一種光伏電站逆變器綜合評(píng)估方法

■李春來?xiàng)盍I張節(jié)潭杜貴蘭趙越楊晟趙爭(zhēng)鳴(1.沈陽工業(yè)大學(xué)；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院；.清華大學(xué)；4.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

一種光伏電站逆變器綜合評(píng)估方法

■李春來1,2,4*楊立濱1,2,4張節(jié)潭2,4杜貴蘭3趙越3楊晟3趙爭(zhēng)鳴3
(1.沈陽工業(yè)大學(xué)；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院；3.清華大學(xué)；4.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

從逆變器故障率、逆變器效率、逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力和故障維修率這4個(gè)方面對(duì)某電站的逆變器進(jìn)行綜合評(píng)估，為電站選取最優(yōu)逆變器提供指導(dǎo)性建議，進(jìn)而為提高光伏電站的發(fā)電效率做出貢獻(xiàn)；此外，該方法還可指出逆變器的不足之處，為逆變器的生產(chǎn)廠家提供改進(jìn)方向。

逆變器故障率；逆變器效率；逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力；故障維修率

0　引言

太陽能資源是取之不盡、用之不竭、可再生的清潔環(huán)保型能源。大力推廣光伏并網(wǎng)發(fā)電既可減少環(huán)境污染，又可節(jié)約資源，還可促進(jìn)光伏工業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用[1]。積極發(fā)展光伏電站建設(shè)項(xiàng)目，是解決不可再生能源危機(jī)的關(guān)鍵。建設(shè)光伏電站，提高光伏電站的數(shù)據(jù)質(zhì)量、逆變器效率和光伏電站的整體性能比，對(duì)于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境都具有積極的作用。

隨著光伏行業(yè)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電量的比重逐漸增加，光伏發(fā)電設(shè)備的問題在光伏發(fā)電領(lǐng)域日漸突出，尤其是光伏組件和逆變器。并網(wǎng)逆變器是將太陽能直流電轉(zhuǎn)換為可接入交流電網(wǎng)的設(shè)備，是光伏電站不可缺少的重要組成器件之一，其性能的好壞對(duì)提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、延長(zhǎng)光伏電站的壽命、降低整個(gè)光伏系統(tǒng)的成本有決定性的作用[2]。因此，本文對(duì)逆變器進(jìn)行綜合評(píng)估，并選出綜合性能較好的逆變器，為光伏電站選取最優(yōu)逆變器提供指導(dǎo)性建議。

本文基于大量光伏電站數(shù)據(jù)的分析，提出一種用于光伏逆變器綜合評(píng)估的方法，介紹影響光伏逆變器綜合評(píng)估的因素，提出光伏逆變器評(píng)估算法，并對(duì)光伏逆變器進(jìn)行綜合評(píng)估。

1　影響光伏電站逆變器綜合評(píng)估的因素

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)發(fā)電量的因素有很多，如溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速和太陽電池的內(nèi)部特性、逆變器的性能等。但溫度、光照強(qiáng)度是由外界環(huán)境控制的，因此在外界環(huán)境相同時(shí)，除提高太陽電池的工作狀態(tài)、將光能盡可能大的轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苤?；還可以提高逆變器的性能和穩(wěn)定性，使逆變器的轉(zhuǎn)換能力達(dá)到最優(yōu)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析，了解數(shù)據(jù)的模式和特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)影響光伏逆變器綜合評(píng)估的主要指標(biāo)有：逆變器故障率、逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力、故障維修率和逆變器效率[3]。

1)逆變器故障率。逆變器出現(xiàn)故障的頻率直接影響光伏電站的發(fā)電量，因此，選取最優(yōu)的逆變器對(duì)保證電站發(fā)電量至關(guān)重要。

下文通過提取光伏電站運(yùn)行日志表、光伏電站故障統(tǒng)計(jì)表和光伏電站發(fā)電量異常數(shù)據(jù)來判斷逆變器是否故障，并利用對(duì)稱觀測(cè)疊加法計(jì)算逆變器故障率。

對(duì)稱觀測(cè)疊加法主要用于字符型觀測(cè)，尋找具有對(duì)稱性的觀測(cè)來進(jìn)行計(jì)算。例如A逆變器故障，A逆變器恢復(fù)正常(離A逆變器此次故障最近的那條恢復(fù)故障的觀測(cè))，則被記為1次故障，即逆變器故障到恢復(fù)正常的時(shí)間間隔為其故障時(shí)間。

