光伏電站運維現狀分析

周亞男

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100040)

0 引言

自2011 年以來，中國光伏產業發展迅猛，尤其是2016～2022 年，光伏發電年新增裝機容量均不低于3000 萬kW；2023 年前3 季度光伏發電新增裝機容量更是達到12894 萬kW，同比增長145%，具體增長情況如圖1 所示。

圖1 2011—2023 年前3 季度中國光伏發電總裝機容量與年新增裝機容量變化情況Fig. 1 Total installed capacity and annual newly added installed capacity changes of PV power generation in China from 2011 to first three quarters of 2023

據國家能源局統計數據顯示，截至2023 年9 月底，全國光伏發電總裝機容量已達到5.2 億kW，其中，集中式光伏發電的總裝機容量為2.95億kW，分布式光伏發電的總裝機容量為2.25億kW；2023 年前3 季度，全國總光伏發電量為4369 億kWh，同比增長33%；2022 年全國光伏發電平均利用率已達98.3%，同比提升0.3 個百分點。為了進一步加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系，2022 年5 月國家發展和改革委員會、國家能源局發布了《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》(國辦函[2022] 39 號)，提出到2030 年中國風電、太陽能發電總裝機容量達到12 億kW 以上的目標。這一目標的提出將進一步促進中國光伏發電的快速發展。據國際能源署(IEA)此前的預測，到2027 年，光伏發電將超越煤電、天然氣和水電，成為全球裝機容量最大的電力來源。

雖然國內光伏電站的規模不斷擴大，但在這一過程中，其建設與運行也暴露出了一些問題。比如，一些光伏電站開發企業為了搶占太陽能資源，人為縮短光伏電站的設計與建設時間，導致出現光伏電站前期設計不合理、施工質量不達標等問題[1]。從國內光伏電站實際運行情況來看，當前許多光伏電站的運維與管理還處于相對粗放的程度，且一些光伏電站的高技術水平運維人員配備不足，導致電站的后期運維困難。隨著新能源發電走向高質量發展之路，光伏電站的精細化管理也受到越來越多的關注，光伏電站的提質增效也隨之成為各大發電企業的工作重點。

為了進一步了解目前中國光伏電站運維中存在的問題，本文從云南省、貴州省、湖北省、寧夏回族自治區、山西省、內蒙古自治區、青海省、河北省、陜西省、四川省、上海市、新疆維吾爾自治區、江蘇省、甘肅省、遼寧省、江西省這16 個地區選取46 個光伏電站作為研究對象，針對這些電站在2021 年的技術監督過程中在光伏電站技術管理、節能與光伏發電單元這3 個方面出現的重點問題進行詳細統計分析，用于反映光伏電站的運維現狀；并針對這些問題，從國家、行業標準與新技術角度給出相關建議。

1 光伏電站技術管理中存在的問題

本文選取的46 個光伏電站的規模大小不等，裝機容量在1～50 MW 之間，投產時間最早的為2013 年，最晚的是2020 年。從技術管理方面來看，這些光伏電站存在4 類重要問題，出現總頻次為40 次，問題的具體內容及占比如表1 所示。

表1 光伏電站在技術管理方面存在的重要問題的內容及其占比Table 1 Content and proportion of important issues in technical management of PV power stations

下文分別針對4 類重要問題進行分析。

1.1 未定期開展光伏電站無人機巡檢

統計發現，2021 年46 個光伏電站中共有15個光伏電站未定期開展無人機巡檢，問題類型占比為32.61%。

相比于人工巡檢，無人機巡檢通常可以發現更多問題，比如光伏組件內連接斷開、光伏組件熱斑、太陽電池碎裂、光伏組串缺失等缺陷與故障，且無人機巡檢的效率、準確度和靈活性均更好。隨著無人機性能的逐年提升，光伏電站巡檢時由無人機巡檢取代人工巡檢，已逐步成為主要巡檢方式[2]。

無人機巡檢可通過搭載多光譜相機進行光伏組件數據的快速采集，通過對光伏組件紅外圖像進行分析處理，實現其缺陷的準確定位；同時，結合可見光圖像可實現對光伏組件缺陷類型的判別，指導光伏電站運維人員對存在缺陷的光伏組件采取適當的修復手段[3]，有效保障光伏電站的安全、高效運行。此外，基于光伏電站的站內情況及電站的電子地圖，無人機可實現自主尋找最優巡徑和避障控制功能，為其進一步在復雜地形光伏電站中的應用提供技術保障[4]。

