存量光伏电站的提质增效方法

摘 要：早期光伏电站建设技术落后，设计水平和建设质量不高，导致设备故障率高、发电能力差，但其所在地的太阳能资源丰富，且选址条件好，具有较大的挖掘潜力。因此，开展存量光伏电站提质增效，是挖掘此类光伏电站的发电潜力、提高光伏电站系统效率，从而保障光伏电站盈利能力的有效措施。针对存量光伏电站存在的技术与设计缺陷，提出提质增效的方法，包括4个步骤：资料收集、现场调研、数据挖掘、效果评价；并以山西省某100 MW存量光伏电站为例，实验证明提质增效后该光伏电站的系统效率提升显著，验证了该方法的有效性，为存量光伏电站提高经济效益提供了参考。

关键词：光伏电站；提质增效；场站特征；系统效率

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0" 引言

2020年9月22日，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上郑重宣告：中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上进一步强调：“到2030年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上”。在国家政策推动下，国内各光伏发电企业以“双碳”为目标，重视新增光伏市场开发，然而忽略了存量光伏电站资产的保值，导致光伏电站精细化管理程度不够，整体运行水平偏低。

截至2022年底，中国光伏发电累计装机容量达到402.94 GW，存量光伏电站规模庞大，并且持续高速发展。这些存量光伏电站不仅具备显著的太阳能资源优势，还享有电价优势，具有巨大的提质增效潜力。推进存量光伏电站提质增效，已成为光伏发电企业调整产业结构、加快绿色低碳转型的重点方向[1]。目前，针对光伏电站智能化运维的研究及应用越来越广泛，例如：无人机结合红外技术、清扫机器人、智能诊断系统等，都是光伏电站提质增效的有效手段。

本文通过对国内不同类型、不同应用场景、不同典型气候区光伏电站的生产运行情况进行调研，深入分析存量光伏电站生产运行过程中存在的问题及解决方案，同时，对存量光伏电站提质增效的方法进行总结，并结合具体案例进行验证。

1" 光伏电站的特征

与火电、水电等传统电力系统相比，光伏电站具有以下特点：

1）类型多样。光伏电站涵盖了山地光伏电站、水面光伏电站、渔光互补电站、农光互补电站、分布式光伏电站等多种类型，应用场景广泛。

2）设备数量多，占地面积大。由于光伏阵列能量密度较低，光伏电站通常需要大量设备，导致占地面积大，增加了管理和维护的复杂性。

3）运行工况复杂。光伏电站的户外运行环境使其在不同气候条件下的表现各异。比如：沿海地区的高湿度环境增加了光伏组件出现电势诱导衰减（PID）的风险；在北方地区，光伏组件则面临较大的风沙、灰尘影响。

4）光伏电站设备更新换代快。光伏发电技术进步迅速，造成系统集成方面存在设备不匹配问题。

5）建设周期短。光伏电站从立项到并网的建设周期通常不超过1年，这种快速的建设施工过程有时会发生质量监督不到位的情况，造成项目投产后缺陷较多。

2" 光伏电站存在的问题

通过对不同类型、不同应用场景、不同典型气候区的光伏电站进行现场调研，对存量光伏电站的共性和个性问题进行了总结[2]，并提出解决方案。

2.1" 共性问题及解决方案

2.1.1" 灰尘损失

光伏电站普遍存在清洗频次较低的问题，导致灰尘损失较大，如图1所示，具体表现在：1）场站周边存在煤矿或化工厂，导致光伏组件表面累积煤焦油类黏性物质，光伏电站的系统效率中的灰尘损失严重；2）山地光伏电站由于分布范围广、环境恶劣、水资源短缺和工程设备无法进入光伏阵列等原因，常出现多年不清洗光伏组件的情况，导致光伏电站系统效率中的灰尘损失严重；3）屋顶分布式光伏电站的光伏组件倾斜角度小，底部长期积灰形成边角彩虹纹；4）采用倾角可调固定式光伏支架的光伏组件由于夏季调整角度小，容易积灰；5）采用平单轴跟踪式光伏支架的光伏组件由于夜间处于水平状态，容易积灰。

