光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010015246.1 (22)申请日 2020.01.07 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 武汉大学 申请人 国网浙江省电力有限公司 (72)发明人 刘飞查鹏程余滢婷夏琦 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 42222 代理人 鲁力 (51)Int.Cl. G06F 17/18(2006.01) G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/06(2012.01) (54)发明名称 一种光伏。

2、直流升压汇集系统可靠性评估及 灵敏度分析方法 (57)摘要 本发明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( expectedenergynot 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。

3、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。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 111222097 A 2020.06.02 CN 111222097 A 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。

4、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： Q1-EX/M (1) EENSQMT (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。

5、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，i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 ， 故障 修复时间。

6、为r， 则故障概率U为U r， 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 srsnU1 (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) 权利要求书 1/4 页 2 CN 111222097 A 2 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。

7、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； EENSmnkPNTQ (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。

8、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。

9、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： 权利要求书 2/4 页 3 CN 111222097 A 3 其中Ni为第i种元器件的数量， i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，i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。

10、障概率模型为: C bCVQEch (19) 其中 b为电容的基本失效率， CV为电容的电容量系数， Q为质量系数， E为环境因子， ch 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 b为0.732410-6h-1， 根据设计选用容量1.68mF查手册 CV取1.9， 质量系数 Q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 ch取1.0， 计算得电解电容的工 作失效率为6.957810-6h-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。

11、两倍， 工作环境为85， 查手册得薄膜电容的基本失效率 b为0.217910-6h -1， 根据设计选用容量7uF查手册 CV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0.236910-6h-1； 3)电感 P bEQKC (20) 其中 b为电感的基本失效率， E为环境系数， Q为质量系数， K为种类系数， C为结构系 数； 选用器件绝缘等级为A级， 额定工作温度为105， 查表得基本失效率 b为0.072110- 6h-1， 环境系数 E取1.0， 质量系数 Q取3.5， 采用固定安装方式， C取1.0， 结合电子设备可靠 性手册计算得电感的失效率 P为0.25。

12、2410-6h-1； 4)普通硅二极管 P bEQrAS2e (21) 其中 b为电感的基本失效率， E为环境系数， Q为质量系数， r为额定电流系数， A为应 用系数，S2为电压应力系数，e为结构系数； 查表得普通硅二极管基本失效率 b为0.11210-6h-1， 环境系数 E取1.0， 质量系数 Q取 5.0， 计算得额定电流系数 r为2.0， 二极管应用于功率整流， 应用系数 A取2.5， 选用二极管 额定反向电压为计算外加反向电压的两倍， 电压应力系数 S2取0.7， 结构系数 e取1.0， 结合 电子设备可靠性手册计算得二极管的工作失效率 P为1.9610-6h-1； 5)IGBT 。

13、IGBT的失效率较低， 在早期修订标准时没有IGBT的故障率参数， IGBT的故障率参数主 要通过厂商提供的数据进行估计； 步骤3、 汇集系统的灵敏度分析： 步骤3.1、 由汇集拓扑的EENS随光伏组件的故障率增加的变化， 分析光伏组件故障率对 权利要求书 3/4 页 4 CN 111222097 A 4 汇集系统可靠性影响； 步骤3.2、 由汇集拓扑的EENS随变流器的故障率增加的变化， 分析升压变流器故障率对 拓扑可靠性影响； 步骤3.3、 由汇集拓扑的EENS随汇集电缆的故障概率增加的变化， 分析汇集电缆故障概 率对拓扑可靠性影响。 权利要求书 4/4 页 5 CN 111222097 。

14、A 5 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 技术领域 0001 本发明属于电力系统网络可靠性评估技术领域， 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。 背景技术 0002 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。

15、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。 发明内容 0003 本发明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。 本发明依托 “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)。 0004 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是： 光伏直流升压汇集系统可靠性评估 及灵敏。

16、度分析方法， 包括以下步骤： 0005 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： 0006 步骤1、 建立两种典型光伏直流升压系统拓扑； 0007 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 0008 步骤1.2、。

17、 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； 0009 步骤2、 建立汇集系统可靠性模型； 0010 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： 0011 Q1-EX/M (1) 0012 EENSQMT (2) 说明书 1/10 页 6 CN 111222097 A 6 0013 0014 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。