但實際上很多光伏電站并未采用無人機巡檢技術，一方面是因為光伏電站自身條件不具備采用無人機巡檢技術，或者不具備對無人機巡檢結果進行分析處理的能力，無法自主開展無人機巡檢工作；另一方面是因為成本較高，若通過尋求外部技術力量開展無人機巡檢，則光伏電站運維成本會相應增加，對于一些運維資金不充足的光伏電站而言，定期開展無人機巡檢的意愿就不會很強。

結合無人機巡檢技術的優勢與其在光伏電站中已相對成熟的應用現狀，建議還不具備無人機自主巡檢的光伏電站針對該項技術開展相關技術人員的培訓，培養自主操作無人機巡檢與檢后數據處理分析的能力，并在此基礎上構建光伏電站無人機巡檢結果數據庫，這樣有利于光伏電站的后期高質量運維。

1.2 不重視光伏電站工程移交生產工作

統計發現，46 個光伏電站中共有13 個光伏電站在工程移交生產工作方面存在問題，問題類型占比為28.26%。

工程試運和移交生產驗收內容及這期間需要開展的測試等工作均在GB/T 50796—2012《光伏發電工程驗收規范》中有明確規定。在這些方面存在問題的光伏電站主要表現為不重視工程移交生產工作，導致此類工作開展不到位，出現光伏場區內未完工現象較為嚴重的情況，比如，部分角度調節連桿、角度調節液壓桿、光伏組件等設備未完成全部安裝，升壓站內部分尾工未完成，未定期開展光伏發電量核算和光伏組件、逆變器等設備的測試。

上述問題的出現會給光伏電站后期運維造成不良影響，新建光伏電站投運生產前必須認真對待工程移交生產工作，盡量避免此類問題的出現。

1.3 未按設計要求及時調整固定可調式光伏支架傾角

統計發現，46 個光伏電站中共有31 個光伏電站的光伏支架為固定可調式光伏支架，其中，7 個光伏電站出現了固定可調式光伏支架傾角未按設計要求及時調整的技術管理問題，問題類型占比為22.58%。

對不同設計裝機容量的并網、離網光伏發電系統進行光伏支架優化設計時，可根據不同安裝地點的氣象、太陽輻照量數據庫資料，結合設備、材料及人工成本，從技術性、經濟性等諸多方面優選出可靠性和可操作性較好的一種光伏支架方案[5]。

固定可調式光伏支架是通過調整光伏支架傾角來保證光伏組件可以獲得更多的太陽輻射，相較于固定不可調式光伏支架，固定可調式光伏支架可以提高光伏電站的全年發電量。但在光伏電站實際運行過程中，固定可調式光伏支架的傾角調整情況并不理想，這主要是因為固定可調式光伏支架的主體結構與固定不可調式光伏支架的大體相同，有些光伏電站會直接將固定可調式光伏支架作為固定不可調式光伏支架使用，而當固定可調式光伏支架的調節機構缺少維護時，其會卡澀不易調整，導致減少了調整次數。此外，有的光伏電站所處地形復雜，全站調整一次傾角所耗人力與時間過多，出于管理人員積極性或成本原因，也會導致此類光伏電站的光伏組件安裝傾角未按照可行性研究報告中設計角度調整。上述情況均會造成光伏電站發電量損失，以及出現綜合系統效率達不到設計值的問題。

選取出現此類問題光伏電站中的1 個光伏電站，其可行性研究報告顯示，該光伏電站每年需要調整4 次所有光伏支架的傾角，最短的調整時間間隔為2 個月，其全年的光伏支架傾角調整計劃如表2 所示。

表2 某光伏電站的全年光伏支架傾角調整計劃Table 2 Annual PV bracket inclination adjustment plan for a PV power station

從該光伏電站2021 年7 月的現場實際情況來看，其17 個光伏子陣中僅有7 個光伏子陣的光伏支架傾角為13°，其余10 光伏子陣的光伏支架傾角仍為50°。由此可知，該光伏電站在4 月和5 月時，其光伏支架傾角也未按照設計要求調整為24°。根據該光伏電站實際發電能力估算，7月時光伏支架傾角為50°與其為13°時的發電量相差幅度可達15%～20%，未按設計進行光伏組件傾角調整已嚴重降低光伏組件發電能力。