2.1.2" 设备故障

光伏电站设备类型多、数量多，逆变器、汇流箱等设备故障率偏高，故障下的逆变器和汇流箱如图2所示。部分设备由于厂家已经退出市场，备品、备件短缺，导致故障发生后处理时间较长，造成发电量损失较大。

2.1.3" 出现零（低）电流支路

通常，光伏组串串联的光伏组件数量较大，当存在MC4插头烧损、保险丝熔断、直流线缆断路和光伏组件故障等情况时，会导致光伏子阵出现零（低）电流支路，如图3所示。

2.1.4" 光伏支架故障

随着技术的不断进步，自动跟踪式光伏支架的应用越来越广泛，但减速机故障、电机故障、控制模块故障、转动轴故障等故障均会影响跟踪系统正常运行，进而影响光伏电站发电量。不同故障类型如图4所示。

2.1.5" 阴影遮挡

部分光伏电站周围草木长势茂盛，由于除草不及时或鸟粪遮挡，导致光伏电站阴影遮挡损失较大，影响其发电量。其中，草木遮挡引起的阴影遮挡损失最为常见。不同光伏组件阴影遮挡情况，如图5所示。

2.1.6" 小结

综上所述，光伏电站的共性问题汇总及提出的解决方案如表1所示。

2.2" 个性问题及解决方案

不同类型光伏电站受所在地地形、地理位置、环境、设计方案等综合因素的影响，所面临的问题存在差异，具体如下。

1）水面光伏电站、渔光互补电站：由于湿度较大，光伏组件易产生PID现象，造成其输出功率下降严重；此类光伏电站场址周围飞鸟较多，鸟粪造成的光伏组件遮挡和热斑问题较为严重；南方地区雨水丰沛，水面光伏电站周边植被长势茂盛，树木对光伏组件的遮挡较为突出。

2）山地光伏电站：山地地区风力较大会导致光伏组件脱落，或产生隐裂问题；此类电站依地势而建，光伏组件方位角差异导致前后排遮挡问题较为严重，光伏组串间匹配损失较大；雷电天气较多，存在绝缘不好而造成集电线路故障频繁的情况。

3）屋顶分布式光伏电站：工业园区的屋顶环境污染较为严重，灰尘损失较大。

4）沙戈荒光伏电站：风沙较大，光伏组件灰尘损失较为严重；且自动跟踪式光伏支架跟踪系统中的减速机易进沙，导致减速器故障较多，运行卡顿。

不同类型光伏电站存在的突出问题及解决方案具体如表2所示。

3" 提质增效方法

光伏电站提质增效主要是指运用创新的管理手段与技术手段，提高电站质量、增加发电效率、降低生产能耗，在发电利用小时数、系统效率、平准化度电成本（LCOE）等核心指标上有所提升。不同类型光伏电站在设备、运行环境等方面存在显著差异，因此提质增效需要结合光伏电站的实际运行情况，有针对性的开展工作，无法通过一套标准方案来推广复制。以“现场调研+现场检测+数据诊断”相结合的方式，分析影响光伏电站发电量的主要因素，并针对性提出解决方案，跟踪并指导场站整改落实。具体方法如下：

1）通过采集光伏电站基本信息，结合光伏电站的设计方案，利用软件模拟光伏电站的理论发电量，并与实际发电量进行对比，从而评估实际发电水平和提升潜力。

2）开展光伏电站全方位诊断，保障电站安全高效运行。从设计、建设、运维等全方位进行检查，从光伏电站设计的合理性、建设质量、安全隐患、设备运行情况及现场运维情况，诊断光伏电站存在的问题，提出建议方案，指导光伏电站运维和技改。

3）结合气候特征、光伏电站类型和设备选型，开展提质增效工作。①气候特征方面，位于南方地区的光伏电站重点关注鸟粪、草木遮挡，以及设备绝缘阻抗；位于北方地区的光伏电站重点关注降雪对发电量的影响。②光伏电站类型方面，水面光伏电站重点关注光伏组件PID效应，山地光伏电站重点关注阴影遮挡和光伏组件隐裂情况，屋顶光伏电站重点关注灰尘损失。③设备选型方面，集中式逆变器重点关注设备故障率，自动跟踪式光伏支架重点关注控制策略。

