并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價

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

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價

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

太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應用，對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價提出了更高更全面的要求。在對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進行可靠性評價的過程中，光資源的波動性和間歇性是影響評估準確性的重要因素。本文主要介紹了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，以此為基礎建立了綜合考慮能源約束和系統(tǒng)結構特點的六狀態(tài)可靠性模型，并且從多方面建立了綜合評價系統(tǒng)可靠性的指標體系。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)的可靠性評價有著十分重要的實際意義。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；可靠性模型；可靠性指標

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注。當前，太陽能發(fā)電成為新能源開發(fā)的主要方向之一。隨著光伏裝機容量的大幅增加，其對電力系統(tǒng)的影響也日益深遠。筆者基于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般特點，建立了綜合考慮能源約束和系統(tǒng)結構特點的六狀態(tài)可靠性模型，研究并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價方法。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點

太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導體材料的電子學特性，將光能轉化成電能。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)的可靠性和整體結構有較大的影響；基于這兩種方面的影響，筆者對部件可靠性水平和系統(tǒng)結構特點進行分析。

1.1系統(tǒng)出力特點

系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)會受到當下氣候和季節(jié)的影響，當氣候環(huán)境溫暖的時候，發(fā)電系統(tǒng)的出力狀態(tài)非常好，尤其在中午時分，太陽的輻射力度最強，系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)也是最好的；但太陽輻射的強度是時刻變化著的，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達到峰值的原因；天氣情況良好時，中午的峰值最大可達到裝機容量的60％～90％.其次會受到天氣情況的影響，陰天、晴天、刮風、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，太陽的輻射強度明顯變弱，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)結構特點分析

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構一般包括光伏組件、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)基本架構只考慮這兩種部件，基本架構如圖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)格進行連接，根據(jù)實際需求和當?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)的結構后，可以看出如果光伏陣列中的組件出現(xiàn)故障，那么相應的組串就會發(fā)生故障，進而引起逆變器的故障，最終導致這一組逆變器停運；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：全額運行、故障減額運行以及故障停運狀態(tài)。

當系統(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時間故障概率，可以依據(jù)以下公式計算：

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，筆者對兩者進行各自詳細的分析；先分析光伏組串故障，根據(jù)退出運行的光伏組串數(shù)量分為1階，2階...mk-1階部分故障的狀態(tài)，因為光伏組件之間為互相獨立的關系，所以當i階部分處于故障狀態(tài)時，其故障的概率計算公式為：串相同的光伏組件并聯(lián)，故障修復時間為：；根據(jù)以上兩個公式可以推理得出：

當系統(tǒng)處于部分逆變器故障時，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時間，以及故障率的計算公式：；最終可得出：

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

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)進行詳細的分析與定義解析：

全額運行狀態(tài)，比如在晴朗天氣的中午時分，太陽的敷設力度最強大，系統(tǒng)的發(fā)電出力狀態(tài)達到最佳，最高可以達到裝機容量的60％～90％；只有在系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)達到60％，甚至更高的時候，才會被稱作全額運行狀態(tài)。

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

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

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

故障停運狀態(tài)，由于各種原因，可能是系統(tǒng)設備的性能故障、為檢修設備而設定了固定的時間等，導致的設備無法繼續(xù)運轉而出現(xiàn)的停運狀態(tài)。

夜間停運狀態(tài)，由于系統(tǒng)運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)無法運行而停運。

3 可靠性指標

筆者在研究可靠性指標過程中發(fā)現(xiàn)，先前有相關文獻提出過光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標，主要是根據(jù)時間、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，但未對其進行與可靠性模型之間的關系對應。筆者在此基礎上，并結合自身經(jīng)驗，認為可靠性的指標應該有時間、出力和系統(tǒng)總體，以此為指標來反應發(fā)電系統(tǒng)中各狀態(tài)的特性，才能全面且準確的反映出系統(tǒng)的特性。

3.1時間指標

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)時間指標體系的劃分方法，主要是根據(jù)全額運行時間、減額運行時間等相關特性狀態(tài)作為指標，在此基礎上進行思路的劃分。對于出現(xiàn)的各種時間名詞定義，比如全額運行時間，是表示在系統(tǒng)全額運行狀態(tài)下的累計時間，資源限制減額運行時間是指系統(tǒng)減額運行狀態(tài)的累計時間；同樣的邏輯關系可以解析故障減額運行時間資源限制下故障減額運行時間故障停運時間、夜晚停運時間.

3.2出力狀態(tài)指標

在處理狀態(tài)指標下，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)出的運行狀態(tài)而產(chǎn)生的等效出力，比如在全額運行狀態(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)指標下，還有等效出力S，等效出力系數(shù)實際發(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算得出。

4 結論

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)在運行的過程中會受到光資源自身特性的影響，并且根據(jù)當?shù)氐臍夂?、環(huán)境溫度，以及系統(tǒng)自身的結構等條件的不同，所產(chǎn)生的發(fā)電效果也不同。筆者結合自身經(jīng)驗以及相關的文獻，建立并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型，并對系統(tǒng)進行指標機制的設定；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，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。

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1674-6708（2016）170-0192-03

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