集中式光伏電站的可靠性評(píng)價(jià)方法

胡文杰，孫耀杰，林燕丹，張軍軍

（1.復(fù)旦大學(xué) 光源與照明工程系，上海 200433；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，南京 210003）

隨著節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等要求對(duì)傳統(tǒng)能源的限制，可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等，已經(jīng)變得越來越重要.光伏發(fā)電是繼風(fēng)力發(fā)電之后，發(fā)展最迅速且成功應(yīng)用的一種可再生能源.2014年，中國(guó)國(guó)家能源局?jǐn)M定新增并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目14GW 的目標(biāo)；2015年，全國(guó)擬定新增光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目15GW左右，其中集中式光伏電站8GW，分布式光伏電站7GW［1］.光伏電站的初始投入成本大，提高光伏電站運(yùn)行期間的穩(wěn)定性，控制運(yùn)維成本，可以有效減少平均發(fā)電成本，這是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心.因此，建立光伏電站的可靠性評(píng)價(jià)模型，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定快速發(fā)展，顯得非常重要.

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性分析，是目前光伏能源技術(shù)大規(guī)模發(fā)展急需解決的技術(shù)難題.國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究還較少，而國(guó)外的太陽(yáng)能研究機(jī)構(gòu)近幾年正加大相關(guān)的研究投入.目前對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型主要分為基于元件故障的可靠性模型和基于資源限制的可靠性模型這2大類［2－4］.具體的分析方法有：蒙特卡洛模擬法、馬爾科夫過程分析法、可靠性方塊圖法、故障樹分析法.蒙特卡洛法是常用的模擬方法，可用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性分析［5－6］，其計(jì)算較復(fù)雜，更加適合高度復(fù)雜的系統(tǒng)，如用蒙特卡洛法對(duì)光伏－風(fēng)力混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估［7－8］.馬爾科夫過程分析法，將光伏系統(tǒng)的隨機(jī)行為看作馬爾科夫過程，并用空間狀態(tài)圖來描述［9－10］.由于馬爾科夫回報(bào)模型受維數(shù)計(jì)算的限制，只限于低維數(shù)的空間狀態(tài)運(yùn)算.可靠性框圖法，指基于方塊圖的方法建立光伏電站可靠性和運(yùn)行性能的模型［11］，主要由失效模式及其影響的分析模塊，壽命加速測(cè)試模塊，系統(tǒng)可靠性／可用性建模模塊這3部分組成.然而，失效模式的分析模塊是建立在歸納分析的基礎(chǔ)上，需要詳細(xì)了解每一種故障模式后才能形成比較完善的功能模塊［12］.故障樹分析法，將物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的邏輯圖.它主要考慮了基本事件、環(huán)境條件和人為條件導(dǎo)致的系統(tǒng)故障.故障樹分析法對(duì)光伏系統(tǒng)可靠性研究而言是一種有效的工具.當(dāng)然，需要大量的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)來完善故障樹的基本事件的建立.故障樹的分析一般有4個(gè)步驟［13］：（1）系統(tǒng)的定義；（2）故障樹結(jié)構(gòu)的搭建；（3）定性分析；（4）定量分析.文獻(xiàn)［14－15］基于故障樹方法對(duì)光伏電站可靠性進(jìn)行了分析.

本文提出了一種基于故障樹分析理論的集中式光伏電站的可靠性評(píng)價(jià)方法.首先分析了集中式光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；然后結(jié)合故障樹理論，給出了集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型；接著，引用文獻(xiàn)中的光伏電站參數(shù)，對(duì)該模型和指標(biāo)體系進(jìn)行了評(píng)估和驗(yàn)證，給出了各器件對(duì)光伏電站可靠性影響的優(yōu)先級(jí)順序，其中逆變器對(duì)電站的影響最為重要，光伏組件串保護(hù)器、光伏組件、交流電路斷路器3個(gè)器件是次級(jí)重要，其他器件的影響相對(duì)較小.