若某光伏電站有A、B、C、D 4種不同品牌的逆變器，設(shè)這4種逆變器的故障頻數(shù)為Si，i=1，2，3，4，則4種品牌逆變器的故障率依次為：

不同逆變器轉(zhuǎn)換發(fā)電量的能力是不同的，在相同環(huán)境下，轉(zhuǎn)換發(fā)電量的能力越高，轉(zhuǎn)換的電量越多，則提高了電網(wǎng)發(fā)電的效率。

3)故障維修率。有效防止逆變器故障是提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性的根本[4]。本文用對(duì)稱觀測(cè)疊加法提取逆變器故障的時(shí)間段。在同一電站不同逆變器的條件下，逆變器故障維修率的大小直接影響售后服務(wù)成本；逆變器故障維修率值越大，說明逆變器出現(xiàn)故障的時(shí)間越長(zhǎng)，則直接影響整個(gè)光伏電網(wǎng)的發(fā)電量；若對(duì)故障的逆變器及時(shí)維修，則能減少逆變器停運(yùn)時(shí)間，增加逆變器轉(zhuǎn)換時(shí)長(zhǎng)，提高電網(wǎng)發(fā)電效率。

若A、B、C、D 4種不同品牌的逆變器，在某段時(shí)間內(nèi)(如1年)從故障到恢復(fù)正常的時(shí)間為Ti，i=1，2，3，4，則4種品牌逆變器的故障維修率依

2)逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力。逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力是指在同等條件下，由不同子陣發(fā)電并輸送給逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力。設(shè)4種逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力為φi，即為逆變器的發(fā)電量Vi與光伏電站的總發(fā)電量V總的比值：

4)逆變器效率。逆變器效率η是任意時(shí)刻逆變器輸出功率P出與輸入功率P入的比值[5-7]，即：最重要的指標(biāo)之一，直接影響光伏系統(tǒng)的電力輸出[8,9]。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，逆變器不會(huì)一直保持最大轉(zhuǎn)換效率，會(huì)隨著外界環(huán)境的不斷變化而改變；但是，不同逆變器在相同環(huán)境中由于自身的性能不同，逆變器效率也不同。

從以上4個(gè)指標(biāo)綜合可得出性能和工作效率最優(yōu)的逆變器。當(dāng)逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力值和逆變器效率值很高時(shí)，逆變器故障率值和故障維修效率值越低，直接提高了逆變器的運(yùn)行效率和運(yùn)行時(shí)間，從而提高了光伏發(fā)電站的發(fā)電效率。光伏電站逆變器綜合評(píng)估流程圖如圖1所示。

圖1　光伏電站逆變器綜合評(píng)估流程圖

2　光伏逆變器評(píng)估算法

2.1逆變器故障率

每個(gè)電站都可以用相同方法對(duì)逆變器進(jìn)行綜合評(píng)估，這里以2014年柴達(dá)木能源烏蘭銅普一期光伏電站為例。從采集到的數(shù)據(jù)中了解到，此電站逆變器有4種品牌，分別是品牌1、品牌2、品牌3、品牌4。

通過計(jì)算得出4種逆變器故障頻數(shù)分別為S1=18，S2=30，S3=29，S4=7，則4種逆變器的故障率依次為：21.43％、35.71％、34.52％、8.33％。如圖2所示，品牌4逆變器出故障的頻率最低。

2.2逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力

由于逆變器的容量略有差異，故在比較前對(duì)所有逆變器的容量進(jìn)行統(tǒng)一化，轉(zhuǎn)換公式為“逆變器發(fā)電量×500 kW/投入容量”，此處所用的逆變器發(fā)電量是將所有逆變器的投入容量轉(zhuǎn)換為500 kW時(shí)的發(fā)電量(由于目前部分電站存在限電情況，故此處所用數(shù)據(jù)為正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，限電情況不予考慮)。這里以2014年1月的情況為例，依次類推可計(jì)算得到其他月份的數(shù)據(jù)，即品牌1的逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力φ1=36400.98/ 135199.9×100％=26.9％；同理，φ2=22.5％，φ3= 27.0％，φ4=23.6％。再通過計(jì)算平均值可得到4種品牌逆變器的發(fā)電轉(zhuǎn)換能力，依次為27.6％、22.6％、26.2％、23.5％。圖3中對(duì)不同逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力分析后發(fā)現(xiàn)，品牌1逆變器的發(fā)電轉(zhuǎn)換能力值相對(duì)較高，因此，品牌1逆變器的發(fā)電轉(zhuǎn)換能力總體上比其他品牌的逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力要高。