4）采用“现场调研+电站测试+数据分析”相结合的方法，精准定位影响光伏电站发电情况的主要因素。光伏电站现场对监控系统实时和历史发电数据进行分析，对发电量较低的光伏子阵针对性开展现场调研和测试工作，分析发电量偏低的主要原因，从而针对性提出提质增效措施。

5）以数据挖掘为核心，挖掘光伏电站潜在的隐性问题。目前大部分光伏电站对监控系统暴露的显性问题都能及时消缺，但存在的隐性问题很难发现，如逆变器低效运行、光伏组件衰减过大，通过对光伏电站发电数据进行深度挖掘，多维度分析，解决影响光伏电站发电性能的隐性问题，提升发电能力。

4" 典型案例分析

以山西省某100 MW存量山地光伏电站为例进行案例分析，该项目于2018年12月全装机容量并网，实际装机容量为100.57 MW，现场环境条件复杂，光伏子阵分布地域跨度较大。光伏组件包含单面和双面光伏组件，逆变器包含组串式逆变器和集散式逆变器，光伏支架包含倾角固定式、倾角可调固定式和平单轴跟踪式光伏支架。从资料收集、现场调研、数据挖掘、效果评价4个方面对该项目开展提质增效工作。

4.1" 资料收集

收集光伏电站的基本信息和历史运行数据作为数据分析的基础，主要包括：光伏电站的建设时间、装机容量、容配比、设备情况、发电量、太阳辐照量、弃光电量、缺陷（即故障）记录等。

4.2" 现场调研

对光伏电站的设计合理性、建设质量、设备运行状况、安全隐患等进行全方位式的检查，对灰尘损失，光伏组件衰减特性，热斑特性，隐裂特性，光伏组串的电压、电流、绝缘电阻等关键指标进行现场测试。

4.3" 数据挖掘

根据现场调研情况，结合现场采集的历史发电数据，重点从系统效率、最大输出功率、弃光率、故障损失、遮挡损失、运行电流离散率等多个维度进行数据挖掘，找出隐形问题。

4.4" 效果评价

结合现场调研和数据挖掘，发现该光伏电站主要存在以下关键问题：灰尘损失较大；逆变器无功功率过高影响有功功率输出；倾角可调式光伏支架调整策略不合理；组串式逆变器的MPPT模块未最大化利用，以及集电线路掉电频繁。

4.4.1" "灰尘损失较大

由于光伏电站场址周边为煤矿区，临近煤矿区域的光伏组件污染严重；倾角可调固定式光伏支架因夏季调整角度小的原因，容易积灰，导致灰尘损失较大，如图6所示。

1）整改措施：优化清洗策略。增加临近煤矿区域光伏组件清洗频次，增加至每月清洗1次，同样，将采用倾角可调固定式光伏支架的光伏组件在夏季的清洗频次增加至每月1次；其他区域的清洗频次不变。

2）整改效果：清洗频次调整后，光伏电站整体发电量提升约3%。

4.4.2" 逆变器输出的无功功率影响有功功率输出

部分地区电网要求逆变器输出较高比例的无功功率，造成逆变器必须降低其有功功率，导致逆变器发电能力被限制，从而影响光伏电站的总发电量。

1）整改措施：加强电网沟通，降低逆变器输出无功功率的限定值，或降低母线电压，减少无功功率输出。

2）整改效果：逆变器无功功率降低，最大输出功率限值由74.4 kW提升到了77.3 kW，光伏电站总发电量提升1.03%。整改前后逆变器输出功率特性图对比如图7所示。

