是目前光伏發(fā)電領(lǐng)域中發(fā)展較為成熟的一種形式，其大規(guī)模的設(shè)計(jì)和建設(shè)為發(fā)電領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供有效的解決方案。然而，如何進(jìn)一步提升其發(fā)電效率一直是一個(gè)重要的研究課題。在集中式光伏發(fā)電站發(fā)電過(guò)程中，其發(fā)電效率與諸多因素有關(guān)。因此，為提升集中式光伏電站發(fā)電效率，該研究針對(duì)諸多影響因素進(jìn)行分析，并給出具體提升策略，具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光伏電站；光伏逆變器；發(fā)電效率；損耗；影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(fā)電作為一種清潔能源發(fā)電方式，具有環(huán)保、可再生等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。目前，集中式光伏電站的規(guī)模逐年擴(kuò)大，但是在發(fā)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(zhàn)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(wèn)題，同時(shí)還包括運(yùn)維管理等人為因素影響[1-2]。解決這些挑戰(zhàn)可以最大程度地提高集中式光伏電站的發(fā)電效率，達(dá)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(fā)電效率提升的相關(guān)因素，并提出具體的優(yōu)化措施和提升方法，為集中式光伏電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供有價(jià)值的參考依據(jù)，以促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1" 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電是光伏組件將光能轉(zhuǎn)換為直流電，直流電再經(jīng)過(guò)光伏逆變器轉(zhuǎn)變成交流電的發(fā)電技術(shù)。光伏組件是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，成本占比也最大，根據(jù)組件類(lèi)型不同可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅，光伏組件經(jīng)串并聯(lián)后形成光伏方陣。光伏逆變器是一種將光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)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(fā)揮太陽(yáng)電池性能和系統(tǒng)故障保護(hù)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(jiān)控、通信和防護(hù)等設(shè)施構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2" 影響集中式光伏電站發(fā)電效率的因素

影響光伏電站發(fā)電效率的因素諸多，歸納起來(lái)主要分為自然因素、設(shè)備因素、人為因素，要確保光伏電站的高效運(yùn)行，需要在這些方面實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化和管理。

2.1" 自然因素

2.1.1" 太陽(yáng)輻射量影響

在光伏組件轉(zhuǎn)換效率一定的前提下，輻照度強(qiáng)度直接決定光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層的散射、吸收，最終才能被光伏組件利用發(fā)電。大氣的吸收和散射作用會(huì)使達(dá)到地面的輻射量衰減，而衰減作用的大小與太陽(yáng)穿過(guò)大氣的路程有關(guān)[3]。比如，太陽(yáng)高度角低的早晨和傍晚，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣的路程較長(zhǎng)，能量衰減大，太陽(yáng)能光伏板吸收的輻照度小，發(fā)電量自然會(huì)減小。中午太陽(yáng)高度角較大，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣的路程較短，能量衰減小，發(fā)電量自然會(huì)增大。

2.1.2" 溫濕度影響

光伏組件功率和溫度成反比關(guān)系[4-5]，溫度直接影響光伏電站的發(fā)電效率。外界環(huán)境溫度變化及組件在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量致使組件溫度過(guò)高，造成發(fā)電功率下降。

過(guò)高的空氣濕度會(huì)將水汽透過(guò)背板滲透至組件內(nèi)部，空氣濕度過(guò)高會(huì)加大空氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射與散射，導(dǎo)致光伏電站能夠接收到的太陽(yáng)輻射減少，電性能衰減，進(jìn)而降低了發(fā)電效率，影響其發(fā)電量。

2.1.3" 灰塵、遮擋影響

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

灰塵容易附著于組件表面形成遮擋，積灰遮擋會(huì)使發(fā)電效率下降10%以上，積灰嚴(yán)重時(shí)效率會(huì)下降30%以上。

發(fā)生遮擋時(shí)，被異物遮擋的電池片部分的電子躍遷活躍度降低，對(duì)應(yīng)電阻增大，該遮擋區(qū)域?qū)⒊蔀楹哪茇?fù)載，導(dǎo)致遮擋部位溫度升高，光伏組件溫度不均，在局部產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”，組件的光吸收率和導(dǎo)電性降低，組件輸出功率降低，發(fā)電效益減少，嚴(yán)重情況下會(huì)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(shè)備因素

2.2.1" 光伏組件影響

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

2）組件的匹配度影響。串聯(lián)會(huì)由于組件的電流差異造成電流損失，為了減少組合損失，應(yīng)該在電站安裝前嚴(yán)格挑選電流一致的組件串聯(lián)[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(tǒng)的發(fā)電量跟組件的方位角與傾角有很大關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，正南朝向和最佳傾角條件下系統(tǒng)發(fā)電效率最高，因此，系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意。當(dāng)然，地形條件、用地面積等其他因素需要綜合考慮，都需要對(duì)組件的朝向和傾角進(jìn)行取舍。