1 集中式光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)模型

典型的集中式并網(wǎng)光伏電站如圖1所示，主要器件依次是光伏組件、串接保護(hù)裝置、直流開關(guān)、蓄電系統(tǒng)與控制器、逆變器、交流斷路器、電網(wǎng)保護(hù)裝置、交流開關(guān)、差動(dòng)電路斷路器.

圖1 集中式光伏電站電氣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Electrical structure diagram of centralized PV station

光伏組件串和逆變器連接有保護(hù)裝置，防止逆電流進(jìn)入光伏組件造成局部陰影效應(yīng)，一般會(huì)采用阻隔二極管、保險(xiǎn)絲或斷路器.光伏組件串的保護(hù)裝置之后連接直流開關(guān)，可以使維護(hù)人員在太陽(yáng)照射下斷開光伏陣列，達(dá)到安全維護(hù)的目的.直流開關(guān)之后，充電控制器調(diào)節(jié)來自光伏組件的一部分電能到蓄電系統(tǒng)，并保證電能不過充.蓄電系統(tǒng)的電能可在緊急狀態(tài)下使用，如用于夜晚和多云天氣.逆變器模塊實(shí)現(xiàn)了直流到交流的轉(zhuǎn)換.過載保護(hù)裝置保護(hù)逆變器的輸入端和輸出端在閃電直接或間接襲擊裝置引起的激增電流時(shí)免受影響.逆變器的右側(cè)是交流側(cè)，一系列的電路斷路器保護(hù)交流線路主要由交流斷路器、電網(wǎng)保護(hù)裝置、交流開關(guān)和差動(dòng)電路斷路器組成.

本文分析了5個(gè)發(fā)電功率分別是100，200，500，1 000，2 000kW 的集中式光伏電站［16］，它們的電氣結(jié)構(gòu)都滿足圖1.文中使用的逆變器（100kW）參數(shù)（Vmpp，min＝450 V，Vmpp，max＝820 V，Vmax＝1 000 V，IDC，max＝235A）和光伏組件（230W）的參數(shù)（ISC＝8.24A，Vmpp＝30.2V，μI＝3.3mA／℃，VOC＝37.2V，Impp＝7.60A，μV＝－120mV／℃）見文獻(xiàn)［14］，表1列出了每個(gè)電站中使用的各個(gè)器件的數(shù)量［15］.每個(gè)逆變器安裝3個(gè)直流開關(guān)，連接光伏組件串到逆變器.研究分析了這5個(gè)光伏系統(tǒng)在20年內(nèi)的可靠性，平均每天運(yùn)行8.5h，記失敗率單位：失敗次數(shù)／h.

表1 各個(gè)光伏電站中的器件數(shù)量Tab.1 Number of components in each PV system

2 評(píng)估模型

2.1 故障樹模型

采用故障樹理論對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行行為分析，是非常有效的：從分析單一組件之間的關(guān)系開始，逐次構(gòu)建成整體系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián).集中式光伏系統(tǒng)中的主要設(shè)備是通過串聯(lián)方式連接的（光伏組件采用混合串并聯(lián)），可以用故障樹理論進(jìn)行分析，將光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)換為圖2的故障樹分析圖.

如圖2所示，圓形圖標(biāo)：表示底事件，是引發(fā)電站故障的基本項(xiàng)，發(fā)生不需要前端輸入；或門（帽子形圖標(biāo)）：表示當(dāng)或門下面至少有一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，或門上方的事件才會(huì)發(fā)生；長(zhǎng)方形圖標(biāo)：故障樹的主要模塊表示中間事件，可以由其他的中間事件和底事件組合形成.PV 表示光伏組件，BD 表示保護(hù)二極管（光伏組件串保護(hù)器），CON 表示連接器，DCS表示直流開關(guān)，CC 表示蓄電系統(tǒng)控制器，BS 表示蓄電系統(tǒng)，SPD 表示過電流保護(hù)裝置，INV表示逆變器，CBac表示交流電路斷路器，GP表示電網(wǎng)保護(hù)器，ACS表示交流開關(guān)，DCB 表示差動(dòng)電路斷路器.

