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摘要：由于光伏具有清洁安全、无污染的优势，光伏电站在能源领域已经显示出至关重要的作用。然而为使光伏电站的成本与传统能源相比具有竞争力，持续进行了光伏电站的优化研究，研究内容包括安装场地内的组件布置、逆变器拓扑、电缆、光伏组件和逆变器数量、光伏组件倾角和遮光效应。为了选择最合适的系统参数组合，本文概述了安装光伏电站所使用的主要部件，包括光伏组件、逆变器、变压器和接线。检查了光伏电站应用的不同逆变器拓扑结构，并对这些拓扑结构进行了比较。

关键词：光伏电站，光伏，优化，并网，优化设计，逆变器

1.引言

能源对提高所有国家的生活水平和发展经济都是必要的。目前，大部分电力是利用化石能源和核能产生的，这对环境有负面影响，成本波动，资源有限。工业活动产生的温室气体排放量约占占全球温室气体排放的75%以上。然而化石燃料供应的局限性和全球对电力的巨大需求显著减少了对这些能源系统的依赖。

为了最大限度地减少当前气候变化造成的CO2排放，实现将全球气温控制在1.5℃以下的目标，必须更多地使用可再生能源。鉴于此，需要将发电从使用化石燃料向可再生能源过渡。到2021年底，全球超过28.3%的电力来自可再生能源，如图1所示，根据《可再生能源2022全球现状》的报告，2011年至2021年间，可再生能源发电份额增长了7.9%[1]。

在现有的可再生能源技术中，光伏技术在发电方面取得了显著的进步和效率。2021年，新增175吉瓦容量，光伏能源增加。据统计光伏市场容量从2011年的70吉瓦扩大到2021年的942吉瓦，如图2所示[1]。

根据Stephen D.Comello 所著的《太阳能光伏发电的未来之路》报告，最近由于2010年至2017年间光伏组件成本下降高达86%，大型光伏电站的平准化度电成本降至0.03美元[2]。根据美国投资银行Lazard发布的各种能源的平准化度电成本，大型光伏电站的成本低于其他能源，在成本上具有竞争力。

2021年，中国建成数百座不同规模的光伏电站，以每年约54.9吉瓦的新增容量引领光伏发电市场，美国以约26.9吉瓦的新增容量位居第二[1]。场址的太阳能潜力、系统的组件和拓扑结构以及负载都在与主电网连接的光伏电站性能如何起着重要作用，光伏电站的年发电量按其全年每小时发电量的总和计算。

本文旨在从近期文献中对光伏电站优化设计进行系统分析和总结，以选择最优的系统参数组合。此外，本文还研究了光伏电站的组件规格，包括光伏组件倾角、逆变器、变压器和电缆。此外，它还研究了光伏发电场中使用的不同逆变器拓扑结构以及这些拓扑结构之间的比较；本文还就人工智能、数据采集、数学建模、精确模型、通用模型、经济考虑等方面可能存在的障碍和问题，提出了今后相关研究的建议。

2.组件概述

大型屋顶或地面可以用来建造光伏电站。此外，为了光伏项目的成功，必须仔细考虑最优设计。大型光伏电站需要精确的高水平太阳辐照度，高质量的组件，并考虑经济和技术因素。

A.光伏组件

1954年，在贝尔电话实验室首次制成了光电转换效率6%的单晶硅太阳能电池。光伏组件的效率是光伏系统的关键问题之一。在过去的几十年。多晶硅光伏电池在标准测试状态下仅实现了21%的效率，而单晶硅光伏电池技术目前达到了大约25%的效率。此外，碲化镉薄膜光伏电池的效率达到22%。

光伏组件将太阳光直接转化为可用的能量，光伏组件由串联和并联的许多光伏电池组成。此外，光伏电池的性能、可用性和辐照度以及光伏电池的电压输出都会影响发电量。此外，光伏电站安装地点的地理纬度会显著影响从一个区域到另一个区域的光伏组件最佳倾斜角度。