4）組件功率優(yōu)化技術(shù)。功率優(yōu)化技術(shù)是一種通過(guò)控制光伏組件一直工作在最大功率點(diǎn)、輸出功率時(shí)刻達(dá)到最大的一種控制方法。功率優(yōu)化器可以提升組件的發(fā)電效率，尤其是有遮擋的光伏組件效果更佳[8]。組件功率優(yōu)化技術(shù)在捕捉最大功率點(diǎn)的同時(shí)，還能實(shí)時(shí)反饋單塊光伏組件的運(yùn)行模擬量，包括組件的輸出電壓、輸出電流、溫度及功率，后臺(tái)監(jiān)控可覆蓋至單塊組件，大大提高了現(xiàn)有光伏發(fā)電的自動(dòng)化程度，為排查故障、開(kāi)展巡查等提供便利。光伏組件功率優(yōu)化技術(shù)在提高發(fā)電量和工作效率方面應(yīng)用前景廣闊。

2.2.2" 光伏逆變器影響

1）系統(tǒng)電壓范圍影響。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)電壓等級(jí)為1 000 V，當(dāng)最大直流電壓等級(jí)從1 000 V增加到1 500 V，交流側(cè)電壓由傳統(tǒng)的315、380、400 V上升到540、690、800 V時(shí)，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(jí)后，光伏逆變器在LCL濾波器方面更具成本效益[9]，發(fā)電效率更高。同時(shí)，隨著系統(tǒng)電壓的提升，輸出電流也進(jìn)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(tǒng)的連續(xù)脈寬調(diào)制（CPWM）控制方式是在正弦脈寬調(diào)制（SPWM）算法產(chǎn)生三相原始正弦調(diào)試波基礎(chǔ)上疊加零序電壓分量產(chǎn)生的，其本質(zhì)是相同的，都是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)基于線電壓伏秒相等的調(diào)制方式，傳統(tǒng)的7段式脈寬調(diào)制（PWM）控制機(jī)理沒(méi)有改變[10]。

斷續(xù)脈寬調(diào)制（DPWM）合成思想基于連續(xù)脈寬調(diào)制（CPWM）角度出發(fā)，舍棄冗余小矢量其中的一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將開(kāi)關(guān)序列由7段式變?yōu)?段式，如此，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)將降低1/3。

光伏逆變器開(kāi)關(guān)器件的損耗包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，相較于導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗占據(jù)較大比重。因此采用DPWM控制方式降低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)而提升光伏逆變器效率效果顯著[11-13]，最大轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到99%以上。

3）溫控系統(tǒng)影響。光伏逆變器采用傳統(tǒng)的強(qiáng)制風(fēng)冷溫控系統(tǒng)，可以采用智能溫控風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)的占空比來(lái)控制，再結(jié)合NB/T 32004—2018《光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的光伏逆變器各部位的極限溫度應(yīng)滿足要求來(lái)設(shè)定風(fēng)機(jī)的控制速率，從而減小風(fēng)機(jī)損耗提升系統(tǒng)效率。

4）損耗影響。光伏逆變器損耗對(duì)光伏電站發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益的影響是顯著的。為了最大限度地提高光伏電站的發(fā)電效率，應(yīng)該選用高效率、低功耗的逆變器設(shè)備，并定期進(jìn)行檢測(cè)和保養(yǎng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)運(yùn)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(gè)非常重要的設(shè)備，起到調(diào)節(jié)電能轉(zhuǎn)換、電壓變換等作用。變壓器質(zhì)量和性能的好壞直接關(guān)系到光伏電站的電能輸出和發(fā)電效率。變壓器對(duì)光伏電站發(fā)電量的主要影響因素如下。

1）電壓、電流穩(wěn)定性：如果變壓器的質(zhì)量和性能不佳，容易出現(xiàn)電壓波動(dòng)，進(jìn)而影響光伏電站的發(fā)電效率。電流穩(wěn)定性差，很容易出現(xiàn)線路電流過(guò)載，導(dǎo)致設(shè)備的損壞，從而降低光伏電站的發(fā)電效率。

2）設(shè)備壽命：變壓器質(zhì)量越差，使用壽命也相應(yīng)越短，如果在運(yùn)行中沒(méi)有及時(shí)檢修和保養(yǎng)，就容易導(dǎo)致變壓器故障而影響光伏電站的發(fā)電效率。

為了確保光伏電站的正常運(yùn)行和最大化的發(fā)電效率，應(yīng)該從電壓電流穩(wěn)定性和設(shè)備壽命等角度出發(fā)，選擇合適的變壓器，以及定期進(jìn)行檢修和保養(yǎng)。

2.2.4" 交直流線損

交直流線損是影響光伏電站發(fā)電量的一個(gè)重要因素。由于交直流輸電過(guò)程中存在一定的能量損失，這種損失會(huì)影響到光伏電站的實(shí)際發(fā)電量。

