光伏逆變器溫度異常預(yù)警分析及其應(yīng)用

吳文寶，熊 敏，張潔瓊

（1.中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，江西 南昌 330021；2.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在能源形勢(shì)日益嚴(yán)峻的今天[1]，提倡綠色能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低對(duì)煤炭等環(huán)境污染型資源的嚴(yán)重依賴(lài)得到社會(huì)的普遍認(rèn)同。太陽(yáng)能具有分布廣泛、清潔環(huán)保、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)發(fā)電的有益補(bǔ)充。鑒于其對(duì)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，各發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不全力推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電工作[2-3]。隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，整體裝機(jī)容量逐年增加，如何通過(guò)有效的手段減少故障損失成為日益關(guān)注的問(wèn)題。光伏電站中，光伏逆變器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到電站收益，所以，需要對(duì)光伏逆變器設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)（如電抗器溫度、電抗器溫度）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便能發(fā)現(xiàn)逆變器潛在的問(wèn)題。目前，大多數(shù)逆變器設(shè)備是通過(guò)對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置報(bào)警限值，一旦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的某項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)超過(guò)對(duì)應(yīng)的報(bào)警限值，就會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒工作人員進(jìn)行檢修。但是對(duì)于各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置合適的報(bào)警限值存在較大難度，報(bào)警限值設(shè)置的太大導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確的報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)越限報(bào)警時(shí)，逆變器設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)比正常值已經(jīng)偏離很高，容易造成較大的安全隱患；報(bào)警限值設(shè)置的太小，又會(huì)導(dǎo)致頻繁報(bào)警，出現(xiàn)誤報(bào)警的頻率太高；而且，逆變器設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，其發(fā)電功率負(fù)載率和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)于各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)會(huì)有所影響，對(duì)于負(fù)載率較高且實(shí)行時(shí)間較長(zhǎng)的逆變器設(shè)備，其各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均會(huì)偏高，因此，上述簡(jiǎn)單的設(shè)定報(bào)警限制的方法，就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法將負(fù)載率及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的影響因素考慮在內(nèi)，致使報(bào)警錯(cuò)誤率高，無(wú)法真正有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行報(bào)警，無(wú)法保證逆變器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 溫度正態(tài)分布值定義及分析

光伏電站逆變器溫度正態(tài)分布值是指光伏電站同型號(hào)設(shè)備相同溫度參數(shù)（電抗器溫度、IGBT溫度、機(jī)箱溫度及變壓器溫度等）在相同運(yùn)行條件下的正態(tài)分布值，它反映了每臺(tái)逆變器溫度參數(shù)偏離整體運(yùn)行的情況，正態(tài)分布數(shù)值越大，說(shuō)明逆變器越不穩(wěn)定，存在潛在預(yù)警的可能性越大。某時(shí)刻（時(shí)刻）同型號(hào)單臺(tái)逆變器溫度正態(tài)分布值的計(jì)算見(jiàn)式（1）：

式中，i=0，1，2，…n為各采樣時(shí)刻為第i采樣時(shí)刻同型號(hào)逆變器的溫度運(yùn)行參數(shù)的平均值；Xki為第k臺(tái)逆變器第采樣時(shí)刻的溫度運(yùn)行參數(shù)；σi為第i采樣時(shí)刻同型號(hào)逆變器的溫度運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為：

式中：k=1，2，…m為同型號(hào)的各臺(tái)逆變器，k為指定型號(hào)逆變器臺(tái)數(shù)。

文中以日為單位對(duì)每臺(tái)逆變器的溫度參數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算同型號(hào)某臺(tái)逆變器的日正態(tài)分布值采用加權(quán)平均，計(jì)算公式為：|Sk|大于1時(shí)，判斷具有異常的傾向，觸發(fā)預(yù)警提示。

式中：Sk為第k臺(tái)逆變器指定日期的溫度參數(shù)正態(tài)分布值；其他參數(shù)如上公式（1）、（2）的說(shuō)明。

一般地，在實(shí)際應(yīng)用上，?？紤]一組數(shù)據(jù)具有近似于正態(tài)分布的概率分布。若其假設(shè)正確，則約68.3%數(shù)值分布在距離平均值有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)的范圍，約95.4%數(shù)值分布在距離平均值有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)的范圍，以及約99.7%數(shù)值分布在距離平均值有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)的范圍。稱(chēng)為“68-95-99.7法則”或“經(jīng)驗(yàn)法則”。文中采用正態(tài)分布的分析方法評(píng)估逆變器溫度的正態(tài)分布情況，當(dāng)

2 溫度正態(tài)分布值的應(yīng)用

2.1 溫度正態(tài)分布值的計(jì)算

文中逆變器異常溫度分析方法具體實(shí)施包括以下步驟：

第一步：獲取采樣數(shù)據(jù)

1）獲取光伏電站內(nèi)逆變器在各采樣點(diǎn)的日發(fā)電量數(shù)據(jù)Q和裝機(jī)容量數(shù)據(jù)C；

2）獲取光伏電站內(nèi)逆變器在各采樣點(diǎn)的電抗器溫度數(shù)值；文中的運(yùn)行參數(shù)以逆變器設(shè)備上采集的電抗器溫度為例進(jìn)行分析。

