本发明公开一种基于高温热泵的光热发电系统及其运行方法，包括低品位热源系统、热泵系统和高品位热源系统，低品位热源系统中循环有第一储热介质，低品位热源系统被配置为通过低品位热源加热第一储热介质；热泵系统中循环有热泵介质，热泵系统被配置为对热泵介质进行升温加压；高品位热源系统中循环有第二储热介质，高品位热源系统被配置为通过达到预设温度的第二储热介质进行发电；其中，低品位热源系统中加热后的第一储热介质用于对热泵介质进行预热，热泵系统中升温加压后的热泵介质用于对第二储热介质进行加热。相较于全部高品位热源均由高品位热源系统产生的传统光热发电系统，在一定程度上提高系统的效率，同时降低了投资成本。