4.4.3" 倾角可调固定式光伏支架调整策略不佳

倾角可调固定式光伏支架的倾角根据厂家建议设置，未根据实际光照条件进行优化调整，影响发电效率。

1）整改措施：综合考虑实际工况下灰尘损失、遮挡损失等，制定最优的角度调整策略，通过理论模拟，建议倾角从原来的12°优化调整为17°，如图8所示。

2）整改效果：通过优化调整光伏支架倾角，光伏电站整体发电量提升了0.3%。

4.4.4" 组串式逆变器MPPT未最大化利用

山地光伏电站通常依地势建设，方位角不一致、前后排遮挡等问题严重，更容易产生匹配损失，导致组串式逆变器MPPT模块未最大化利用，如图9所示。

1）整改措施：对未接满光伏组串的组串式逆变器进行优化，确保组串式逆变器每个MPPT模块充分利用，从而减少匹配损失。

2）整改效果：对逆变器各支路接入的光伏组串进行优化后，各支路电流的离散率从2.62%下降到2.27%，下降了0.35%，如图10所示。

4.4.5" 集电线路掉电

山地的雷暴天气较多，建于此种区域的光伏电站的绝缘性能下降会造成集电线路故障；另外，架空线电缆头未固定，由引流线承载其重量，在大风天气摆动幅度较大，造成集电线路掉电。

1）整改措施：对电缆头进行固定，加强线路巡检，检查线路避雷线、避雷器和接地极，检查电缆头发热情况和绝缘子放电情况，并定期对集电线路进行巡检。

2）整改效果：技改后未发生集电线路掉电问题。

4.5" 提质增效效果

对该光伏电站进行提质增效的时间为2020年6—9月底，对提质增效后的光伏电站发电能力进行分析，与2019年9—11月各月的发电情况进行对比，结果如图12所示。与2019年相比，2020年同期发电效率都有所提升，9—11月分别提升了6.11%、9.95%、8.19%，提质增效效果显著。

对提质增效后光伏电站近2年的发电情况进行持续跟踪，分析结果如表3所示。

通过提质增效，光伏电站的系统效率有明显提升，并且一直保持较高发电水平。

5" 结论

本文总结了存量光伏电站在生产运行过程中存在的问题，包括：灰尘损失、设备故障、光伏支架故障等共性问题和不同光伏电站存在的个性问题，并提出了解决方法。同时，提出了一套系统的光伏电站提质增效方法，涵盖资料收集、现场调研、数据挖掘和效果评价4个步骤。通过具体案例，展示了提质增效措施的实施效果：提质增效后，2020年9—11月光伏电站的系统效率较2019年同期分别提升了6.11%、9.95%和8.19%，证明了该方法的有效性。

该方法可精准定位影响光伏电站发电情况的主要因素，强调了持续监测和评估的重要性，针对性提出解决方案，指导光伏电站提质增效，挖掘电站发电潜能。不仅为存量光伏电站的提质增效提供了理论依据和实践指导，也为光伏行业的未来发展提供经验。

[参考文献]

[1] 张彬. 存量光伏电站提质增效方案浅析[J]. 中国电力企业管理，2021（33）：40-41.

[2] 邹永立，史鹏祺. 大型地面光伏电站提质增效[J]. 自动化应用，2023，64（2）：143-146.

METHODS FOR IMPROVING QUALITY AND EFFICIENCY OF EXISTING PV POWER STATIONS

He Jiajia，Xia Haiyang，Zhang Guo，Wang Zhengyang，Xi Yu

（SPIC Qinghai Photovoltaic Industry Innovation Center Co.，Ltd.，Xi'an 710000，China）

Abstract：Early PV power stations suffer from outdated equipment technology，low design standards，and poor construction quality，leading to high equipment failure rates and the PV power stations have poor power generation capabilities. However，the locations of PV power stations have abundant solar energy resources and good site selection conditions，presenting significant potential for development. Therefore，carrying out quality improvement and efficiency enhancement of existing PV power stations is an effective measure to tap the power generation potential，continuously improve the system efficiency and power generation capacity of the power stations，and thus ensure the profitability of PV power stations. This paper proposes methods for quality improvement and efficiency enhancement of existing PV power stations，including data analysis，on-site investigation，and data mining，accurately positioning the problem in four steps. Taking a 100 MW existing power station in Shanxi Province as an example，this paper demonstrates that the system power generation efficiency has been significantly improved after quality improvement and efficiency enhancement，verifying the effectiveness of the method and providing reference for improving the economic benefits of existing PV power stations.

Keywords：PV power stations；improving quality and efficiency；station characteristics；system efficiency