一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，它包括：建立IGBT的失效模式，选择RC热网络法建立IGBT的电热耦合模型并得到工作时的结温，最后采用Coffin‑Manson‑Arrhenius广延指数模型对IGBT进行可靠性评估；选择部件计数法对直流配电网关键设备进行可靠性预测；通过冗余方法分析后分别对三种不同结构的MMC型换流器、ISOP型直流变压器以及光伏储能并网用的AC/DC变流器和DC/DC变流器进行可靠性建模；对直流配电系统可靠性评估；对交直流互联配电系统可靠性评估；解决了对含光储系统的交直流混合电网的可靠性评估采用现有技术的评估方法存在准确性较差等技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法
本专利技术属于电力系统可靠性评估
，尤其涉及一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法。
技术介绍
目前，随着5G网络、数据中心等新型基础设施建设，电网技术的研究进步与新基建的发展需求息息相关；发展直流技术，对采用直流供电的数据中心意义重大。同时，传统依靠火力发电的形式已经越来越难以适应当前用户的需求，而可再生能源、能源互联网以及现代电力电子技术的研究日益成熟，将电能的研究与利用推上了新台阶。大量增长的分布式电源和储能装置在接入交流配电系统时需要使用大量的换流装置，城市用电负荷的快速增长、电动汽车产业的迅速发展以及用户对电能质量要求的不断提高等，都使得配电网的需求越来越复杂。与交流配电系统相比，直流配电系统在分布式电源与储能装置的接入、电能质量、无功补偿等方面具有优势，由此可见，现在的交流电网在未来将会发展成为交直流混合电网的形态。可靠性评估是电力系统的基础性问题，电力系统可靠性评估对系统的规划和运行具有指导意义。传统的交流配电网已经形成了一套成熟的可靠性评估体系，其主要包括解析法和模拟法两种方法。其中，解析法包括故障模式后果分析法、最小路法、最小割集法以及网络等值法等，其具有物理概念清楚、模型精度高等优点，但是计算量会随着系统的规模增加而急剧增大，适用于规模较小的系统；模拟法包括序贯蒙特卡洛模拟法以及非序贯蒙特卡洛模拟法，模拟法通过随机抽样进行故障状态选择，适用于规模复杂的系统。对于直流配电网，主要的研究集中在控制及保护技术的研发以及换流器、直流变压器等关键设备的研制方面，关于可靠性评估方面的研究较少，而直流配电网又不同于交流配电网，两者具有明显的区别。首先，直流配电网的网架结构不同于交流配电网，交流配电网都是闭环设计，开环运行，而直流配电网可以采取闭环运行方式，且没有无功功率的问题。目前的直流配电示范工程也大都采取多电源供电的方式。其次，直流配电网的关键设备的构成不同于交流配电网。交流配电网的变压器、断路器等设备主要采用机械式结构，而直流配电网的换流器、变压器、断路器等设备则主要是以电力电子器件构成，因此其可靠性模型不同于机械结构设备的可靠性模型，需对它们重新建立可靠性模型。最后，直流配电网中接入了许多的分布式电源以及储能装置，相对于由单一主电源供电的交流配电网，情况复杂了许多。因此在考虑系统负荷、分布式电源等随机因素影响的柔性直流配电网可靠性评估时，采用现有技术的可靠性评估方法存在评估准确性较差等技术问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，以解决现有技术对含光储系统的交直流混合电网的可靠性评估采用现有技术的评估方法存在准确性较差等技术问题。本专利技术的技术方案是：一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，它包括：步骤S1：建立IGBT的失效模式，选择RC热网络法建立IGBT的电热耦合模型并得到工作时的结温，最后采用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型对IGBT进行可靠性评估；步骤S2：选择部件计数法对直流配电网关键设备进行可靠性预测；通过冗余方法分析后分别对三种不同结构的MMC型换流器、ISOP型直流变压器以及光伏储能并网用的AC/DC变流器和DC/DC变流器进行可靠性建模；步骤S3：根据步骤S1和S2建立的模型对直流配电系统可靠性评估；步骤S4、根据步骤S1和S2建立的模型对交直流互联配电系统进行可靠性评估。