一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法技术方案

本发明专利技术涉及电力系统可靠性评估技术，具体涉及一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法，研究影响光伏直流汇集系统可靠性指标的因素，建立考虑光伏组件、直流升压变流器和电缆故障概率的光伏直流汇集系统多阶故障模型，基于考虑电应力的元器件计数法估计直流升压变流器失效率，以1MW光伏电站直流汇集系统为例分析两种汇集拓扑的等效停运率和电量不足期望(expected energy not supplied，EENS)，对影响汇集拓扑可靠性的设备故障概率进行灵敏度分析，结果表明两种汇集拓扑的EENS均随故障率增加而变大，对汇集拓扑可靠性影响最大的是光伏组件，其次为变流器，最后为汇集电缆。

A reliability evaluation and sensitivity analysis method of photovoltaic DC boost collection system

【技术实现步骤摘要】
一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法
本专利技术属于电力系统网络可靠性评估
，尤其涉及光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法。
技术介绍
光伏汇集系统本质是一个逐级升压系统，光伏组件具有功率密度小、效率低、输出电压低的特点，需要通过汇集系统进行多级升压才能达到并网标准。传统交流光伏电站采用并联型汇集的方式进行多级汇集升压，具有成熟的设备基础，相较于直流汇集系统可靠性更高。交流汇集采用逆变器—箱式变压器结构，而直流汇集系统采用高变比直流升压变流器，减少了汇集环节，大大降低了汇集损耗。目前的直流汇集拓扑包括并联型和级联型拓扑，由于拓扑结构与设备类型不同，不能简单采用交流汇集系统的可靠性模型，需要考虑直流汇集系统的拓扑特点和故障类型重新进行建模。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析的方法。本专利技术依托“分布式光伏多端口接入直流配电系统关键技术和装备(2018YFB0904100)”项目，所属课题“直流并网分布式光伏与系统的相互影响及集成设计技术(2018YFB0904101)。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法，包括以下步骤：一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤1、建立两种典型光伏直流升压系统拓扑；步骤1.1、建立并联型直流汇集系统拓扑，即光伏组件以并联的形式相连接；具体是:光伏阵列通过汇流箱汇集后与高变比直流升压变流器相连，通过升压变流器升压到10kV或35kV后接入变电站通过并网接口单元接入电网；升压部分采用大容量高变比的直流升压变流器升压，无需考虑同步问题，线路的损耗相对交流减少，并联型汇集拓扑是目前直流汇集系统设备研制、控制保护等相关研究的基础步骤1.2、建立级联型直流汇集系统拓扑，多个光伏发电单元经串联连接,具体时间:多个光伏发电单元经串联连接以提高支路总的输出电压以达到高压直流电网的电压等级要求，经模块化多电平换流器逆变后接入交流电网；步骤2、建立汇集系统可靠性模型；步骤2.1、确定可靠性评估指标：拓扑等效停运率、电量不足期望值EENS和设备灵敏度，计算公式如下：Q＝1-EX/M(1)EENS＝QMT(2)式中，Q为拓扑等效停运率，EX为汇集拓扑考虑设备多阶故障下等效输出功率，M为额定汇集容量，T为等效光照小时数，Si为设备i的灵敏度，λi为设备i故障率；步骤2.2、建立并联型拓扑可靠性模型，计算拓扑等效停运率和EENS，光伏电站依据变流器的额定容量分为多个子单元，每个子单元包括光伏阵列与变流器，通过电缆汇集到母线进行并网；每个光伏阵列中，n块光伏组件串联，m串光伏电池板并联接入一台直流升压变流器器，有k台变流器并联接入电网；单块光伏组件的故障会引起其所在电池组串的停运，变流器的故障停运会导致其所在的光伏子阵列停运；光伏组件的故障概率为λ，故障修复时间为r，则故障概率U为U＝λr，根据串并联系统可靠性计算公式，n个电池板串联后的故障率、故障修复时间、故障概率分别为：Us＝λsrs＝nU1