在光伏電站建設前期的可行性研究階段，針對光伏支架形式進行經濟性比選時，建議將光伏支架傾角調整困難問題帶來的成本增加與收益減少部分也考慮在內。

1.4 光伏電站的實際系統效率與可行性研究報告中數值偏差較大

統計發現，46 個光伏電站中有5 個光伏電站出現了實際的光伏電站系統效率(PR)與可行性研究報告中的數值偏差較大的問題，且主要出現在新投產的一部分光伏電站中，問題類型占比為10.87%。

光伏電站系統效率是評價光伏發電系統性能的關鍵指標，是光伏發電系統實際輸出功率與理論輸出功率的比值，即整個光伏發電系統在扣除所有損耗(包括太陽輻照損失、線損、器件損耗、灰塵損耗、熱損耗等)后實際輸入到電網的功率與理論輸出功率的比值。光伏電站運營過程中需要掌握這一指標的真實值，若與設計值偏差較大，則需要根據偏差對影響因素進行逐一分析，以找出重要影響因素，然后有針對性進行系統效率提升。

從上述5 個光伏電站中選取1 個，根據該光伏電站的上網電量和太陽輻照度數據，可計算得到該光伏電站在2021 年8 月的系統效率為112.3%，顯然該數據失真，且與可行性研究報告中的數值偏差較大。從剩下的4 個光伏電站中再選取1 個光伏電站，根據該光伏電站的上網電量和太陽輻照度數據，可計算得到該光伏電站2021 年前7 個月的系統效率為78.15%，而該光伏電站可行性研究報告中對應的值為81.6%。

上述兩個光伏電站的系統效率分別存在數據失真和數值偏低兩種情況。針對數據失真問題，建議此類光伏電站每月至少檢查和維護一次輻照儀，確保氣象站檢測儀器數據準確；如果出現光伏電站系統效率明顯比可行性研究報告中數值偏低的情況，此類光伏電站可根據相應數據開展功率預測模型優化升級、系統效率計算過程具體分析等方式尋求解決方案。

2 光伏電站節能中存在的問題

從節能方面來看，所選光伏電站存在5 類重要問題，出現總頻次為64 次，具體如表3 所示。

表3 光伏電站在節能方面存在的重要問題的內容及其占比Table 3 Content and proportion of important energy saving issues in PV power stations

2.1 未開展光伏組件功率衰減及相關效率計算

統計發現，46 個光伏電站中有17 個光伏電站出現了未開展光伏組件功率衰減檢測的問題，問題類型占比為36.96%，有16 個光伏電站出現了未開展逆變器轉換效率檢測的問題，問題類型占比為34.78%，有19 個光伏電站出現了未開展光伏電站系統效率計算的問題，問題類型占比高達41.30%。

在光伏電站運維過程中，通過開展光伏組件功率衰減、逆變器轉換效率檢測能及時發現光伏組件及逆變器存在的問題，有助于及時更換效率低下的設備，有效提高發電效率。而光伏電站系統效率是評價光伏發電系統性能的關鍵指標，光伏電站應定期開展相關數據的計算與分析，若發現異常，及時排查處理，可提高光伏電站發電效率。有條件的光伏電站可建立運維數據在線監測與計算平臺，這樣可以保證光伏電站關鍵參數的及時獲取與處理，有助于快速了解電站當前運行狀態。

2.2 氣象數據不準

統計發現，46 個光伏電站中有8 個光伏電站出現了氣象數據不準確的問題，問題類型占比為17.39%。

光伏電站發電性能評估離不開準確的氣象數據和太陽輻照度數據。在光伏電站監測系統中氣象數據發揮著重要作用，精確的氣象數據是評估光伏電站發電性能參數的關鍵。因此，每個光伏電站監測系統都需要一組氣象監測傳感器和幾塊不同種類的太陽輻射檢測儀表，用于計算光伏電站核心評估指標。這些傳感器與檢測儀表組成了光伏電站氣象站，其一般布置在箱式控制室頂部，配有固定爬梯，電站工作人員需定期檢查和維護傳感器與輻照儀，確保氣象站檢測儀器數據準確，并根據數據開展功率預測、“兩個細則”考核、系統效率計算與分析工作。斜面輻照儀傾角未及時跟隨光伏組件安裝傾角調整、氣象數據未上傳至監測系統、輻照儀臟污、輻照儀被遮擋、氣象站風向標和風速儀卡澀等問題均會造成氣象數據不準確。