光伏组件中使用的材料类型对光伏电站的性能有很大的影响。此外，更好的光伏组件材料有助于最大限度地减少安装大型光伏电站所需的面积。光伏电站必须开发更大容量、更小尺寸的光伏组件。这主要是为了帮助设计者降低安装和占用面积成本。文献的研究表明，相对于薄膜光伏组件，硅光伏组件效率高、占地面积小，是建设光伏电站的最佳选择。此外，预计未来几年价格将下降，这将使设计人员能够改进光伏电站的设计，薄膜光伏组件技术的发展仍处于早期阶段。尽管如此，考虑到它比单晶和多晶光伏组件便宜，预计大型光伏电站将更频繁地使用它。目前单晶和多晶光伏组件因其效率高、体积小、稳定性好、可靠性高等诸多因素占据了光伏系统市场的主导地位。然而，由于材料数量和制造工艺的原因，这种技术的价格仍然很高。相比之下，薄膜光伏组件的价格具有竞争力。该技术的主要缺点是稳定性和效率较低，体积较大，在光伏电站中占据较多的面积，材料稀缺。因此，利用面积是影响项目成本的众多参数之一，其他因素还包括光伏电站的安装成本、各种组件的运输、系统维护和安装特性。目前正在进行几项研究，以改善太阳能电池的特性，并提高效率，降低价格和长期稳定性。在大型光伏电站中放置大量光伏组件对于提高光伏电池的其他特性至关重要，这些特性包括可持续性、可回收性以及在电池寿命期间减少二氧化碳的产生。

B.逆变器

光伏逆变器的作用是将光伏模块的直流输出转换为交流电源。根据所选逆变器的位置，必须控制其能量值以满足各种标准要求，如EN 50106， IEEE 1547.1 -2005， IEC61727， 及VDE0126-1-1。考虑到它的电学特性，包括输入电压和标称功率，它的选择对光伏电站的优化规模有很大影响。在光伏电站中，逆变器将光伏组件与电网进行连接。DC-DC变换器是多项研究的焦点，它可以分为两大类，隔离型（有变压器）和非隔离型（无变压器）变换器，用于光伏电站。

C.变压器

为了确保并网，逆变器输出功率需要额外的升压。光伏电站使用的变压器的主要功能是为输出提供适当电压等级的电力，变压器的性能考虑了在将直流电力转换为交流电力时发生的各种损失的评估。一些项目中变压器的价格可以占光伏电站逆变器价格的三分之一。根据R.V.Nunes所著的《陆上油气设施干式变压器强制通风系统应用的技术经济研究》中进行的分析，在巴西500 kVA容量干式变压器的价格约4.14美分/瓦特。

D.接线

光伏电站涉及交流电缆和直流电缆，接线不得降低光伏电站组件的效率。在这里，光伏电缆必须能够在整个光伏电站的生命周期内持久满足所有最低的安全标准要求。简而言之，根据IEEE 1374-1998 IEEE地面光伏发电系统安全指南等，光伏电缆的最小载流量不小于额定短路电流乘以1.56。交流电缆在将交流电从光伏逆变器传输到变压器的同时，应具有成本效益和安全性。交流电缆必须遵守IEC相关标准，包括1kV和36kV范围内的中压电缆的IEC 60502，低压电缆的IEC 60364， 30kV到150kV范围内的高压电缆的IEC 60840 。

E.汇流箱

根据所选择的逆变器拓扑，需要在区域内安装多个汇流箱。使用集中型逆变器拓扑时，需要在逆变器前通过直流主电缆设置汇流箱。汇流箱在整个光伏电站的使用寿命中可能会出现过热和损耗。在这种情况下，需要使用高质量的螺纹端子汇流箱，汇流箱由隔离和保护等设备组成。在光伏电站中，汇流箱应明确区分箱内的正负侧，并且保护按II类执行。如果外部安装，保护级别至少为IP 54。在串型逆变器拓扑中，组串直接与逆变器相连，不需要在光伏电站中安装汇流箱。

3.光伏电站的拓扑结构

近年来，将光伏阵列产生的直流电转换成交流电并将其注入电网的逆变器引起了人们的极大兴趣。在这里，选择的逆变器拓扑既影响光伏电站的总成本，也影响总发电量。研究表明，分布式拓扑的性能优于集中型拓扑。然而，由于其优点，与其他拓扑相比，集中型逆变器拓扑在光伏系统中更常用。