圖3　2014年不同逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力折線圖

2.3故障維修率

故障維修率的高低是評(píng)估逆變器的主要指標(biāo)之一。本文主要利用對(duì)稱觀測(cè)變換法，以逆變器故障到恢復(fù)發(fā)電的時(shí)間來計(jì)算故障維修率，衡量逆變器廠家的售后服務(wù)質(zhì)量。故障維修率越低，說明廠家對(duì)已故障的逆變器進(jìn)行了及時(shí)維修，減少了逆變器停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)，增加了逆變器的工作時(shí)間。

通過計(jì)算得出，4種逆變器從發(fā)生故障到恢復(fù)故障的時(shí)間分別為T1=13.87 h，T2=45.67 h，T3=41.53 h，T4=29.8 h。4種逆變器的故障維修率分別為10.61％、34.80％、31.79％、22.81％。如圖4所示，品牌1逆變器的維修率最小。

圖4　不同逆變器故障維修率折線圖

2.4逆變器效率

除以上3個(gè)指標(biāo)外，逆變器效率是很重要的一個(gè)指標(biāo)，它是指任意時(shí)刻逆變器輸出功率與輸入功率的比值，可根據(jù)式(2)計(jì)算得出各逆變器的效率。由圖5可知，品牌1逆變器的逆變器效率最高，為75.24％；品牌3逆變器次之，為75.07％；品牌2逆變器最低，為74.29％。

圖5　不同逆變器效率曲線圖

2.5因子分析權(quán)數(shù)法應(yīng)用

每個(gè)指標(biāo)對(duì)光伏逆變器的影響程度不一樣，因此，需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)設(shè)置一個(gè)權(quán)重。確定指標(biāo)權(quán)重的方法很多，如因子分析權(quán)數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法、秩和比(RSR)法、德爾菲(Delphi)法、算術(shù)均數(shù)組合賦權(quán)法、優(yōu)序圖法等。因子分析權(quán)數(shù)法是通過對(duì)實(shí)際發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和分析的客觀權(quán)重系數(shù)法。本文運(yùn)用因子分析權(quán)數(shù)法來計(jì)算以上4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2.5.1因子分析權(quán)數(shù)法計(jì)算步驟

因子分析權(quán)數(shù)法是根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中因子分析方法，首先計(jì)算出每個(gè)共性因子的累積貢獻(xiàn)率，然后用累積貢獻(xiàn)率來確定權(quán)重；累積貢獻(xiàn)率越大，說明該指標(biāo)對(duì)共性因子的作用越大，因此，該指標(biāo)的權(quán)重也越大[10]。主要步驟是：

1)首先將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，這是因?yàn)椴煌兞块g的量綱不一致，因此，必須要無量綱化。

2)使用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)做因子分析并得出方差貢獻(xiàn)率。表達(dá)式為：

式中，λi為特征值；Ei表示第i個(gè)指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率；i=1，…，n，表示有n個(gè)指標(biāo)。

3)寫出主因子得分和每個(gè)主因子的方差貢獻(xiàn)率。主因子得分為：

式中，K1，K2，…，Kn為各個(gè)指標(biāo)；β1j，β2j，…，βnj為各指標(biāo)在主因子Fj中的系數(shù)得分，用Ei表示Fj的方差貢獻(xiàn)率。

4)求出指標(biāo)權(quán)數(shù)。公式為：

式中，有n個(gè)指標(biāo)，m個(gè)主因子；βij表示第i個(gè)指標(biāo)在主因子Fj中的系數(shù)得分。

通過歸一化求出各指標(biāo)的權(quán)重。即：

2.5.2計(jì)算實(shí)例

下文通過因子分析權(quán)數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。令K1為逆變器故障率，K2為逆變器效率，K3為逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力，K4為故障維修率。

1)將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)

2)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析。計(jì)算結(jié)果如表2所示，可以看出，第1個(gè)特征值所占比例為63.66％，第2個(gè)特征值所占比例為33.26％，這2個(gè)特征值的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到96.92％，＞75％。因此，選擇前2個(gè)公共因子已可較好地反應(yīng)數(shù)據(jù)的信息。

表2　相關(guān)矩陣的特征值情況

3)由表3可知主因子得分和每個(gè)主因子的方程貢獻(xiàn)率，分別為：

用Ei表示Fj的方差貢獻(xiàn)率，Ei由累積貢獻(xiàn)率得到。則：

E1=0.6366；E2=0.9692-0.6366=0.3326

表3　前2個(gè)主因子的權(quán)系數(shù)