(6)并联型集中式光伏电站主要由多个光伏子单元通过集电线缆并联到10kV汇集母线上进行逆变并网；单个光伏阵列等效输出容量EPVX为：Si＝(m-i)nPN(8)式中，Si为光伏阵列故障阶数为i时的输出功率，Pi为光伏阵列i阶故障发生概率；m为光伏阵列中并联串数，n为单串光伏组串串联数，Us为单串光伏组串故障概率，PN为单块光伏组件额定功率；单组变流器与汇集电缆的运行状态联合可靠度为RDC1Rl＝(1-UDC1)(1-Ul)(10)式中，RDC1、UDC1分别为并联汇集系统所用的变流器的可靠度、故障概率，Rl、Ul分别为汇集电缆的可靠度、故障概率；对于含k个单元的并联型汇集系统，故障阶数共有k+1种，汇集系统等效容量为：Sj＝(k-j)EPVX(12)式中，EX为汇集系统等效容量，Sj为光伏子单元j阶故障时的等效容量，Pj为j阶故障的发生概率，k为变流器个数；EENS＝mnkPNTQ(15)式中T为光伏电站年等效峰值发电小时数；步骤2.3、建立级联型拓扑可靠性模型，计算拓扑等效停运率和EENS；级联型直流汇集拓扑由多个光伏子单元先通过电缆进行内部级联升压，然后通过电缆传输到汇集母线进行升压并网，由于在汇集升压过程中，每个变流器模块都分担一部分升压的功能，因此单个汇集升压单元正常运行的需要每个变流器均正常工作，任一部分发生故障则整个汇集升压单元停运；级联型汇集系统等效输出容量计算公式：其中k为级联升压单元个数，v为单个级联升压单元内的直流升压变流器个数；步骤2.4、利用元器件计数法估计直流升压变流器失效率，基于分别计算电解电容、薄膜电容、电感、普通硅二极管和IGBT的失效率，直流升压变流器可靠性与直流母线电容、变压器升压单元和IGBT等器件有着紧密关联，应用元器件计数法估计200kW，800/10kV直流升压变流器的故障率，所用变流器拓扑为单向LLC谐振DC/DC变换器组成IPOS拓扑，元器件计数法公式如下：其中Ni为第i种元器件的数量，λi为第i种元器件考虑工作环境和材料等因素进行修正的工作失效率，πi为第i种元器件的质量系数；高变比直流升压变流器内部有母线电容、boost升压单元、变压器单元；元器件包括电解电容、薄膜电筒、IGBT、二极管、磁芯和绕组；查找电子设备可靠性预计手册，分别计算各模块的失效率如下：1)电解电容电解电容的故障概率模型为:λC＝λbπCVπQπEπch(19)其中λb为电容的基本失效率，πCV为电容的电容量系数，πQ为质量系数，πE为环境因子，πch为表面贴装系数；选用器件额定电压为工作电压的两倍，工作环境为85℃，查手册得铝电解电容的基本失效率λb为0.7324×10-6h-1，根据设计选用容量1.68mF查手册πCV取1.9，质量系数πQ取5，在标准作环境下，表面贴装采用有引线式贴装，表面贴装系数πch取1.0，计算得电解电容的工作失效率为6.9578×10-6h-1；2)薄膜电容薄膜电容的工作失效率模型与电解电容相同，计算公式为式(20)，选用器件额定电压为工作电压的两倍，工作环境为85℃，查手册得薄膜电容的基本失效率λb为0.2179×10-6h-1，根据设计选用容量7uF查手册πCV取2.4，其他系数均与电解电容相同，计算得薄膜电容的工作失效率为0.2369×10-6h-1；3)电感λP＝λbπEπQπKπC(20)其中λb为电感的基本失效率，πE为环境系数，πQ为质量系数，πK为种类系数，πC为结构系数；选用器件绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法，其特征在于,包括以下步骤：/n步骤1、建立两种典型光伏直流升压系统拓扑；/n步骤1.1、建立并联型直流汇集系统拓扑，即光伏组件以并联的形式相连接；具体是:光伏阵列通过汇流箱汇集后与高变比直流升压变流器相连，通过升压变流器升压到10kV或35kV后接入变电站通过并网接口单元接入电网；升压部分采用大容量高变比的直流升压变流器升压，无需考虑同步问题，线路的损耗相对交流减少，并联型汇集拓扑是目前直流汇集系统设备研制、控制保护等相关研究的基础/n步骤1.2、建立级联型直流汇集系统拓扑，多个光伏发电单元经串联连接,具体时间:多个光伏发电单元经串联连接以提高支路总的输出电压以达到高压直流电网的电压等级要求，经模块化多电平换流器逆变后接入交流电网；/n步骤2、建立汇集系统可靠性模型；/n步骤2.1、确定可靠性评估指标：拓扑等效停运率、电量不足期望值EENS和设备灵敏度，计算公式如下：/nQ＝1-E