最近的一些研究探讨了光伏电站使用集中型和组串配置的最佳逆变器拓扑结构。根据优化结果，光伏电站具有成本效益的拓扑是基于经济评价的集中型拓扑。Eftichios Koutroulis等人在《光伏并网逆变器可靠性优化设计》的文献中分析认为，具有最佳组件、拓扑和运行模式的光伏系统将向电网输入更多的功率，并将其平准化度电成本降低高达17%。M.C.Cavalcanti在《并网光伏能源转换系统效率评价》中提出，光伏电站有六种主要的拓扑结构，如：组串型、多支路型、集中型和交流模块。其他建议的拓扑结构需要在实际光伏电站环境中证明其有效性，因为它们仍处于实验阶段。从以上研究来看，值得一提的是，用于大型光伏电站的常用拓扑是集中型拓扑结构。

A.集中型拓扑

在集中式配置中，如图3所示，大量光伏组件被串联起来，组串都与逆变器并连。然后，变压器被用来直接将交流电源输入电网。

B.主从拓扑

该拓扑结构的主要目标是提高集中型逆变器拓扑的可靠性，如图4所示。对于这种拓扑结构，光伏电站逆变器并联连接，因此即使其中一个出现故障，它们也可以提供全部的光伏电力。然而，一些逆变器在低辐照水平的情况下关闭。由于逆变器的设计是根据辐照度水平来运行的，其优点是延长了整体运行效率和逆变器的使用寿命。此外，部分遮挡和模块之间的不匹配导致了大量的功率损失。与集中型拓扑相比，这种拓扑结构的成本较高。对于大型的光伏发电系统可采用主从结构，主从结构其实也是集中式的一种，该结构的主要特点是采用2～3个集中式逆变器，总功率被几个逆变器均分。在辐射较低的时候，只有一个逆变器工作，以提高逆变器在太阳能电池方阵输出低功率时候的工作效率；在太阳辐射升高，太阳能电池方阵输出功率增加到超过一台逆变器的容量时，另一台逆变器自动投入运行。

C.组串型拓扑

采用组串型模式的光伏电站如图5所示，光伏并网组串逆变器是将每个光伏电池组件与一个逆变器相连，同时每个光伏电池组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样光伏电池组件与逆变器的配合更好。组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器，组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1kW～5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网。许多大型光伏电站使用组串逆变器，优点是不受光伏电池组串间差异和遮挡的影响。在本设计中可以使用各种规格和类型的光伏组串。此外，提高光伏系统额定功率和增加新组串也很简单，增加了光伏电站设计的灵活性。此外，组串模式保证在逆变器故障的情况下继续运行。然而，这种拓扑结构需要几个逆变器，这大大提高了安装成本。

D.团队概念拓扑

这种拓扑结构基于主辅概念与组串技术的结合。在大型光伏电站中，每个组串型都有自己的最大功率点MPP跟踪控制器，并独立运行。在该配置中，只有在低辐照度水平下，光伏阵列才完全连接到一个逆变器，如图6所示。然而，随着辐照度的提高，光伏阵列被分成组串单元，组串单元越小，直到每个组串逆变器的工作功率接近其额定功率。最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主-从”概念，使得系统的可靠性又进了一步。

E.交流模块拓扑

交流模块拓扑如图7所示。这种设计只适用于具有高成本效益的低功耗应用。每个光伏模块内置一个逆变器。阵列设计的灵活性，对光伏组件故障的增强监测，以及在部分遮挡情况下性能的提高和更低的损耗都是这种拓扑的好处。

F.多支路型拓扑结构

多支路型逆变器模式如图8所示。光伏电站的每个组串都连接到一个单独的DC-DC变换器，用于电压放大和跟踪最高功率点。此外，直流母线将所有DC-DC变换器仅连接到一个逆变器。光伏电站串结构和变流器的其他损耗也被纳入系统可靠性的提高中。与具有两个转换阶段的缺点相比，该模式结合了集中式和串状拓扑的优点，以提高系统功率输出。

