维护存量光伏电站、提高电站发电能效是光伏领域的重要课题。数字化与太阳能光伏系统的集成优化研究具有重要的理论和实践意义^［1］。目前在平价上网背景下，通过数字化转型降低成本、提高效率是光伏产业提高竞争力的重要途经之一。提高光伏发电效率的方法主要包括优化最大功率点追踪 (maximum power point tracking, MPPT)算法、优化光伏逆变器控制策略和改善光伏逆变器拓扑结构等。这些方法应用于光伏电站建设前的设备选型过程中。对于已建成运行的光伏电站，则主要通过更换衰减设备的方式增加发电量，但该方式新增投资高，回收周期长。

本文通过“软硬结合”的方式。硬件上，通过增设增压补偿装置，探讨采用直流电压补偿装置补充光伏组串发电能力，以解决光伏组件衰减导致的逆变器直流侧输入电压降低和有功转换效率下降问题的可行性。软件上，利用大数据分析手段，提出了光伏逆变器全功率段效率量化方法和发电效率衡量指标，用于验证直流电压补偿装置对光伏电站能效的提升效果，以及评估逆变器能效水平，从而为场站提质增效提供技术支撑。

1 光伏组件能效提升发展现状 1.1 利用硬件改造提升光伏电站能效

目前组件匹配及线路和直流转换为交流等因素均会影响光伏电站效率。运行年限较长的光伏电站可通过硬件设备升级改造进行提质增效。升级改造主要针对组件、逆变器、集控系统、汇流箱、无功补偿等。目前光伏电站技改主要分为3个方面：一是效益型技改，包括电站增容改造、老旧设备更换、电势诱导衰减（potential induced degradation，PID）效应抑制装置改造等；二是生产型技改，包括自动电压控制（automatic voltage control, AVC）系统升级改造、无功补偿改造、监控系统升级技改；三是安全性技改^［2–6］。

1.2 利用智能算法提升光伏电站能效

光伏电站的数据一般容量较大且冗杂繁多，且光伏电站本身的不稳定性、区域性和分散性，给光伏电站的监控、通信和运行管理带来了巨大挑战^［7］。通过对光伏设备运行状态的监控大数据进行统计、分析，形成有针对性的数据模型，从而对光伏电站进行有效的智能管理，并及时发现运行中存在的问题，为光伏电站的运维及提质增效的解决方案提供数据支撑^［8］。

目前光伏发电系统优化主要采用智能算法提高光伏发电系统发电效率和可靠性^［6］。国内外研究的优化方案主要包括：

（1）针对光伏发电系统发电量的优化。例如由于不同天气条件下光伏发电量存在差异，将智能算法引入光伏发电系统中，模拟各种天气条件下的光照条件，使光伏发电系统的发电量最大化。优化电站光功率预测系统算法，从而提高光功率预测准确性^［9–11］。

（2）针对光伏发电系统发电效率的优化。由于传统的光伏发电系统效率低下，研究人员通过引入智能算法、调整太阳能电池板的布局和安装角度以提高系统的光吸收效率等方式，提高光伏发电系统发电效率^{［12–13］}。

（3）针对光伏发电系统控制策略的优化。固定的控制策略未考虑太阳能光照不稳定性等问题，而智能算法可进行主动控制，使系统优化控制策略更加灵活和自适应。

2 逆变器直流电压补偿理论 2.1 光伏逆变器有功转换效率影响因素

逆变器有功转换效率与其直流侧输入功率息息相关。当负载率较低时，有功转换效率呈上升趋势。当负载率达到一定水平后，有功转换效率几乎不再发生变化。负载率取决于光伏组串的输出功率，也即取决于太阳辐射强度和光伏组件的转换效率^［14］。

另一方面，逆变器直流侧输入电压也是有功转换效率的影响因素。一般情况下，逆变器额定直流输入电压约等于最大交流输出电压的1.414倍。以交流输出电压最高253 V为例，（253×1.414） V=358 V，所以额定直流电压定义为360 V。不同电压下逆变器有功转换效率有明显区别^［[15］。额定直流输入电压360 V下有功转换效率最高。因此，如果将逆变器直流侧电压设计在额定电压附近，则逆变器有功转换效率较高^［16］。

