梁健鋒，胡振球，黃浩鋒廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東順德 528300

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價(jià)

梁健鋒，胡振球，黃浩鋒
廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東順德 528300

太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用，對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價(jià)提出了更高更全面的要求。在對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評價(jià)的過程中，光資源的波動性和間歇性是影響評估準(zhǔn)確性的重要因素。本文主要介紹了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)建立了綜合考慮能源約束和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的六狀態(tài)可靠性模型，并且從多方面建立了綜合評價(jià)系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)體系。由于光資源的間歇性和波動性，光伏發(fā)電接入后將給電力系統(tǒng)帶來更多的不確定因素，所以對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價(jià)有著十分重要的實(shí)際意義。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；可靠性模型；可靠性指標(biāo)

隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，化石能源也在日益枯竭，可再生資源就受到了人們的關(guān)注。當(dāng)前，太陽能發(fā)電成為新能源開發(fā)的主要方向之一。隨著光伏裝機(jī)容量的大幅增加，其對電力系統(tǒng)的影響也日益深遠(yuǎn)。筆者基于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般特點(diǎn)，建立了綜合考慮能源約束和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的六狀態(tài)可靠性模型，研究并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價(jià)方法。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，將光能轉(zhuǎn)化成電能。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。由于光資源具有一定的波動性和間歇性，對發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和整體結(jié)構(gòu)有較大的影響；基于這兩種方面的影響，筆者對部件可靠性水平和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1系統(tǒng)出力特點(diǎn)

系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)會受到當(dāng)下氣候和季節(jié)的影響，當(dāng)氣候環(huán)境溫暖的時(shí)候，發(fā)電系統(tǒng)的出力狀態(tài)非常好，尤其在中午時(shí)分，太陽的輻射力度最強(qiáng)，系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)也是最好的；但太陽輻射的強(qiáng)度是時(shí)刻變化著的，并且是以先增后減為規(guī)律變化，這也就是在中午太陽輻射最大時(shí)達(dá)到峰值的原因；天氣情況良好時(shí)，中午的峰值最大可達(dá)到裝機(jī)容量的60％～90％.其次會受到天氣情況的影響，陰天、晴天、刮風(fēng)、下雨都會有不同的處理狀態(tài)，比如在下雨、陰天等較差的天氣環(huán)境下，太陽的輻射強(qiáng)度明顯變?nèi)?，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力狀態(tài)也會隨之下降，這也是光伏發(fā)電系統(tǒng)存有不確定性的主要影響因素。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般包括光伏組件、匯流箱、逆變器、配電柜等，其中光伏組件和逆變器是光伏系統(tǒng)的兩大核心部件，因此本文的光伏系統(tǒng)基本架構(gòu)只考慮這兩種部件，基本架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)中，光伏陣列的組件有很多塊，并且是串聯(lián)而成，然后將串聯(lián)而成的組件與逆變器連接起來，以同樣的規(guī)格進(jìn)行連接，根據(jù)實(shí)際需求和當(dāng)?shù)貤l件連接出一定數(shù)量的光伏陣列和逆變器，最后并入電網(wǎng)。在了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)后，可以看出如果光伏陣列中的組件出現(xiàn)故障，那么相應(yīng)的組串就會發(fā)生故障，進(jìn)而引起逆變器的故障，最終導(dǎo)致這一組逆變器停運(yùn)；但在系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障情況是多種多樣的，通常情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障情況分為三大類：全額運(yùn)行、故障減額運(yùn)行以及故障停運(yùn)狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)處于完全故障狀態(tài)下，k組光伏—逆變器組并聯(lián)系統(tǒng)完全故障的故障率修復(fù)時(shí)間故障概率，可以依據(jù)以下公式計(jì)算：

系統(tǒng)的部分故障，主要出現(xiàn)在光伏陣列和逆變器的連接中，原因可能是雙方面的，筆者對兩者進(jìn)行各自詳細(xì)的分析；先分析光伏組串故障，根據(jù)退出運(yùn)行的光伏組串?dāng)?shù)量分為1階，2階...mk-1階部分故障的狀態(tài)，因?yàn)楣夥M件之間為互相獨(dú)立的關(guān)系，所以當(dāng)i階部分處于故障狀態(tài)時(shí)，其故障的概率計(jì)算公式為：串相同的光伏組件并聯(lián)，故障修復(fù)時(shí)間為：；根據(jù)以上兩個公式可以推理得出：

當(dāng)系統(tǒng)處于部分逆變器故障時(shí)，與上述分析步驟類似，可以得出這一故障情況下的故障概率和故障修復(fù)時(shí)間，以及故障率的計(jì)算公式：；最終可得出：

由于組件與逆變器之間出現(xiàn)故障的情況是獨(dú)立的，沒有較強(qiáng)的牽連性；在系統(tǒng)部分故障的情況下，其故障率、修復(fù)時(shí)間和故障概率Up可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

根據(jù)上文分析，可以知道由于受到光資源自身的特性影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力狀態(tài)與一般的電源不同，并不是單一且不變的，而是受到多方面因素的影響，需要綜合考慮才能完成可靠性模型的建立。

2 可靠性狀態(tài)的劃分

針對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性狀態(tài)的劃分，如圖2所示，具體可以分為6種狀態(tài)。