根據GB/T 38335—2019《光伏發電站運行規程》要求，及時調整輻照儀角度及更換損壞設備，確保氣象數據穩定可靠，便于進行光伏電站運行情況分析。建議光伏電站每月定期開展氣象站維護工作，保持輻照儀表面清潔，并保證氣象站各項監測數據的準確。

2.3 光伏輸出功率超短期預測與短期預測合格率不符合規范要求

統計發現，46 個光伏電站中有4 個光伏電站出現了光伏輸出功率超短期預測與短期預測合格率不符合規范要求的問題，問題類型占比為8.70%。

GB/T 33599—2017《光伏發電站并網運行控制規范》與NB/T 10128—2019《光伏發電工程電氣設計》中要求，光伏電站發電時段(不含輸出功率受控時段)的短期預測月平均絕對誤差應小于0.15，月合格率應大于80% ；超短期預測第4 h 月平均絕對誤差應小于0.10，月合格率應大于85%。國內各區域電力監管機構也出臺了相應的考核辦法，對光伏電站的輸出功率預測合格率進行考核，有些區域的能源監管局對光伏輸出功率預測合格率甚至有更高的要求，比如，華北能源監管局在2022 年修訂的《華北區域光伏電站并網運行管理實施細則》中規定，光伏電站中短期輸出功率預測中的日前預測準確率應大于等于85%，超短期輸出功率預測準確率應大于等于90%。此類考核費用占輸出功率預測效果欠佳光伏電站總考核費用的比例較高，在本文選取的光伏電站中有的光伏電站的這一比例達到了95%。

事實上，近年來國內外很多學者和廠家在光伏電站輸出功率預測準確性提升方面做了大量研究和嘗試，也取得了不錯的效果[6]。尤其是一些新技術、新算法的出現[7-11]，使輸出功率預測在工程實際應用中的準確性得到不斷提升。建議光伏電站擁有者多關注相關研究成果與廠家的相關新產品，適時進行預測模塊的優化升級。

3 光伏發電單元存在的問題

光伏發電單元方面，所選光伏電站存在6 類重要問題，出現總頻次為78 次，具體內容如表4 所示。

表4 光伏電站在光伏發電單元方面存在的重要問題的內容及其占比Table 4 Content and proportion of important issues in PV power generation unit in PV power stations

3.1 光伏組件存在遮擋、臟污、灰塵、破損、老化等問題

統計發現，46 個光伏電站中有38 個光伏電站出現了諸如光伏組件被植被、鳥糞、其他物體遮擋等問題，問題類型占比高達82.61%，屬于所選光伏電站中比較高發的問題，也是國內光伏電站中比較常見的一類問題。有6 個光伏電站出現了光伏組件表面有臟污、灰塵問題，問題類型占比為13.04%。13 個光伏電站出現了光伏組件破損、老化問題，問題類型占比為28.26%。

遮擋、臟污、灰塵、破損、老化問題均會影響光伏組件發電性能，影響光伏電站發電量，而且遮擋、臟污、灰塵有時還會使光伏組件出現熱斑，損壞光伏組件，更有甚者會發生火災，對光伏電站安全運行造成威脅。有些光伏電站的光伏組件表面灰塵較多、污漬沉積嚴重，影響光伏組件透光率；有的光伏電站中光伏組件存在背板發黃、蝸牛紋、太陽電池銀柵線腐蝕、焊帶氧化等異常現象；甚至有的光伏組件出現了爆板破損問題。上述情況均會對光伏組件的安全運行造成隱患，影響發電量。