步骤S1具体包括：步骤S11：对IGBT和二极管进行损耗计算，包括通态损耗、开关损耗以及截止损耗；步骤S12：建立IGBT的电热耦合模型并得到工作时的结温；将IGBT内部温度的运算转化为由Foster模型等效的电流源、电阻和电容串联的一阶电路运算，IGBT和二极管的功率损耗分别作为对应的电流源输入，IGBT和二极管的热阻热容作为对应的电阻电容，则IGBT和二极管芯片到壳之间的电压即为结温；步骤S13：采用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型对IGBT进行可靠性评估，下式所示：式中，ΔTj是IGBT的结温差，α、β是模型参数，根据功率循环曲线通过函数拟合得到；Tm为平均结温。Ea是激活能，数值为9.89×10-20J，kB是玻尔兹曼常数。步骤S2包括以下步骤：步骤S21：冗余方法分析，不同冗余设计可靠性计算公式如下：主动冗余：当单元系统的冗余设计为主动冗余时，n个子模块中至少有k个子模块投入运行可以保证单元系统的正常运行，假设子模块数量为n，当单元系统正常运行时需要k个子模块正常工作，子模块的故障率为λSM，可靠度可表示为：则单元系统的故障率为：式中Rs(t)为系统可靠度，i为流过系统的电流大小；被动冗余：当单元系统的冗余设计为被动冗余时，有n-k个备用子模块，它们服从尺度参数为λSM、形状参数为n-k+1的伽马分布，可靠度可表示为：则单元系统的故障率为：上式中Rs(t)为系统可靠度，i为流过系统的电流大小，k为可以保证单元系统的正常运行子模块数量；步骤S22：采用部件计数法对模块化多电平换流器MMC可靠性建模；混合MMC中当半桥子模块故障时采用冗余的全桥子模块进行替换工作，因此混合MMC的桥臂可靠性分为两种情况计算：(1)故障的半桥子模块可由冗余配置的半桥子模块进行替换工作，故障的全桥子模块可由冗余配置的全桥子模块进行替换工作，此时的可靠性为R1，计算公式如下：式中，iH为故障的半桥子模块数量，NOH为冗余配置的半桥子模块数量，NH为正常工作时需要的半桥子模块数量，RH为半桥子模块的可靠性，iF为故障的全桥子模块数量，NOF为冗余配置的全桥子模块数量，NF为正常工作时需要的全桥子模块数量，RF为全桥子模块的可靠性；(2)故障的半桥子模块数目超过了冗余配置的半桥子模块数目，超过的数目小于冗余配置的全桥子模块数量减去故障的全桥子模块数量，即故障的半桥子模块有一部分能够由未投入使用的冗余配置的全桥子模块进行替换工作，此时的可靠性为R2计算公式如下：式中，iH为故障的半桥子模块数量，NOH为冗余配置的半桥子模块数量，NH为正常工作时需要的半桥子模块数量，RH为半桥子模块的可靠性，iF为故障的全桥子模块数量，NOF为冗余配置的全桥子模块数量，NF为正常工作时需要的全桥子模块数量，RF为全桥子模块的可靠性；步骤S23：采用部件计数法对直流变压器可靠性建模；DAB模块分为逆变电路DC/AC、高频变压器T、整流电路AC/DC三个部分，其中逆变电路由4个IGBT、一个滤波电容以及电感L构成，整流电路由4个IGBT和一个滤波电容构成；则DAB模块的结构可靠性模型为逆变电路DC/AC、整流电路AC/DC、滤波电容C、电感L和高频变压器T串联的电路结构；步骤S2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，它包括：/n步骤S1：建立IGBT的失效模式，选择RC热网络法建立IGBT的电热耦合模型并得到工作时的结温，最后采用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型对IGBT进行可靠性评估；/n步骤S2：选择部件计数法对直流配电网关键设备进行可靠性预测；通过冗余方法分析后分别对三种不同结构的MMC型换流器、ISOP型直流变压器以及光伏储能并网用的AC/DC变流器和DC/DC变流器进行可靠性建模；/n步骤S3：根据步骤S1和S2建立的模型对直流配电系统可靠性评估；/n步骤S4、根据步骤S1和S2建立的模型对交直流互联配电系统进行可靠性评估。/n