18、定汇集容量， T为等效光照小时数， Si为设备i的灵敏度，i为设备i故障率； 0015 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； 0016 光伏组件的故障概率为 ， 故障修复时间为r， 则故障概率U为U r， 根据串并联系 统可靠性计算公式，。

19、 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： 0017 0018 0019 Us srsnU1 (6) 0020 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； 0021 单个光伏阵列等效输出容量EPVX为： 0022 0023 Si(m-i)nPN (8) 0024 0025 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； 0026 单组变流器与汇集电缆的运行状态联合可靠度为 0。

20、027 RDC1Rl(1-UDC1)(1-Ul) (10) 0028 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； 0029 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： 0030 0031 Sj(k-j)EPVX (12) 0032 0033 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； 说明书 2/10 页 7 CN 111222097 A 7 0034 0035 EENSmnkPNTQ (15。

21、) 0036 式中T为光伏电站年等效峰值发电小时数； 0037 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； 0038 级联型汇集系统等效输出容量计算公式： 0039 0040 0041 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； 0042 步骤2.4、 利用元器。

22、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： 0043 0044 其中Ni为第i种元器件的数量， i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，i为第i种元器件的质量系数； 0045 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；。

23、 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： 0046 1)电解电容 0047 电解电容的故障概率模型为: 0048 C bCVQEch (19) 0049 其中 b为电容的基本失效率， CV为电容的电容量系数， Q为质量系数， E为环境因 子，ch为表面贴装系数； 0050 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 b为0.732410-6h-1， 根据设计选用容量1.68mF查手册 CV取1.9， 质量系数 Q取 5， 在标准作环境下， 表面贴装采用有引线。

24、式贴装， 表面贴装系数 ch取1.0， 计算得电解电容 的工作失效率为6.957810-6h-1； 0051 2)薄膜电容 0052 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 b为0.2179 说明书 3/10 页 8 CN 111222097 A 8 10-6h-1， 根据设计选用容量7uF查手册 CV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0.236910-6h-1； 0053 3)电感 0054 P bEQKC (20) 0055 其中 b为电感的基。

25、本失效率， E为环境系数， Q为质量系数， K为种类系数， C为结 构系数； 0056 选用器件绝缘等级为A级， 额定工作温度为105， 查表得基本失效率 b为0.0721 10-6h-1， 环境系数 E取1.0， 质量系数 Q取3.5， 采用固定安装方式， C取1.0， 结合电子设备 可靠性手册计算得电感的失效率 P为0.252410-6h-1； 0057 4)普通硅二极管 0058 P bEQrAS2e (21) 0059 其中 b为电感的基本失效率， E为环境系数， Q为质量系数， r为额定电流系数， A 为应用系数，S2为电压应力系数，e为结构系数； 0060 查表得普通硅二极管基本失。

26、效率 b为0.11210-6h-1， 环境系数 E取1.0， 质量系数 Q取5.0， 计算得额定电流系数 r为2.0， 二极管应用于功率整流， 应用系数 A取2.5， 选用二 极管额定反向电压为计算外加反向电压的两倍， 电压应力系数 S2取0.7， 结构系数 e取1.0， 结合电子设备可靠性手册计算得二极管的工作失效率 P为1.9610-6h-1； 0061 5)IGBT 0062 IGBT的失效率较低， 在早期修订标准时没有IGBT的故障率参数， IGBT的故障率参 数主要通过厂商提供的数据进行估计； 0063 步骤3、 汇集系统的灵敏度分析： 0064 步骤3.1、 由汇集拓扑的EENS随。

27、光伏组件的故障率增加的变化， 分析光伏组件故障 率对汇集系统可靠性影响； 0065 步骤3.2、 由汇集拓扑的EENS随变流器的故障率增加的变化， 分析升压变流器故障 率对拓扑可靠性影响； 0066 步骤3.3、 由汇集拓扑的EENS随汇集电缆的故障概率增加的变化， 分析汇集电缆故 障概率对拓扑可靠性影响。 0067 本发明的有益效果是， (1)光伏直流汇集系统设备类型和拓扑结构与传统光伏电 站交流汇集系统不同， 对其进行可靠性建模， 对于系统拓扑和设备选型具有一定借鉴意义。 (2)考虑当前直流汇集并联型和级联型两种拓扑， 分析结构差异和设备差异， 通过计算拓扑 等效停运率和电量不足期望值比较。