第二步：構(gòu)造相同的運(yùn)行條件

1）獲取綜合影響系數(shù)

一般地，光伏電站逆變器設(shè)備中的電抗器溫度受環(huán)境溫度、負(fù)載率、運(yùn)行時(shí)間和散熱情況等因素影響，文中分析中將異常散熱的逆變器排除，故在相同采樣時(shí)刻影響各逆變器電抗器溫度的主要因素為負(fù)載率和運(yùn)行時(shí)間，而負(fù)載率和運(yùn)行時(shí)間的綜合影響系數(shù)等價(jià)為逆變器各采樣點(diǎn)發(fā)電量除以裝機(jī)容量，計(jì)算公式為：

式中：ηki為第k臺(tái)逆變器第i采樣時(shí)刻的綜合影響系數(shù)；Qki為第k臺(tái)逆變器第i采樣時(shí)刻的日發(fā)電量數(shù)據(jù)；Ck為第k臺(tái)逆變器的裝機(jī)容量。

2）將第一步獲取的各采樣時(shí)刻電抗器溫度t乘以綜合影響系數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：tki為第k臺(tái)逆變器第i采樣時(shí)刻的電抗器溫度數(shù)據(jù)；Tki為等效相同運(yùn)行條件下第k臺(tái)逆變器i采樣時(shí)刻的電抗器溫度數(shù)據(jù)；

第三步：計(jì)算各采樣時(shí)刻的溫度正態(tài)分布值

按逆變器型號(hào)分類(lèi)，計(jì)算每類(lèi)逆變器下各采樣時(shí)刻的電抗器溫度平均值，計(jì)算公式為：

按照公式（2）計(jì)算每類(lèi)逆變器各采樣時(shí)刻的電抗器溫度標(biāo)準(zhǔn)差，按照公式（1）計(jì)算各逆變器各采樣時(shí)刻電抗器溫度正態(tài)分布值，如圖1所示。

圖1 某20 MW電站逆變器在某采樣時(shí)刻的電抗器溫度數(shù)據(jù)的正態(tài)分布圖

圖1中溫度均值為51.69℃，標(biāo)準(zhǔn)差為25.27，分析該采樣時(shí)刻各電抗器溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電抗器溫度值偏離采樣時(shí)刻平均溫度值1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)時(shí)，即電抗器采樣溫度在26℃到78℃范圍內(nèi)時(shí)，幾乎不存在異常情況；當(dāng)電抗器溫度偏離采樣時(shí)刻平均溫度值大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，即電抗器采樣溫度小于26℃或大于78℃具有異常的風(fēng)險(xiǎn)；

第四步：利用加權(quán)平均計(jì)算日溫度正態(tài)分布值

通過(guò)正態(tài)分布分析同一時(shí)刻各逆變器電抗器溫度的異常狀態(tài)，亦可以按照公式（3），根據(jù)第三步計(jì)算的各逆變器各采樣時(shí)刻電抗器溫度正態(tài)分布值，計(jì)算每臺(tái)逆變器電抗器溫度在指定時(shí)間段內(nèi)的加權(quán)正態(tài)分布值平均。

2.2 異常設(shè)備分析及定位

文中計(jì)算了各采樣時(shí)刻各逆變器的電抗器溫度正態(tài)分布值，該值用于分析逆變器的電抗器溫度距離平均值的偏離情況，當(dāng)電抗器溫度值偏離采樣時(shí)刻平均溫度值1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)時(shí)，即計(jì)算的正態(tài)分布值r在-1到1的范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為幾乎不存在異常情況；當(dāng)電抗器溫度偏離采樣時(shí)刻平均溫度值1-2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)時(shí)，即計(jì)算的正態(tài)分布值1≤r＜2或-2＜r≤-1時(shí)，提示有存在異常的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)電抗器溫度偏離采樣時(shí)刻平均溫度值大于2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，即計(jì)算的正態(tài)分布值2≤r或r≤-2時(shí)，報(bào)設(shè)備異常。當(dāng)采用加權(quán)平均分析異常溫度數(shù)值時(shí)，需要對(duì)為零數(shù)據(jù)進(jìn)行篩除，或?qū)Φ扔诹愕慕Y(jié)果做溫度為0提示。

3 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)分析光伏電站同型號(hào)逆變器在相同運(yùn)行條件下的溫度參數(shù)，提出一種預(yù)測(cè)異常設(shè)備的方法，用逆變器設(shè)備的日發(fā)電量負(fù)載率矯正溫度參數(shù)，對(duì)校正后的溫度參數(shù)計(jì)算正態(tài)分布值，通過(guò)正態(tài)分布值的分布范圍判斷是否觸發(fā)預(yù)警提示。該方法已在多個(gè)光伏電站進(jìn)行試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了光伏系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)異常的預(yù)警，為逆變器設(shè)備的智能監(jiān)控實(shí)現(xiàn)提供了方案和方法，為故障或告警預(yù)判提供可行實(shí)用的診斷方案和方法，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏電站逆變器設(shè)備運(yùn)行異常的預(yù)判，避免了無(wú)效報(bào)警。