【技术特征摘要】
1.一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，它包括：
步骤S1：建立IGBT的失效模式，选择RC热网络法建立IGBT的电热耦合模型并得到工作时的结温，最后采用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型对IGBT进行可靠性评估；
步骤S2：选择部件计数法对直流配电网关键设备进行可靠性预测；通过冗余方法分析后分别对三种不同结构的MMC型换流器、ISOP型直流变压器以及光伏储能并网用的AC/DC变流器和DC/DC变流器进行可靠性建模；
步骤S3：根据步骤S1和S2建立的模型对直流配电系统可靠性评估；
步骤S4、根据步骤S1和S2建立的模型对交直流互联配电系统进行可靠性评估。


2.根据权利要求1所述的一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，其特征在于：步骤S1具体包括：
步骤S11：对IGBT和二极管进行损耗计算，包括通态损耗、开关损耗以及截止损耗；
步骤S12：建立IGBT的电热耦合模型并得到工作时的结温；将IGBT内部温度的运算转化为由Foster模型等效的电流源、电阻和电容串联的一阶电路运算，IGBT和二极管的功率损耗分别作为对应的电流源输入，IGBT和二极管的热阻热容作为对应的电阻电容，则IGBT和二极管芯片到壳之间的电压即为结温；
步骤S13：采用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型对IGBT进行可靠性评估，下式所示：



式中，ΔTj是IGBT的结温差，α、β是模型参数，根据功率循环曲线通过函数拟合得到；Tm为平均结温。Ea是激活能，数值为9.89×10-20J，kB是玻尔兹曼常数。


3.根据权利要求1所述的一种含光储系统的柔性直流配电网可靠性评估方法，其特征在于：步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：冗余方法分析，不同冗余设计可靠性计算公式如下：
主动冗余：当单元系统的冗余设计为主动冗余时，n个子模块中至少有k个子模块投入运行可以保证单元系统的正常运行，假设子模块数量为n，当单元系统正常运行时需要k个子模块正常工作，子模块的故障率为λSM，可靠度可表示为：



则单元系统的故障率为：



式中Rs(t)为系统可靠度，i为流过系统的电流大小；
被动冗余：当单元系统的冗余设计为被动冗余时，有n-k个备用子模块，它们服从尺度参数为λSM、形状参数为n-k+1的伽马分布，可靠度可表示为：



则单元系统的故障率为：



上式中Rs(t)为系统可靠度，i为流过系统的电流大小，k为可以保证单元系统的正常运行子模块数量；
步骤S22：采用部件计数法对模块化多电平换流器MMC可靠性建模；
混合MMC中当半桥子模块故障时采用冗余的全桥子模块进行替换工作，因此混合MMC的桥臂可靠性分为两种情况计算：
(1)故障的半桥子模块可由冗余配置的半桥子模块进行替换工作，故障的全桥子模块可由冗余配置的全桥子模块进行替换工作，此时的可靠性为R1，计算公式如下：



式中，iH为故障的半桥子模块数量，NOH为冗余配置的半桥子模块数量，NH为正常工作时需要的半桥子模块数量，RH为半桥子模块的可靠性，iF为故障的全桥子模块数量，NOF为冗余配置的全桥子模块数量，NF为正常工作时需要的全桥子模块数量，RF为全桥子模块的可靠性；
(2)故障的半桥子模块数目超过了冗余配置的半桥子模块数目，超过的数目小于冗余配置的全桥子模块数量减去故障的全桥子模块数量，即故障的半桥子模块有一部分能够由未投入使用的冗余配置的全桥子模块进行替换工作，此时的可靠性为R2计算公式如下：



式中，iH为故障的半桥子模块数量，NOH为冗余配置的半桥子模块数量，NH为正常工作时需要的半桥子模块数量，RH为半桥子模块的可靠性，iF为故障的全桥子模块数量，NOF为冗余配置的全桥子模块数量，NF为正常工作时需要的全桥子模块数量，RF为全桥子模块的可靠性；
步骤S23：采用部件计数法对直流变压器可靠性建模；
DAB模块分为逆变电路DC/AC、高频变压器T、整流电路AC/DC三个部分，其中逆变电路由4个IGBT、一个滤波电容以及电感L构成，整流电路由4个IGBT和一个滤波电容构成；则DAB模块的结构可靠性模型为逆变电路DC/AC、整流电路AC/DC、滤波电容C、电感L和高频变压器T串联的电路结构；
步骤S24：采用部件计数法对AC/DC型变流器可靠性建模：
AC/DC型变流器采用三相两电平AC/DC变流器，由IGBT、电容L、电感C以及隔离变压器T构成，其中IGBT组成的全桥部分实现AC/DC的变换功能，电容L以及电感C进行滤波，隔离变压器T用来隔离交流电网与直流电网，提高安全性；三相两电平AC/DC变流器的结构可靠性模型为IGBT、电感C和电容L串联电路；
步骤S25：采用部件计数法对DC/DC型变流器可靠性建模：
Buck-Boost型DC/DC变流器由IGBT、电感L以及电容C组成；当电路进行充电操作时，即IGBT1工作，IGBT2关断，此时为Buck充电电路；当电路进行放电操作时，即IGBT1关断，IGBT2工作，此时为Boost升压电路；Buck/Boost型DC/DC变流器的结构可靠性模型为IGBT、电感L以及电容C的串联结构。


4.根据权利要求2所述的一种含光...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊炜，周董植，袁旭峰，邹晓松，艾小清，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52