G.光伏电站拓扑结构的比较

在世界范围内已安装的大型光伏电站中，拓扑结构对其性能有着重要的影响。由于安装简单，现场组件数量较少，大多数大型光伏电站通常采用集中拓扑结构。这些拓扑之间的比较见表1。通过比较这六种拓扑结构，很明显，这些逆变器的效率具有这样的关系：交流模块>串型结构>多支路结构>集中型结构逆变器。

4、光伏电站优化设计技术

在处理一个优化问题时，一个优化策略可能工作得很好，并产生出色的结果，但同样的优化技术在处理另一个问题时可能不太有效。如一些文献所述，粒子群算法和遗传算法被广泛应用于解决光伏电站的优化设计问题。然而，最近提出的元启发式算法已在最近的一项研究中使用，与粒子群算法相比，它在解决光伏电站设计问题方面显示出其有效性。

有两种类型的设计优化方法被称为传统和现代技术。在常规方法中使用微分学来确定最佳解。然而，新引入的算法利用人工和混合方法。这些策略精确、高效、收敛性强。由于气候条件的波动、光伏电站的非线性运行、组件的限制以及选址等因素，光伏电站的设计变得更加复杂。因此，研究人员对应用基于元启发式算法的现代方法表现出极大的兴趣.

单目标优化函数和多目标优化函数都可以用于解决光伏电站的设计优化问题。在现代算法中，个体目标优化可以确定目标函数的最小值或最大值，如许多研究所报道的那样，而多目标优化则结合了至少两个目标，如J. Raul Perez-Gallardo等提出使用多目标遗传算法和Aris Kornelakis提出的光伏并网系统优化设计的多目标粒子群算法。

单一和混合算法可用于求解单目标和多目标函数的优化问题。单一的优化方法易于实现，简单，收敛速度快，求解最优解效率高。但是，由于接入电网的光伏电站数量持续快速增长，开发最有效的算法以使优化设计更加准确和经济上有利可图变得比以往任何时候都更加重要。为了在解决特定问题时获得更好的结果，混合算法得到了发展。混合算法中至少结合了两种单一算法。这种结合的主要目的是通过利用技术的互补特性来解决复杂的设计挑战。Tekai Eddine Khalil Zidane在《基于混合优化的光伏电站优化设计》中报道的工作表明，使用混合灰狼优化器-正弦余弦算法的优化设计结果比粒子群算法更有效。考虑到这一点，设计人员可以通过利用新颖、强大的优化技术，在使用相同组件的同时增加系统利润。

5、组件的优化

在本节中，研究了各种光伏电站组件的优化和规格，包括逆变器、光伏组件倾斜角度、变压器和接线。

A.逆变器规格优化

在大型光伏电站中，最佳逆变器规格取决于许多因素。先前的一项研究表明，在容配比在0.7和1.3之间时，使用高效逆变器可以提高光伏系统的性能。光伏阵列的额定容量必须与安装的逆变器的额定容量完全匹配，以获得光伏系统的最大功率。另外，当逆变器的额定功率小于光伏阵列的额定功率时，光伏阵列的效率也会受到影响。光伏逆变器的最佳规格是由组件的输出功率、能效比和逆变器本身决定的。太阳辐射水平低导致光伏组件的输出功率小于其额定容量，这降低了逆变器的效率，因为必须使用部分输入功率来维持各种功能。当逆变器过载时，光伏模块产生的超过逆变器额定功率的部分能量会丢失。此外，逆变器的规格过大或过小都会增加能源成本。然而，为了显著提高光伏系统的有效性和可行性，优化逆变器的规格至关重要。J.D.Mondol等人在《并网光伏系统阵列和逆变器的优化规格》讨论了位于欧洲的光伏场站的最佳光伏阵列与逆变器容配比。采用TRNSYS软件工具进行仿真。光伏组件总容量与逆变器额定容量之比称为容配比。根据本研究，高效逆变光伏系统的最佳容配比应在1.1--1.2之间，在太阳辐照强度高和低的位置，应在1.3 - 1.4之间。反之，对于效率较低的逆变光伏系统，太阳辐照强弱位置的最容配比应该在1.2--1.3之间，以及1.4-1.5之间。Charis Demoulias在《一种计算并网光伏电站逆变器最佳尺寸的简单解析新方法》文中给出了一种确定不同位置并网光伏电站最佳逆变器规格、逆变器效率和发电量的解析方法。