【技术特征摘要】
1.一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1、建立两种典型光伏直流升压系统拓扑；
步骤1.1、建立并联型直流汇集系统拓扑，即光伏组件以并联的形式相连接；具体是:光伏阵列通过汇流箱汇集后与高变比直流升压变流器相连，通过升压变流器升压到10kV或35kV后接入变电站通过并网接口单元接入电网；升压部分采用大容量高变比的直流升压变流器升压，无需考虑同步问题，线路的损耗相对交流减少，并联型汇集拓扑是目前直流汇集系统设备研制、控制保护等相关研究的基础
步骤1.2、建立级联型直流汇集系统拓扑，多个光伏发电单元经串联连接,具体时间:多个光伏发电单元经串联连接以提高支路总的输出电压以达到高压直流电网的电压等级要求，经模块化多电平换流器逆变后接入交流电网；
步骤2、建立汇集系统可靠性模型；
步骤2.1、确定可靠性评估指标：拓扑等效停运率、电量不足期望值EENS和设备灵敏度，计算公式如下：
Q＝1-EX/M(1)
EENS＝QMT(2)



式中，Q为拓扑等效停运率，EX为汇集拓扑考虑设备多阶故障下等效输出功率，M为额定汇集容量，T为等效光照小时数，Si为设备i的灵敏度，λi为设备i故障率；
步骤2.2、建立并联型拓扑可靠性模型，计算拓扑等效停运率和EENS，光伏电站依据变流器的额定容量分为多个子单元，每个子单元包括光伏阵列与变流器，通过电缆汇集到母线进行并网；每个光伏阵列中，n块光伏组件串联，m串光伏电池板并联接入一台直流升压变流器器，有k台变流器并联接入电网；单块光伏组件的故障会引起其所在电池组串的停运，变流器的故障停运会导致其所在的光伏子阵列停运；
参考GB/3187《可靠性名词术语及定义》选取特征量；设光伏组件的故障概率为λ，故障修复时间为r，则故障概率U为U＝λr，根据串并联系统可靠性计算公式，n个电池板串联后的故障率、故障修复时间、故障概率分别为：






Us＝λsrs＝nU1(6)
并联型集中式光伏电站主要由多个光伏子单元通过集电线缆并联到10kV汇集母线上进行逆变并网；
单个光伏阵列等效输出容量EPVX为：



Si＝(m-i)nPN(8)



式中，Si为光伏阵列故障阶数为i时的输出功率，Pi为光伏阵列i阶故障发生概率；m为光伏阵列中并联串数，n为单串光伏组串串联数，Us为单串光伏组串故障概率，PN为单块光伏组件额定功率；
单组变流器与汇集电缆的运行状态联合可靠度为
RDC1Rl＝(1-UDC1)(1-Ul)(10)
式中，RDC1、UDC1分别为并联汇集系统所用的变流器的可靠度、故障概率，Rl、Ul分别为汇集电缆的可靠度、故障概率；
对于含k个单元的并联型汇集系统，故障阶数共有k+1种，汇集系统等效容量为：



Sj＝(k-j)EPVX(12)



式中，EX为汇集系统等效容量，Sj为光伏子单元j阶故障时的等效容量，Pj为j阶故障的发生概率，k为变流器个数；



EENS＝mnkPNTQ(15)
式中T为光伏电站年等效峰值发电小时数；
步骤2.3、建立级联型拓扑可靠性模型，计算拓扑等效停运率和EENS；级联型直流汇集拓扑由多个光伏子单元先通过电缆进行内部级联升压，然后通过电缆传输到汇集母线进行升压并网，由于在汇集升压过程中，每个变流器模块都分担一部分升压的功能，因此单个汇集升压单元正常运行的需要每个变流器均正常工作，任一部分发生故障则整个汇集升压单元停运；
级联型汇集系统等效输出容量计算公式：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，查鹏程，余滢婷，夏琦，
申请(专利权)人：武汉大学，国网浙江省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42