4)通過式(5)求出指標(biāo)權(quán)數(shù)，并通過歸一化求得指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4　各指標(biāo)的權(quán)數(shù)和權(quán)重

由表4可知，逆變器效率的權(quán)重最大，為0.3654；逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力的權(quán)重次之，為0.3641；逆變器故障率的權(quán)重最小，為0.0673。與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)比可知，此結(jié)果符合實(shí)際情況。

3　4種品牌逆變器綜合評(píng)估計(jì)算法

令Y為某品牌逆變器綜合評(píng)估值，由于逆變器故障率和故障維修率是評(píng)估逆變器的負(fù)面因素，因此，逆變器故障率值(K1)和故障維修率值(K4)越低(即-K1和-K4越高)，并且逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力值(K3)和逆變器效率值(K2)越大，逆變器越好。本文是從各方面對(duì)逆變器進(jìn)行綜合評(píng)估，為了更加直觀地了解此綜合評(píng)估結(jié)果，可將表達(dá)式定義為：

通過計(jì)算得出，品牌1逆變器的綜合評(píng)估值Y1=0.0673×(-0.2143)+0.3654×0.7524+0.3641× 0.276+0.2031×(-0.1061)=0.339；同理可得，Y2= 0.259，Y3=0.282，Y4=0.296。

即可得出Y1＞Y4＞Y3＞Y2，因此，品牌1逆變器的綜合性能更高。經(jīng)過柴達(dá)木能源烏蘭銅普一期光伏電站的運(yùn)維人員和本論文研究人員的實(shí)地調(diào)研結(jié)果可知，此結(jié)論正確。

綜上所述，品牌1逆變器是此電站的最優(yōu)逆變器。從各指標(biāo)結(jié)果可知，各品牌逆變器的效率值在75％左右波動(dòng)；從逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力值可知，在同條件下，品牌1逆變器的發(fā)電轉(zhuǎn)換能力值最大，品牌3逆變器的發(fā)電轉(zhuǎn)換能力值次之；品牌2逆變器和品牌3逆變器的維修率值和故障率值較高，導(dǎo)致綜合評(píng)估值較低。因此，應(yīng)提醒廠家提高逆變器質(zhì)量和故障維修率，增加逆變器的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，提高逆變器的運(yùn)行效率。

4　結(jié)論

本文通過對(duì)柴達(dá)木能源烏蘭銅普一期光伏電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析，得出：

1)影響光伏電站逆變器綜合評(píng)估方法的因素有逆變器故障率、逆變器發(fā)電轉(zhuǎn)換能力、故障維修率和逆變器效率。本文是在不限電的前提下，擬合得出的方法和結(jié)論，若給出限電的數(shù)據(jù)，則可完善此方法，使其得到大力推廣。

2)運(yùn)用公式和曲線圖直觀的展示出電站逆變器的運(yùn)行狀況，對(duì)提高光伏電站逆變器綜合評(píng)估方法起到了關(guān)鍵性的作用。在相同地區(qū)，若能找到兩個(gè)設(shè)施及運(yùn)營(yíng)方式都相同的電站，則可以對(duì)不同電站的相同逆變器進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋蓪?duì)模型進(jìn)一步驗(yàn)證。

3)用因子分析權(quán)數(shù)法分別對(duì)4個(gè)指標(biāo)設(shè)置權(quán)重，得出各指標(biāo)對(duì)逆變器的貢獻(xiàn)度；并計(jì)算得出光伏逆變器綜合評(píng)估值，挑選出綜合評(píng)估值較高的逆變器用于光伏電站；對(duì)提高光伏逆變器的發(fā)電量提供了指導(dǎo)性建議。

4)由于數(shù)據(jù)采集的限制，本文只能分析一段時(shí)間(即2014年)，若采集的數(shù)據(jù)量足夠大，則可以預(yù)算不同品牌逆變器的衰降速度，通過計(jì)算、對(duì)比，延長(zhǎng)逆變器壽命，提高電站的發(fā)電效率。

致謝：在此感謝青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（項(xiàng)目編號(hào)：2014-Z-Y34A）為該研究提供數(shù)據(jù)及幫助。

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2016-03-10

李春來(1980—)，男，碩士、高級(jí)工程師，主要從事光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)方面的研究。lichunlai0216@163.com