2.2 直流电压补偿装置

基于前期直流微网研究成果和直流末端适配技术，研发光伏直流补偿实验验证装置。该装置串联接入光伏组串，并通过设定输出电压使其所在光伏组串的整体输出电压保持在最优工作电压。当光伏组串因老化原因输出电压下降时，可通过调整直流电压补偿装置的输出电压补充光伏组串的发电能力，同时提高电网稳定性^［17］。图1为本文所提的直流电压补偿装置拓扑结构图。

直流电压补偿装置理论上对于光伏场站提升发电量具有如下益处：

一是通过叠加低功率段光伏组串输出功率，增大了清晨和傍晚时段逆变器输入功率，使逆变器提前并网并延后离网，从而增加发电时长；

二是提升了光伏组串输出电压，补充了因光伏组串衰减造成的电压下降，有利于逆变器工作在额定电压附近，从而使有功转换效率保持在较高水平^{［18–20］}。

3 实验过程

某光伏电站分为50个区，每区设置A逆变器和B逆变器，每台逆变器额定输出功率为500 kW。

29区A、B逆变器各设置8台直流汇流箱，A、B逆变器下分别有108、120个光伏组串。按光伏组件铭牌计算，组串理论最大发电能力为4 804.8 W。

实验分为两个阶段：第一阶段将直流电压补偿装置安装于29区A逆变器的7号（A7）直流汇流箱的输入端；第二阶段受现场环境因素及安装条件限制，将直流电压补偿装置分别安装于29区A逆变器剩余的7台（A1～A6，A8）直流汇流箱的输入端。各阶段实验装置安装点位如图2所示。

同时，为29区两台逆变器安装远程数据采集系统，如图3所示，其中：DTU为数据传输单元；HTTP为超文本传输协议。采集数据包括16台直流汇流箱的输出电流、逆变器直流侧输入电压以及逆变器交流侧输出功率。

4 数据分析 4.1 逆变器有功转换效率评价方法

该电站逆变器有功转换效率特性如图4所示。由图可见，逆变器有功转换效率散点图存在1条“主线”，但是受测量误差和外部环境等因素的影响，“主线”周围分布着异常点，若直接对数据进行回归分析会产生较大误差，因此首先对数据进行清洗。清洗步骤为：

第一步：初始化有效样本点集A为空，并观察逆变器运行数据范围，确定滚动初始点P_s和滚动终止点P_e（以29区A逆变器为例，P_s为50 kW，P_e为500 kW）；

第二步：设定切片长度l和滚动步长s，l≥s；

第三步：以P_s为起点、l为切片长度划分第一个切片，利用k−means聚类寻找第一个切片的簇中心，将与簇中心的有功效率相差不超过1%的点作为第一个切片的有效样本点，放入有效样本点集A中；

第四步：以P_s+s为起点划分第二个切片，筛选有效样本点，并将其放入有效样本点集A的尾部，依此类推，直至P_e纳入切片范围并筛选出有效样本点为止；

第五步：当l＞s时，切片之间存在重叠，即一个样本被多次存放于A中，此时需要删除A中重复的数据，从而得到最终有效样本点集。

有效样本点集中样本的数目定义为“有效样本数”。对经数据清洗后的有功转换效率散点进行回归分析，得到逆变器全功率段有功转换效率，如图5所示。

逆变器的综合发电效率定义为不同负载率下有功转换效率的加权和，权重由光资源分布决定。计算步骤为：

（1）以5 kW为间隔，计算直流输入功率数值分别在[0，5]、(6，10]、(11，15]…(496，500]范围的概率，记为向量a；

（2）计算每个直流输入功率区间中点的有功转换效率，记为向量b；

（3）逆变器综合发电效率$ {\boldsymbol{\eta}}={\boldsymbol{a}}\cdot {\boldsymbol{b}}^{\mathrm{T}} $。

4.2 实验数据分析 4.2.1 第一阶段实验结果分析

第一阶段实验仅在A7直流汇流箱的输入端安装实验装置。为排除环境因素影响，选取安装实验装置后某晴天一天内的A逆变器运行数据，将A7直流汇流箱数据与A逆变器剩余未安装实验装置的7台直流汇流箱数据进行对比。