圖2 集中式光伏電站故障樹Fig.2 Fault tree model for centralized PV station

2.2 概率統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

對(duì)于故障概率按照指數(shù)分布的器件［17］，它的平均故障時(shí)間和可靠性概率如下所示：

將失效率λ作為器件的可靠性指標(biāo)，將系統(tǒng)看作是大量的器件通過串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)混合的形式連接在一起.需要說明的是，指數(shù)分布函數(shù)不是所有電氣或電子組件發(fā)生故障的最合適的概率函數(shù).實(shí)際上，每個(gè)光伏器件實(shí)際的概率分布密度函數(shù)，都需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間且相對(duì)昂貴的加速壽命測(cè)試才能得到，得到的數(shù)據(jù)可能會(huì)滿足其他分布特征參數(shù)函數(shù)（如威布爾分布函數(shù)）.因此，本文使用指數(shù)分布函數(shù)，旨在建立一個(gè)比較完整的評(píng)價(jià)體系和方法論.在得到各個(gè)組件的真實(shí)失效概率分布函數(shù)后，只需要代入到該數(shù)學(xué)模型中，即可得到更加精確的評(píng)估結(jié)果.

根據(jù)文獻(xiàn)［5，16，18，19］，可以得到各個(gè)器件的失效概率，統(tǒng)計(jì)表格如表2所示.逆變器的失效概率計(jì)算：外部因素上，與它的光照能量密度、環(huán)境溫度和輸入功率等級(jí)密切相關(guān)［20］；內(nèi)部因素上，與其所采用的IGBT、蓄電電容、驅(qū)動(dòng)模塊等有著顯著關(guān)聯(lián)［21］.在逆變器可靠性研究的文獻(xiàn)中，關(guān)于其失效概率參數(shù)和模型有著較多的討論，本文不過多展開.根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的逆變器使用情況進(jìn)行估算：平均9年的運(yùn)行時(shí)間中逆變器發(fā)生了1次故障，那么失效率為λ＝1÷（9×365×8.5）＝35.81×10－6.

表2 元件采取的失效率Tab.2 Failure rates of components

在定量評(píng)估時(shí)，將圖2 的故障樹整合為布爾代數(shù)方程如下（其中的SPD 故障率很低，近似為0，即SPD＝0，可忽略）：

由上式可知：本文中的故障樹分析主要基于這11個(gè)最小割集（Minimal Cut Sets，記作MCS）.事件的可靠性概率可以表示為如下方程：

因?yàn)楦鱾€(gè)事件是相互獨(dú)立事件，令Rtot表示可靠性概率，系統(tǒng)可靠性可以表示為：

每個(gè)組件代入指數(shù)分布函數(shù)，得到下面的式子：

其中，mi表示總的相同元件的數(shù)量，λi表示元件i 的失效率，n 表示不同元件的種類，ti表示可靠性研究的時(shí)間.舉例：考察200kW 的光伏電站使用1年的逆變器可靠性指數(shù)（其中mi＝2，λi＝0.358 1×10－6，ti＝365×8.5＝3 102.5h）：RPV，tot＝exp（－1×2×0.358 1×10－6×3 102.5）＝0.800 7.

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證和討論

3.1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

將表2的失效率，代入到集中式光伏電站各個(gè)器件的方程，可得到5個(gè)光伏電站的器件在20年后的可靠性評(píng)價(jià)表（表3）和可靠性趨勢(shì)圖（圖3），以及2MW 電站在20年內(nèi)的可靠性評(píng)價(jià)表（表4）和可靠性趨勢(shì)圖（圖4）.而光伏電站的可靠性評(píng)價(jià)如表5所示，其中的可靠性概率為0.00%，表示光伏電站中有器件發(fā)生故障無法工作，導(dǎo)致光伏電站無法滿功率輸出，但不必然導(dǎo)致停止功率輸出.