28、二者可靠性。 (3)对直流汇集并联型和级联型两种拓扑 进行灵敏度分析， 得到了目前设备水平下的两种拓扑可靠性差异， 分析了提高何种设备可 靠性对提高拓扑可靠性更有效。 附图说明 0068 图1为本发明一个实施例并联型光伏直流升压汇集系统拓扑； 0069 图2为本发明一个实施例级联型光伏直流升压汇集系统拓扑； 0070 图3为本发明一个实施例直流升压变流器拓扑结构； 0071 图4为本发明一个实施例两种汇集拓扑的光伏组件故障概率对EENS影响； 说明书 4/10 页 9 CN 111222097 A 9 0072 图5为本发明一个实施例直流变流器故障率对EENS影响； 0073 图6为本发明一个。

29、实施例两种汇集拓扑的汇集电缆故障概率对EENS影响。 具体实施方式 0074 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。 0075 针对目前缺乏针对直流升压汇集系统的可靠性研究方法， 本实施例对光伏直流汇 集系统进行可靠性建模， 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， 计算并联型和级联型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。

30、析， 得到光伏组件、 变流器和汇集电缆对汇集拓扑可靠性的影 响。 0076 本实施例是通过以下技术方案来实现的， 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： 0077 一、 两种典型光伏直流升压系统拓扑构建方法， 包括步骤： 0078 步骤S1， 构建并联型直流汇集系统拓扑： 将多串光伏组件串联， 通过汇流箱将电能 汇集到光伏逆变器， 交流汇集系统通过箱式变压器进行第二次升压后通过变电站进行升压 并网。 0079 具体实施中， 并联型光伏直流升压系统参考交流光伏电站的内网拓扑， 光伏组件 以并联的形式相连接， 各级电力电子变流器以并联型拓扑实现功率的汇集， 通过最后一级。

31、 升压将电压等级提高到适合VSC-HVDC传输的水平， 汇集拓扑如图1所示。 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。 此方案利用现有交流并网技术， 需要大容量、 高变比的直流升压 变流器作为设备支撑。 0080 步骤S2， 构建联型直流汇集系统拓扑： 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。

32、， 经模块化多电平换流器逆变后接入交 流电网。 0081 具体实施中， 级联型汇集拓扑在保证高压侧电压的同时， 降低了系统对DC/DC变流 器容量与变比的要求。 同时串联升压接入方案的拓扑结构相对并联型拓扑结构简单， 降低 了系统的损耗， 提高了系统的运行效率。 级联升压接入方案的拓扑结构还具有易于拓展的 优点， 如果需要提高高压侧直流母线电压， 可以增加串联DC/DC直流升压单元的个数。 0082 二、 汇集系统可靠性建模方法， 包括步骤： 0083 步骤S3， 确定可靠性评估指标。 0084 具体实施中， 由于评估对象为光伏电站汇集系统， 与反映光伏电站光伏出力的可 靠性模型不同， 汇集系。

33、统可靠性评估指标选择体现汇集拓扑、 设备故障率的拓扑等效停运 率和电量不足期望值EENS。 拓扑等效停运率可以反映设备自身故障导致的拓扑停运概率， EENS反映发电系统内部设备故障导致停运或降额运行而损失的发电量。 设备的灵敏度衡量 说明书 5/10 页 10 CN 111222097 A 10 设备故障概率变化对拓扑可靠性的影响程度， 计算公式如下： 0085 Q1-EX/M (1) 0086 EENSQMT (2) 0087 0088 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，i为设备i故。

34、障率。 0089 步骤S4， 建立并联型拓扑可靠性模型。 0090 具体实施中， 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。 0091 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 ， 故障修复时间为r， 则故障概率U为U r， 根据串并联系统可靠性计算公式， n个电池板串联 后的故。

35、障率、 故障修复时间、 故障概率分别为： 0092 0093 0094 Us srsnU1 (6) 0095 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。 0096 单个光伏阵列等效输出容量EPVX为： 0097 0098 Si(m-i)nPN (8) 0099 0100 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。 0101 单组变流器与汇集电缆的运行状态联合可靠度为 0102 RDC1Rl(。

36、1-UDC1)(1-Ul) (10) 0103 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。 0104 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： 0105 0106 Sj(k-j)EPVX (12) 说明书 6/10 页 11 CN 111222097 A 11 0107 0108 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； 0109 0110 EENSmnkPNTQ (15) 0111 式中。