A逆变器直流侧电流、电压、功率对比如图6所示。由图6可知：

（1）第一阶段实验中仅于A逆变器单条进线安装增压装置，故A逆变器直流侧电压略高于B逆变器的，平均增幅为0.82%，但仍可确定增压装置具有一定的增压效果；

（2）安装直流电压补偿装置的A7直流汇流箱的电流显著高于具有相同组件数的A3、A4、A8直流汇流箱的。由图6（a）可知：A7直流汇流箱电流比A4直流汇流箱的大4.28%；A7直流汇流箱单支路组串最大日实时平均增发功率为2.38 kW，最大时刻增发功率为4.12 kW。可见，该补偿装置有效补充了光伏组串的发电能力。

4.2.2 第二阶段实验结果分析

为更好地对比增加增压补偿装置对光伏发电能力及逆变器效率增益的影响，第二阶段实验在A逆变器除A7直流汇流箱以外的剩余7台直流汇流箱的输入侧均安装了实验装置。

为排除环境因素影响，选取安装实验装置前、后峰值发电功率在近似晴天的一天内的A、B逆变器运行数据进行对比。

图7为A、B逆变器输入功率对比。图8为安装电压补偿装置前、后，A、B逆变器平均MPPT电压对比。图9为安装电压补偿装置前、后逆变器有功转换效率对比。表1为29区A、B逆变器上报发电量对比。

由以上对比可知：

(1)对比A、B逆变器MPPT电压可看出，安装增压补偿装置前，A逆变器平均MPPT电压与B逆变器的相近，而安装增压补偿装置后，A逆变器平均MPPT电压较B逆变器的约提升10%，证明此时增压补偿效果显著。

(2)对比A、B逆变器在不同功率下的有功转换效率可看出，安装增压补偿装置后，在低功率下A逆变器有功转换效率相对于B逆变器的有一定提升。

(3)由输入功率曲线可看出，所选安装增压补偿装置前、后两个典型日输入功率曲线近似，且光照强度等环境因素近似。由日峰值输入功率并对比A、B逆变器上报的日发电量可看出，安装增压补偿装置前，A、B逆变器因下属组串容量不同，发电量差值约为300 kW·h，但安装增压补偿装置后，A逆变器的发电量较B逆变器的提升约50 kW·h。可见，该补偿装置有效提升了光伏组串的发电能力。

对逆变器的有功转换效率进行计算。取增压实验装置安装前3个月和安装后3个月的数据进行分析。在不同功率下，A、B逆变器有功转换效率对比如图10所示。表2为增压实验装置安装前、后A/B逆变器有功转换效率量化表。

由图10可知，未安装增压补偿装置的B逆变器受自身存在衰减以及积灰等因素影响，其综合发电效率比安装3个月后的整体下降0.1个百分点；在25%负载率下有功转换效率下降尤为明显，下降0.07个百分点。而安装增压补偿装置的A逆变器的综合发电效率比安装前的提升0.13个百分点，且在25%负载率下运行时效率提升尤为明显，提升0.32个百分点。对比A、B逆变器在安装增压补偿装置后的有功转换效率可知，在25%负载率下A逆变器有功转换效率相较B逆变器的提升1.1个百分点，A逆变器综合发电效率相较B逆变器的提升1.31个百分点。说明安装增压补偿装置后，在一定程度上抑制了设备性能衰减以及积灰等因素带来的效率降低的影响，且在低负载运行时有功转换效率提升更为显著。

5 结论

在新能源平价上网的背景下，通过在场站逆变器进线端增设增压补偿装置，研究采用直流电压补偿装置补充光伏组串发电能力，解决由于光伏组件衰减导致逆变器直流侧输入电压降低和有功转换效率下降问题，并通过实验证明该方法对场站提质增效具有一定可行性。主要结论为：

（1）增加直流电压补偿装置可有效提升电压。排除环境因素影响后，日平均提升电压可达10%。

（2）增加直流电压补偿装置可有效提升发电量。排除环境因素影响后，日平均发电量有一定提高。

（3）安装增压补偿装置后，在一定程度上抑制了设备性能衰减以及积灰等因素带来的效率降低的影响，且在低负载运行时有功转换效率提升更为显著，可达0.32个百分点。

本方法为光伏场站提质增效提供了一种有效的技改路径，如未来应用于光伏场站时可考虑将补偿装置内化于汇流箱或设备硬件中以降低成本。本方法对场站全寿命周期经济效益提升效果显著。