表3 光伏電站運(yùn)行20年后各器件可靠性Tab.3 Total component reliability of each centralized PV station after 20years of operations

表4 2MW 光伏電站20年各器件可靠性Tab.4 Total component reliability of 2 MW centralized PV station during 20years of operations

圖3 集中式光伏電站運(yùn)行20年后各器件可靠性Fig.3 Total component reliability of each centralized PV station after 20years of operations

圖4 2MW 集中式光伏電站運(yùn)行20年內(nèi)各器件可靠性Fig.4 Total component reliability of 2 MW centralized PV station during 20years of operations

為了考察光伏發(fā)電系統(tǒng)中，每一個(gè)組成部分對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響程度，用福賽爾法（Fussel－Vesely）來表示.公式如下所示：

比如，計(jì)算100kW 光伏電站的直流開關(guān)運(yùn)行20年的FV 值（其中mi＝3，λi＝0.2×10－6，ti＝20×365×8.5＝62 050h）：FV＝1－exp（－1×3×0.2×10－6×62 050）＝0.036 5.

用FV 法計(jì)算出光伏系統(tǒng)運(yùn)行20年，各個(gè)器件對(duì)光伏系統(tǒng)的影響值，如表6和圖5所示.

表5 光伏電站整體系統(tǒng)的可靠性Tab.5 System reliability of each centralized PV station for 1and 20years of operation

表6 光伏電站運(yùn)行20年各器件FV結(jié)果Tab.6 FV value of components to PV station after 20years of operations

圖5 20年后集中式光伏電站各器件對(duì)系統(tǒng)的影響值Fig.5 FV value of components to PV station after 20years of operation

3.2 討論

（1）輸出功率

從圖3可以看出：隨著光伏電站輸出功率的增加，光伏電站的可靠性逐漸降低.比如，20年后100kW電站的直流開關(guān)正常工作的可靠性概率是96.35%，光伏組件的可靠性概率是66.22%；而20年后2MW電站的直流開關(guān)可靠性是49.29%，光伏組件的可靠性只有0.03%.另一方面，逆變器的可靠性衰減最為明顯，其次是光伏組件串保護(hù)器、光伏組件、交流電路斷路器這3類器件，其他器件隨著功率的增加，可靠性概率仍然在較高的水平.

（2）運(yùn)行時(shí)間

從圖4可以看出：隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，光伏電站各個(gè)器件的可靠性指標(biāo)會(huì)迅速下降.比如，1年后2MW電站的光伏組件的可靠性有66.34%，而20年后正常工作的可靠性概率是0.03%.這意味著如果不進(jìn)行定期維修，那么大功率的光伏電站經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，將無法正常工作.

（3）器件類別

從圖5可以看出：逆變器對(duì)光伏系統(tǒng)的影響最為重要，其次是光伏組件串保護(hù)器、光伏組件、交流電路斷路器這3 種器件，其他的器件對(duì)光伏電站的影響程度明顯低于前面提到的器件.因此，可以根據(jù)這些器件對(duì)光伏電站可靠性的影響程度，分成3個(gè)大類，如表7所示.在實(shí)際的電站維護(hù)中，可以根據(jù)所分的等級(jí)制定不同程度和頻率的故障檢測(cè)和維修策略.這樣既保證了重要器件的檢測(cè)效率和運(yùn)行可靠性，又降低了電站運(yùn)維的規(guī)模和開銷.

針對(duì)光伏能源迅速發(fā)展的現(xiàn)狀，光伏電站的可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)是急需解決的技術(shù)難題.本文提出了一種基于故障樹理論的集中式光伏電站的可靠性評(píng)價(jià)方法.文章通過分析集中式光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)模型，列出了影響電站可靠性的主要事件，然后以最小割集的形式將各個(gè)事件組合起來，提出了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性函數(shù)模型.

本文提出了光伏電站中各個(gè)器件對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的優(yōu)先級(jí)分類.其中逆變器對(duì)電站的影響最重要，光伏組件串保護(hù)器、光伏組件、交流電路斷路器3個(gè)器件是次級(jí)重要，其他器件的影響相對(duì)較小.以后的研究工作中，可以根據(jù)實(shí)際光伏電站的類型，對(duì)重點(diǎn)器件進(jìn)行深入的可靠性研究.根據(jù)文章的評(píng)價(jià)方法，制定靈活高效的光伏檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而提升光伏電站整體系統(tǒng)的可靠性.