37、T为光伏电站年等效峰值发电小时数； 0112 步骤S5， 建立级联型拓扑可靠性模型。 0113 具体实施中， 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。 0114 级联型汇集系统等效输出容量计算公式： 0115 0116 0117 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。 0118 步骤S6， 估计直流升压变流器失效率。 0119 具。

38、体实施中， 目前光伏直流升压汇集系统仍处于概念形成、 技术探讨的阶段， 可靠 性参数无法通过实验测得。 元器件计数法基于各元件的基本失效率， 根据工作温度和器件 容量系数修正， 结合设备中相应元器件的数目， 累加得到设备的失效率， 适用于电气设备的 方案论证和初步设计阶段， 将逆变器分解为多个子系统， 应用元件计数法估计了逆变器的 故障率。 0120 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。

39、如下： 0121 0122 其中Ni为第i种元器件的数量， i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，i为第i种元器件的质量系数。 0123 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： 0124 1)电解电容 0125 电解电容的故障概率模型为: 0126 C bCVQEch (19) 0127 其中 b为电容的基本失效率， CV为电容的电容量系数， Q为质量系数， E为环境因 说明书 7/10 页 12 CN。

40、 111222097 A 12 子，ch为表面贴装系数。 0128 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 b为0.732410-6h-1， 根据设计选用容量1.68mF查手册 CV取1.9， 质量系数 Q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 ch取1.0， 计算得电解电容 的工作失效率为6.957810-6h-1。 0129 2)薄膜电容 0130 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 b为0.217。

41、9 10-6h-1， 根据设计选用容量7uF查手册 CV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0.236910-6h-1。 0131 3)电感 0132 P bEQKC (20) 0133 其中 b为电感的基本失效率， E为环境系数， Q为质量系数， K为种类系数， C为结 构系数。 0134 选用器件绝缘等级为A级， 额定工作温度为105， 查表得基本失效率 b为0.0721 10-6h-1， 环境系数 E取1.0， 质量系数 Q取3.5， 采用固定安装方式， C取1.0， 结合电子设备 可靠性手册计算得电感的失效率 P为0.252410-6h-1。 0135。

42、 4)普通硅二极管 0136 P bEQrAS2e (21) 0137 其中 b为电感的基本失效率， E为环境系数， Q为质量系数， r为额定电流系数， A 为应用系数，S2为电压应力系数，e为结构系数。 0138 查表得普通硅二极管基本失效率 b为0.11210-6h-1， 环境系数 E取1.0， 质量系数 Q取5.0， 计算得额定电流系数 r为2.0， 二极管应用于功率整流， 应用系数 A取2.5， 选用二 极管额定反向电压为计算外加反向电压的两倍， 电压应力系数 S2取0.7， 结构系数 e取1.0， 结合电子设备可靠性手册计算得二极管的工作失效率 P为1.9610-6h-1。 0139。

43、 5)IGBT 0140 IGBT的失效率较低， 在早期修订标准时没有IGBT的故障率参数， IGBT的故障率参 数主要通过厂商提供的数据进行估计。 主流功率器件厂商英飞凌的器件故障率IGBT为 0.00810-6h-1。 0141 直流升压变流器各器件工作失效率计算结果如表1所示， 由式(18)可得该200kW， 800/10kV的直流升压变流器失效率为49.813810-6h-1， 年故障概UDC1为0.4364次a-1。 0142 表1直流升压变流器各模块失效率参数 0143 Tab.1 Failure rate parameters of each module of DC boost。

44、 converter 0144 说明书 8/10 页 13 CN 111222097 A 13 0145 同理估计级联式汇集拓扑所用的50kW， 800/1000V的光伏升压变流器的年故障概 率UDC2为0.3768次a-1。 0146 下面以某规划直流光伏电站为例， 进行可靠性与灵敏性评估， 其中装机容量为 1MW， 共采用400W光伏电池组件2500块， 集电系统电压等级为10kV， 年等效日照时间为1500 小时， 并联型和级联型汇集系统拓扑如图1和图2所示， 并联型拓扑汇集分为5个子单元， 每 个单元采用200kW， 800/10kV的高变比直流升压变流器进行升压汇集， 对应的光伏阵列。