在这里，并网光伏电站方面起着至关重要的作用，导致逆变器被确定使用一个简单的合适的方法。将模拟输出与测量数据进行比较，有助于验证所构建的分析模型。G. Velasco等《集中型逆变器光伏并网系统功率因数的仿真设计》中提出的另一种方法是利用光伏系统的最佳容配比来增加并网光伏电站的能量输出。为了检查逆变器效率和位置对年发电量和容配比的影响，在欧洲的27个站点进行了模拟。这意味着在低纬度地区，容配比应该更大，而在高纬度地区，容配比应该相反。使用高效率的逆变器和高辐照度的位置提高了容配比。

最近，Tamer Khatib等在《光伏并网系统中逆变器优化尺寸的有效性研究》中提出了一种迭代方法，利用小时辐射和温度数据来改进并网光伏发电设施中的逆变器。对具有优化逆变器规格的系统以及具有标准规格的光伏系统进行了比较。光伏阵列的额定容量与逆变器容量相同。研究发现，最佳规模系统的年发电量大于典型规模系统的年发电量。优化后的光伏逆变器提高了光伏系统的性能。Saban Yilmaz在《逆变器容量对大型光伏电站性能的影响——以佛罗里达州Gainesville为例》中提到的工作旨在研究光伏电站的性能如何受到逆变器容量的影响。此外，利用现役光伏电站的数据对逆变器容量对光伏电站性能的影响进行了全面评估，并使用PVsyst分析工具进行了模拟。因此，集中型逆变器拓扑产生大量能量，能量损失很小;组串型逆变器拓扑产生中等能量，能量损失适中;微型逆变器拓扑产生最小能量，能量损失较大。因此，采用集中型逆变器拓扑结构的大容量逆变器可以提高光伏电站的性能。Sangwongwanich在《光伏阵列尺寸对逆变器可靠性和寿命的影响》的最新研究探讨了光伏阵列的规模如何影响光伏逆变器的可靠性和生命周期。由于光伏阵列的额定功率大于逆变器的额定功率，光伏阵列的过大可能会对光伏逆变器的使用寿命和可靠性产生负面影响。此外，容配比取值范围通常在1到1.5之间，具体取决于现场安装。H.X.Wang等在《基于能源和经济考虑的并网光伏系统逆变器最佳规格》对有关问题进行讨论，认为光伏并网系统设计优化受到逆变器技术和光伏组件劣化因子的影响。他们的结论是，更大范围的规模因素可用于高效率的逆变器，以产生最大的能量。

B.光伏组件最佳倾斜角度

在光伏电站中，倾斜角度被认为是使到达光伏组件的太阳辐射量最大化的一个重要因素，如图16所示。E.D.Mehleri等在《太阳能光伏阵列最佳倾斜角度和方向的确定》对有关问题进行了研讨，概述了一种确定光伏组件最佳倾斜角度和组件方向的技术，以增加光伏阵列上的太阳辐照度。这种倾斜角度优化在提高发电量的同时，降低了大型光伏发电设施的成本。Maatallah等在《固定、单、双轴跟踪光伏板的性能建模与研究》中描述的研究表明，为了获取更多能量，必须精确计算光伏PV系统的每个场站的最佳倾斜角度。此外，讨论了最佳倾斜角度的年增益，并对不同安装的光伏组件系统进行了比较。研究了双轴跟踪系统与传统固定系统相比的优势，冬至和夏至时的跟踪增益分别达到30%和44%。然而，在大型光伏电站中，双轴、单轴跟踪系统等跟踪系统由于安装复杂，成本高，土地占用、监视和维护等的问而未得到广泛应用。 在世界各地已建成的大型光伏发电设施中，一般采用固定系统。虽然有一些讨论，但人们通常没有注意到大型光伏发电设施采用任何机械跟踪系统。Rustu Eke等在《双轴跟踪与固定光伏系统的性能比较》也进行了这方面的讨论。