對可靠性的6種好狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析與定義解析：

全額運(yùn)行狀態(tài)，比如在晴朗天氣的中午時(shí)分，太陽的敷設(shè)力度最強(qiáng)大，系統(tǒng)的發(fā)電出力狀態(tài)達(dá)到最佳，最高可以達(dá)到裝機(jī)容量的60％～90％；只有在系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)達(dá)到60％，甚至更高的時(shí)候，才會被稱作全額運(yùn)行狀態(tài)。

資源限制減額運(yùn)行狀態(tài)，與全額運(yùn)行狀態(tài)相似，這一運(yùn)行狀態(tài)則是指系統(tǒng)的處理水平在60％以下。

故障減額運(yùn)行狀態(tài)，這一運(yùn)行狀態(tài)是指，系統(tǒng)中的個別或部分設(shè)備出現(xiàn)故障，造成了無法工作的現(xiàn)象，但其他設(shè)備可以繼續(xù)帶動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，知識運(yùn)行的狀態(tài)不如正常情況下良好。

資源限制下故障減額運(yùn)行狀態(tài)則是指系統(tǒng)受到自身設(shè)備和天氣環(huán)境條件的同時(shí)影響，致使系統(tǒng)部分出力損失。

故障停運(yùn)狀態(tài)，由于各種原因，可能是系統(tǒng)設(shè)備的性能故障、為檢修設(shè)備而設(shè)定了固定的時(shí)間等，導(dǎo)致的設(shè)備無法繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而出現(xiàn)的停運(yùn)狀態(tài)。

夜間停運(yùn)狀態(tài)，由于系統(tǒng)運(yùn)行受到天氣的直接影響，在夜晚無法受到太陽輻射，所以系統(tǒng)無法運(yùn)行而停運(yùn)。

3 可靠性指標(biāo)

筆者在研究可靠性指標(biāo)過程中發(fā)現(xiàn)，先前有相關(guān)文獻(xiàn)提出過光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，主要是根據(jù)時(shí)間、系統(tǒng)的出力狀態(tài)和可靠性等方面，雖然又提出可靠性指標(biāo)，但未對其進(jìn)行與可靠性模型之間的關(guān)系對應(yīng)。筆者在此基礎(chǔ)上，并結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可靠性的指標(biāo)應(yīng)該有時(shí)間、出力和系統(tǒng)總體，以此為指標(biāo)來反應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)中各狀態(tài)的特性，才能全面且準(zhǔn)確的反映出系統(tǒng)的特性。

3.1時(shí)間指標(biāo)

筆者以查找到的資料為參考，其中提出了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)間指標(biāo)體系的劃分方法，主要是根據(jù)全額運(yùn)行時(shí)間、減額運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)特性狀態(tài)作為指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行思路的劃分。對于出現(xiàn)的各種時(shí)間名詞定義，比如全額運(yùn)行時(shí)間，是表示在系統(tǒng)全額運(yùn)行狀態(tài)下的累計(jì)時(shí)間，資源限制減額運(yùn)行時(shí)間是指系統(tǒng)減額運(yùn)行狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間；同樣的邏輯關(guān)系可以解析故障減額運(yùn)行時(shí)間資源限制下故障減額運(yùn)行時(shí)間故障停運(yùn)時(shí)間、夜晚停運(yùn)時(shí)間.

3.2出力狀態(tài)指標(biāo)

在處理狀態(tài)指標(biāo)下，主要有以下9個方面，前5個基本上是根據(jù)系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的運(yùn)行狀態(tài)而產(chǎn)生的等效出力，比如在全額運(yùn)行狀態(tài)下的等效出力，被稱為全額等效出力在受到資源影響，而產(chǎn)生的限制減額運(yùn)行，這一狀態(tài)下的等效出力被稱為資源限制減額等效出力，所以還有故障減額等效出力、資源限制下故障減額等效出力等效減額出力處理狀態(tài)指標(biāo)下，還有等效出力S，等效出力系數(shù)實(shí)際發(fā)電中等效出力與額定出力的比值；最大出力最大出力系數(shù)：由最大出力與額定出力的比值可以計(jì)算得出。

4 結(jié)論

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性受到多方面因素的影響，比如設(shè)備的故障情況，天氣、氣候等，與常規(guī)概念下的電源的可靠性不同；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中會受到光資源自身特性的影響，并且根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、環(huán)境溫度，以及系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)等條件的不同，所產(chǎn)生的發(fā)電效果也不同。筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的文獻(xiàn)，建立并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型，并對系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)機(jī)制的設(shè)定；為分析并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他影響因素奠定了基礎(chǔ)，可以對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)做出更加深入全面的分析和研究。

［1］林明耀，顧娟，單竹杰.一種實(shí)用的組合式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)檢測方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（23）：85-89.

［2］汪海瑛.含大規(guī)?？稍偕茉吹碾娏ο到y(tǒng)可靠性問題研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［3］王浩鳴.含分布式電源的配電系統(tǒng)可靠性評估方法研究［D］.天津：天津大學(xué)，2012.

［4］何葉.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2014.

［5］李晶，許洪華，趙海翔.并網(wǎng)光伏發(fā)電站動態(tài)建模及仿真分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（24）：83-87.

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1674-6708（2016）170-0192-03

梁健鋒，廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院。胡振球，廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院。黃浩鋒，廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院。