45、的串 并数分别为20块组件串联， 13串组件并联接入变流器； 级联型拓扑汇集分为2个子单元， 每 单元用10台50kW， 800/1kV的升压变流器级联汇集， 光伏阵列20块组件串联， 7串并联接入变 流器。 0147 算例中光伏组件、 汇集电缆故障数据和修复时间数据参考相关文献， 变流器故障 率数据采用元器件估计法得到故障率， 汇集系统主要设备可靠性参数如表2所示。 0148 表2光伏汇集系统主要设备可靠性参数 0149 Tab.2 Reliability parameters of main equipment of PV collection system 0150 0151 并联型汇集。

46、系统和级联型汇集系统， 应用本文所提的可靠性模型， 结合公式(14- 17)计算两种拓扑的等效停运率和EENS， 结果如表3。 0152 表3两种光伏汇集系统的可靠性指标 0153 Tab.3 Reliability index of two PV collection systems 0154 0155 由表3可知， 并联型汇集系统等效停运率明显低于级联型汇集系统， 即并联型汇集 系统可靠性指标高于级联型汇集系统。 0156 步骤S7， 分析直流汇集系统灵敏度。 0157 具体实施中， 在汇集拓扑和设备选型确定的情况下， 汇集系统的可靠性指标主要 由光伏组件、 变流器、 汇集电缆决定。 在光。

47、伏电站运行过程中， 受天气、 温度、 设备质量等因 素影响， 设备的故障率会发生变化， 影响到整个汇集系统的可靠性。 分别对影响拓扑可靠性 的相应设备进行灵敏度分析， 得出光伏组件、 变流器、 汇集电缆的故障率对两种汇集拓扑可 靠性的影响。 0158 (1)光伏组件故障率对汇集系统可靠性影响 0159 变流器和电缆的故障率取表2中典型值， 光伏组件的故障率增大到原故障率的5 倍， 对算例进行可靠性评估， 得到两种汇集拓扑下EENS随光伏组件故障率变化曲线如图4所 示。 由图4可知， 汇集拓扑的EENS随光伏组件的故障率增加而增长， 两种汇集拓扑下的EENS 随光伏组件故障的增长速率不同， 并联。

48、型拓扑受光伏组件故障率影响更大。 并联系统因单 说明书 9/10 页 14 CN 111222097 A 14 个变流器容量更大， 所连光伏阵列规模较大， 受光伏组件影响更大。 0160 (2)升压变流器故障率对拓扑可靠性影响 0161 光伏组件和汇集电缆的故障率取表2中典型值， 两种直流升压变流器的故障率都 增大到原故障率的5倍， 对算例进行可靠性评估， 得到两种汇集拓扑下EENS随变流器故障率 变化曲线如图5所示。 由图5可知， 汇集拓扑的EENS随变流器的故障率增加而增长。 其中， 并 联型拓扑的EENS随变流器故障率的增加而增长， 级联型拓扑EENS随变流器故障率增加而增 长的速度逐渐。

49、变缓， 级联型拓扑对变流器灵敏度逐渐降低。 级联型系统子单元数较少， 但每 个单元所含升压变流器更多， 以单个变流器为灵敏度分析对象时， 级联型拓扑更易受变流 器故障率影响。 0162 (3)汇集电缆故障概率对拓扑可靠性影响 0163 光伏组件和变流器故障率取表2中典型值， 汇集电缆的故障率增大到原故障率的5 倍， 对算例进行可靠性评估， 得到并联型汇集拓扑下EENS随汇集电缆故障率变化曲线如图6 所示。 由图6可知， 汇集拓扑的EENS随汇集电缆的故障概率增加平缓增长， 但增长的EENS增 长较小， 因为汇集电缆自身故障率较低， 且在两种汇集拓扑中的比重较小。 0164 通过上述分析可知， 。

50、汇集拓扑EENS与3种设备故障率成近似线性关系。 应用第二节 中灵敏度计算方法得到两种汇集系统的拓扑停运率对各设备故障率的灵敏度， 如表4所示。 0165 表4两种光伏汇集系统拓扑停运率对设备故障率灵敏度 0166 Tab.4 Sensitivity of topological outage rate to equipment failure rate of two PV collection systems 0167 0168 由表4可知， 对于两种汇集拓扑， 由于并联型汇集拓扑单个变流器容量比级联型所 用变流器更大， 因此汇集的光伏阵列规模更大， 拓扑停运率受汇集电缆故障影响比级联汇 集。