Ì. Portolan dos Santos在《在巴西低纬度热带地区，太阳能组件方位角和倾斜角对光伏发电的限制》文中提出的一种方法表明，设计者的一般方法是：光伏组件在北半球必须朝南，在南半球必须朝北，且倾斜角度应围绕所在纬度。然而，利用该方法计算倾斜和方位角很困难，在这种情况下，光伏组件的安装角度必将偏离最佳位置。J.D.Rhodes在《太阳能光伏阵列朝向和倾斜对能源生产和系统经济影响的多目标评估》的文献的一项研究表明，为了产生更多的电量，在光伏电站中安装不同方向的光伏组件可能是产生更多电力的解决方案。A.Z.Hafez在《倾斜角和方位角在太阳能中的应用综述》的文献中旨在探讨倾斜角度对光伏电站性能的影响。然而，过去的许多研究都阐述了利用各种技术预测更有效的光伏电站设计的最佳倾斜角度，并考虑太阳辐射和各种最佳倾斜角度计算技术。

Ramazan Ayaz在《土耳其Burdur的案例：研究考虑环境条件的不同光伏技术的最佳倾斜角度的确定》文章中，介绍了土耳其各种光伏组件技术的最佳倾斜角度。在计算光伏组件的最佳倾斜角度时，考虑了电池温度和风速对光伏组件输出功率的影响。研究发现，最佳的倾斜角度取决于光伏组件技术。在这里，对不同的光伏组件技术使用相同的倾斜角度将产生不同的结果。

C.变压器最佳规格

变压器应安装在大型光伏电站中，并进行优化选择，以避免任何能量损失。如果变压器规格过小，它可能成为一个瓶颈。相反，过大的变压器会造成一些不稳定。之前的一些的研究提出了一种基于功率、效率、成本和运行的光伏电站最优变压器选择的设计技术。采用中频变压器，光伏电站效率提高2%。根据光伏逆变器的拓扑结构和额定功率，要以最佳方式选择太阳能电站的变压器。

D.接线最佳尺寸

Jumie Yuventi在《一种评估光伏系统设计中布线对组件性能影响的方法》中，提出的一种计算方法研究了布线对光伏电站组件运行条件下电压和输出功率的影响。光伏组件估算电压、电流、输出功率、逆变器总功率以及电缆长度和厚度。结果表明，该方法适用于大型光伏电站的性能和发电量评估。其中，光伏电站并网时最大允许电压降为5%。

6、结论

近年来，人们对光伏电站的优化进行了大量的研究和发展，从各个方面考察光伏电站的优化设计。还讨论了光伏系统的许多组件，如逆变器，倾斜角，变压器和接线被单独优化。以下是本综述的一些结论：

1）人工智能：

利用传统技术改进优化设计的方法正在不断减少。与传统技术相比，人工智能方法在精度和计算时间上具有明显的优势。然而，随着光伏电站的复杂化，人工智能技术由于其极大的灵活性和优化有效性，更容易避免局部最优。结合各种技术优点的混合方法由于其在优化方面的灵活性和有效性而受到越来越多的关注。建议不断应用新提出的方法来提高光伏电站的优化设计。

2）数据采集：

尽管当前优化过程中使用的气象数据步长为小时、日、月，但太阳辐照峰值和风速特征对光伏电站设计仍有影响。因此，计算时间步长应显著缩短，如缩短至半小时、15分钟、1分钟等，以提高计算结果的准确性和光伏电站的可靠性。然而，这些数据的收集是优化光伏电站的主要障碍之一，因为在1分钟的小时间内获得完整的气象数据是具有挑战性的。因此，在设计过程中，为了结果的准确性，1分钟的步进时间是优选的。

3）经济考虑：

光伏电站设计的一个主要问题是组件技术的快速增长，如光伏电池、DC-AC变换器及其相关成本。在过去十年中，光伏组件的效率低于16%。相比之下，最近的商用光伏组件的效率约为22%。在研究光伏电站的实际平准化度电成本时应考虑这一发展。因此，应该使用最近的数据而不是前十年的数据进行分析。

参考文献

[1]Renewables 2022 Global Status， REN21， Paris， France， 2022

[2] S. Comello， S. Reichelstein， and A. Sahoo， “The road ahead for solar PV power，” Renew. Sustain. Energy Rev.， vol. 92， pp. 744–756， Sep. 2018.

作者简介：于建国，正高级工程师，长期从事新能源技术管理工作，任职于国华投资公司河北分公司。