交直流線損會(huì)嚴(yán)重影響光伏電站的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，因此，需要對(duì)光伏電站的線路設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)進(jìn)行優(yōu)化，降低線損，提高光伏電站的發(fā)電效率。提升交直流測(cè)電壓等級(jí)、安裝優(yōu)質(zhì)線纜及加強(qiáng)運(yùn)維管理等，都是解決交直流輸電損失問(wèn)題的有效途徑。

2.2.5" 設(shè)備故障

設(shè)備故障是光伏電站運(yùn)行中面臨的實(shí)際問(wèn)題之一，對(duì)光伏電站的發(fā)電量有很大的影響。光伏電站由眾多電氣設(shè)備構(gòu)成，設(shè)備構(gòu)成十分復(fù)雜，如果某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障不僅會(huì)影響電站運(yùn)行安全，而且會(huì)降低發(fā)電效率。同時(shí)，設(shè)備故障將增加光伏電站的維修成本。設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致工人進(jìn)行修理或更換損壞的設(shè)備，這將增加維護(hù)成本。

因此，降低設(shè)備故障率，提高光伏電站的可靠性和安全性，從而實(shí)現(xiàn)最大化發(fā)電量，是光伏電站運(yùn)營(yíng)管理工作中必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3" 人為因素

2.3.1" 設(shè)計(jì)問(wèn)題

在光伏電站設(shè)計(jì)階段，需要考慮各種因素的綜合影響，確保設(shè)計(jì)合理、施工嚴(yán)謹(jǐn)，從而確保光伏電站達(dá)到最高的發(fā)電效率。

2.3.2" 運(yùn)維管理

光伏電站后期運(yùn)行時(shí)，加強(qiáng)維護(hù)管理是提高光伏電站發(fā)電效率的一項(xiàng)重要舉措。在光伏電站后期運(yùn)維過(guò)程中，需要建立專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，開(kāi)展光伏電站日常維護(hù)工作。運(yùn)維管理對(duì)光伏電站發(fā)電量的主要影響因素如下。

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

2）錯(cuò)誤診斷和恢復(fù)：一旦發(fā)生了故障，需要快速準(zhǔn)確地診斷，并盡快恢復(fù)，以減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和電力損失。及時(shí)診斷和恢復(fù)可以使光伏電站在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間和電力損失。

3）性能監(jiān)控：光伏電站需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性能監(jiān)控，使用更先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和軟件，及時(shí)掌握光伏電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和性能狀況。通過(guò)性能監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換，從而減少故障發(fā)生，并提高光伏電站的發(fā)電效率。

4）人員培訓(xùn)：運(yùn)維人員需要接受培訓(xùn)和提高，掌握運(yùn)行和維護(hù)光伏電站的技能，及時(shí)解決故障，有效保障光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

3" 光伏電站發(fā)展前景

3.1" 組件級(jí)電力電子器件應(yīng)用日益廣泛

由光伏電力電子設(shè)備發(fā)展歷程來(lái)看，從集中式逆變器到組串式逆變器的迭代發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)級(jí)MPPT到組串級(jí)MPPT的升級(jí)，系統(tǒng)發(fā)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(jí)電力電子器件解決方案，通過(guò)實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的組件級(jí)優(yōu)化發(fā)電和監(jiān)控，將會(huì)讓系統(tǒng)發(fā)電量和安全性得到進(jìn)一步提升。

3.2" 人工智能增效

人工智能技術(shù)將普遍應(yīng)用到強(qiáng)波動(dòng)和不確定性高的新能源領(lǐng)域。在系統(tǒng)優(yōu)化方面，利用電站產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)可以尋找最優(yōu)角度，提升光伏發(fā)電效率。利用人工智能對(duì)MPPT跟蹤算法進(jìn)行優(yōu)化，同樣可以提升發(fā)電量。在檢測(cè)診斷方面，利用智能IV診斷功能，在對(duì)組串電流電壓曲線進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，輔助以紅外、可見(jiàn)光等檢測(cè)結(jié)果，全面提升組件故障定位與定性效率。

4" 結(jié)束語(yǔ)

影響集中式光伏電站發(fā)電效率的因素眾多且復(fù)雜，本文針對(duì)自然因素、設(shè)備因素、人為因素等方向進(jìn)行歸納總結(jié)，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(shí)，針對(duì)光伏電站的發(fā)展前景，從電力電子技術(shù)和人工智能等角度入手，分析其發(fā)展前景，為電站投資和運(yùn)營(yíng)人員提供方向指導(dǎo)和行業(yè)觀察。

提升集中式光伏電站發(fā)電效率，充分利用可再生清潔能源，具有較高的市場(chǎng)推廣和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)集中式光伏發(fā)電的發(fā)展具有積極推動(dòng)作用。

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