表7 影響光伏電站可靠性的器件優(yōu)先級(jí)Tab.7 Ranking of components for PV station reliability

［1］國(guó)家能源局.國(guó)家能源局綜合司關(guān)于征求2015年光伏發(fā)電建設(shè)實(shí)施方案意見的函［R］.北京：國(guó)家能源局，2015.

［2］王 敏，宗炫君，袁 越，等.含光伏電站的發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（34）：42－49.

［3］王 震，魯宗相，段曉波，等.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型及指標(biāo)體系［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（15）：18－24.

［4］汪海瑛，白曉民，馬 綱.并網(wǎng)光伏電站的發(fā)電可靠性評(píng)估［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（10）：1－5.

［5］Ristow A，Begovic M，Pregelj A，et al.Development of a methodology for improving photovoltaic inverter reliability［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（7）：2581－2592.

［6］Maish A B，Atcitty C，Hester S，et al.Photovoltaic system reliability［C］∥1997IEEE 26th Photovoltaic Specialists Conference（PVSC）.Anaheim，CA，USA：IEEE Press，1997：1049－1054.

［7］Kishore L N，F(xiàn)ernandez E.Reliability well－being assessment of PV－wind hybrid system using Monte Carlo simulation ［C］∥2011 IEEE International Conference on Emerging Trends in Electrical and Computer Technology（ICETECT）.Nagercoil，India：IEEE Press，2011：63－68.

［8］Subcommittee P M.IEEE reliability test system［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1979，98（6）：2047－2054.

［9］Dhople S V，Davoudi A，Chapman P L，et al.Integrating photovoltaic inverter reliability into energy yield estimation with Markov models［C］∥2010IEEE 12th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics（COMPEL）.Colorado，USA：IEEE Press，2010：1－5.

［10］Dhople S V，Domínguez－García A D.Estimation of photovoltaic system reliability and performance metrics［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2012，27（1）：554－563.

［11］Collins E，Dvorack M，Mahn J，et al.Reliability and availability analysis of a fielded photovoltaic system［C］∥2009IEEE 34th Photovoltaic Specialists Conference（PVSC），Philadelphia，Pennsylvania，USA：IEEE Press，2009：2261－2266.

［12］Catelani M，Ciani L，Cristaldi L，et al.FMECA technique on photovoltaic module［C］∥2011IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference（I2MTC）.Hangzhou，China：IEEE Press，2011：1717－1722.

［13］Lee W S，Grosh D L，Tillman F A，et al.Fault Tree Analysis，Methods，and Applications－A Review［J］.IEEE Transactions on Reliability，1985，34（3）：194－203.

［14］Zini G，Mangeant C，Merten J.Reliability of large－scale grid－connected photovoltaic systems［J］.Renewable Energy，2011，36（9）：2334－2340.

［15］Ahadi A，Ghadimi N，Mirabbasi D.Reliability assessment for components of large scale photovoltaic systems［J］.Journal of Power Sources，2014，264：211－219.

［16］Lockheed M.Reliability prediction of electronic equipment［M］.Washington D C，USA：HIS Press，1991.

［17］Yang G.Life cycle reliability engineering［M］.Michigan，USA：John Wiley ＆Sons，2007.

［18］Oozeki T，Yamada T，Kato K，et al.An analysis of reliability for photovoltaic systems on the field test project for photovoltaic in Japan［C］∥Solar World Congress of the International－Solar－Energy－Society.Beijing，China：Springer Press，2007：1628－1632.

［19］Kabambalika L.Simulation and performance evaluation of battery based stand－alone photovoltaic systems of Malawi［D］.Taoyuan，China Taiwan：National Central University，2009.

［20］Wang Y，Zhang P，Li W，et al.Comparative analysis of the reliability of grid－connected photovoltaic power systems［C］∥Power and Energy Society General Meeting.San Diego，CA，USA：IEEE Press，2012：1－8.

［21］周雒維，吳軍科，杜 雄，等.功率變流器的可靠性研究現(xiàn)狀及展望［J］.電源學(xué)報(bào)，2013，11（1）：1－15.