GB/T 50796—2012 與GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中均有針對光伏組件遮擋的處理要求，當出現光伏組件被植被、鳥糞遮擋等情況時，建議光伏電站制定清掃、除草計劃，定期清理光伏場區內雜草、鳥糞，使光伏組件無遮擋；針對鐵塔遮擋區域的光伏組件需分析遮擋造成的熱斑對光伏組件壽命及發電量的影響，當影響程度超過標準要求時，需遷移此區域光伏組件或優化調整遮擋線纜的走向，使光伏組件處于無遮擋狀態，避免產生熱斑效應。根據GB/T 36567—2018《光伏組件檢修規程》中的規定，光伏電站還需定期對光伏組件進行檢測，評估設備發電性能。建議巡檢時發現頑固污漬后及時清理，避免產生熱斑，造成光伏組件損壞，并及時聯系光伏組件供應商，依據合同規定對存在異常情況的光伏組件進行售后理賠。此外，應根據光伏電站技術經濟性評價結果，更換功率衰減嚴重的光伏組件或增加因功率衰減而損失的裝機容量。

3.2 固定式光伏支架傾角偏差大或光伏組串方位角偏差大

統計發現，46 個光伏電站中有11 個光伏電站出現了固定式光伏支架傾角偏差大或組串方位角偏差大問題，問題類型占比為23.91%。

當固定式光伏支架中存在部分光伏支架傾角偏差較大，超過設計值要求范圍時，會導致光伏支架上的光伏組件之間交叉形成夾角并產生相互遮擋現象，從而影響光伏電站發電量。有的光伏電站中存在同一串光伏組串內的光伏組件表面呈現波浪狀起伏的情況，導致同一串光伏組串的方位角存在較大差異，從而產生電流失配現象，影響光伏組件發電性能。

GB/T 50796—2012 中規定光伏支架傾角需要根據設計值進行調整，建議光伏電站定期安排人員去現場查看光伏支架傾角是否符合設計值要求。關于光伏組串方位角的規定在GB 50797—2012 中有所體現，需保證光伏組串方位角一致。建議光伏電站定期對同一個光伏組串的方位角進行現場檢查，對于偏差較大的光伏組串所在光伏支架平面進行調整，保證方位角的一致，避免電流失配。

3.3 未定期開展光伏組件相關抽樣檢測

統計發現，46 個光伏電站中有5 個光伏電站出現了未定期開展光伏組件EL 抽樣檢測問題，問題類型占比為10.87%；有5 個光伏電站出現了未定期進行光伏組件的電流I、電壓V特性一致性抽樣檢測問題，問題類型占比為10.87%。

NB/T 32034—2016《光伏發電站現場組件檢測規程》中規定，光伏電站每年需開展光伏組件EL 抽樣檢測，排查光伏組件是否存在隱裂、碎片及電勢誘導衰減(PID)現象，當光伏組件運行安全或發電量受到影響時，應進行故障檢修或更換光伏組件；若光伏組件檢測后的EL 圖像結果與光伏組件初始EL 圖像相比無明顯變化，則光伏組件符合要求。

建議光伏電站每3 個月進行一次光伏組件的I-V特性抽樣檢測，如果電流、電壓測試結果與被測光伏組件的標稱值偏差較大，則需要及時查明原因。當偏差超過5%時，應按照故障光伏組件的檢修方式進行檢修，并針對電流偏差或電壓偏差大于5%的光伏組串中的所有光伏組件開展光電轉換效率測試。

4 結論

本文針對國內16 個地區的46 個光伏電站在2021年的技術監督過程中在光伏電站技術管理、節能與光伏發電單元這3 個方面存在的重點問題進行了詳細統計分析，用于反映光伏電站的運維現狀；并針對這些問題，從國家、行業標準與新技術角度給出了相關建議。得到以下結論：

1)在光伏電站技術管理方面，未定期開展光伏電站無人機巡檢是比較有代表性的一類問題，無論是管理角度還是技術角度都需要光伏電站管理者給予足夠的重視。

2)在節能方面，光伏電站未定期開展光伏組件功率衰減檢測、逆變器轉換效率檢測、光伏電站系統效率計算是相對高發的問題，這些問題需要光伏電站進行重點關注。

3) 在光伏電站的光伏發電單元方面，光伏組件存在遮擋、臟污、灰塵、破損、老化問題屬于多發問題，也是最能反映光伏電站管理水平的重要方面，需要光伏電站給予關注。

運維人員的運維水平與光伏電站日常管理水平都會對光伏電站產生重要的影響。新運維技術的應用與管理水平的提高是當前光伏電站需要重點關注的方向。