胡文杰，孫耀杰，林燕丹，張軍軍

（1.復旦大學 光源與照明工程系，上海 200433；2.中國電力科學研究院，南京 210003）

隨著節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等要求對傳統(tǒng)能源的限制，可再生能源如風能、太陽能、潮汐能等，已經(jīng)變得越來越重要.光伏發(fā)電是繼風力發(fā)電之后，發(fā)展最迅速且成功應用的一種可再生能源.2014年，中國國家能源局擬定新增并網(wǎng)光伏發(fā)電項目14GW 的目標；2015年，全國擬定新增光伏并網(wǎng)發(fā)電項目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，提高光伏電站運行期間的穩(wěn)定性，控制運維成本，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價模型，對光伏產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定快速發(fā)展，顯得非常重要.

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性分析，是目前光伏能源技術大規(guī)模發(fā)展急需解決的技術難題.國內(nèi)的相關研究還較少，而國外的太陽能研究機構近幾年正加大相關的研究投入.目前對光伏發(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］，其計算較復雜，更加適合高度復雜的系統(tǒng)，如用蒙特卡洛法對光伏－風力混合發(fā)電系統(tǒng)進行可靠性評估［7－8］.馬爾科夫過程分析法，將光伏系統(tǒng)的隨機行為看作馬爾科夫過程，并用空間狀態(tài)圖來描述［9－10］.由于馬爾科夫回報模型受維數(shù)計算的限制，只限于低維數(shù)的空間狀態(tài)運算.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上，需要詳細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)化為結構化的邏輯圖.它主要考慮了基本事件、環(huán)境條件和人為條件導致的系統(tǒng)故障.故障樹分析法對光伏系統(tǒng)可靠性研究而言是一種有效的工具.當然，需要大量的實驗和觀測數(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個步驟［13］：（1）系統(tǒng)的定義；（2）故障樹結構的搭建；（3）定性分析；（4）定量分析.文獻［14－15］基于故障樹方法對光伏電站可靠性進行了分析.

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價方法.首先分析了集中式光伏電站的電氣結構特點；然后結合故障樹理論，給出了集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型；接著，引用文獻中的光伏電站參數(shù)，對該模型和指標體系進行了評估和驗證，給出了各器件對光伏電站可靠性影響的優(yōu)先級順序，其中逆變器對電站的影響最為重要，光伏組件串保護器、光伏組件、交流電路斷路器3個器件是次級重要，其他器件的影響相對較小.

1 集中式光伏電站的電氣結構模型

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、串接保護裝置、直流開關、蓄電系統(tǒng)與控制器、逆變器、交流斷路器、電網(wǎng)保護裝置、交流開關、差動電路斷路器.

圖1 集中式光伏電站電氣結構示意圖Fig.1 Electrical structure diagram of centralized PV station

光伏組件串和逆變器連接有保護裝置，防止逆電流進入光伏組件造成局部陰影效應，一般會采用阻隔二極管、保險絲或斷路器.光伏組件串的保護裝置之后連接直流開關，可以使維護人員在太陽照射下斷開光伏陣列，達到安全維護的目的.直流開關之后，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.逆變器模塊實現(xiàn)了直流到交流的轉(zhuǎn)換.過載保護裝置保護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免受影響.逆變器的右側是交流側，一系列的電路斷路器保護交流線路主要由交流斷路器、電網(wǎng)保護裝置、交流開關和差動電路斷路器組成.

本文分析了5個發(fā)電功率分別是100，200，500，1 000，2 000kW 的集中式光伏電站［16］，它們的電氣結構都滿足圖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［14］，表1列出了每個電站中使用的各個器件的數(shù)量［15］.每個逆變器安裝3個直流開關，連接光伏組件串到逆變器.研究分析了這5個光伏系統(tǒng)在20年內(nèi)的可靠性，平均每天運行8.5h，記失敗率單位：失敗次數(shù)／h.

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

2 評估模型

2.1 故障樹模型

采用故障樹理論對一個復雜系統(tǒng)進行行為分析，是非常有效的：從分析單一組件之間的關系開始，逐次構建成整體系統(tǒng)之間的關聯(lián).集中式光伏系統(tǒng)中的主要設備是通過串聯(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行分析，將光伏電站的電氣結構圖，轉(zhuǎn)換為圖2的故障樹分析圖.

如圖2所示，圓形圖標：表示底事件，是引發(fā)電站故障的基本項，發(fā)生不需要前端輸入；或門（帽子形圖標）：表示當或門下面至少有一個事件發(fā)生時，或門上方的事件才會發(fā)生；長方形圖標：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 表示保護二極管（光伏組件串保護器），CON 表示連接器，DCS表示直流開關，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)保護器，ACS表示交流開關，DCB 表示差動電路斷路器.

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)計與計算

對于故障概率按照指數(shù)分布的器件［17］，它的平均故障時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，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).實際上，每個光伏器件實際的概率分布密度函數(shù)，都需要進行長時間且相對昂貴的加速壽命測試才能得到，得到的數(shù)據(jù)可能會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)，旨在建立一個比較完整的評價體系和方法論.在得到各個組件的真實失效概率分布函數(shù)后，只需要代入到該數(shù)學模型中，即可得到更加精確的評估結果.

根據(jù)文獻［5，16，18，19］，可以得到各個器件的失效概率，統(tǒng)計表格如表2所示.逆變器的失效概率計算：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密切相關［20］；內(nèi)部因素上，與其所采用的IGBT、蓄電電容、驅(qū)動模塊等有著顯著關聯(lián)［21］.在逆變器可靠性研究的文獻中，關于其失效概率參數(shù)和模型有著較多的討論，本文不過多展開.根據(jù)文獻［5］中的逆變器使用情況進行估算：平均9年的運行時間中逆變器發(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

在定量評估時，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：

因為各個事件是相互獨立事件，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)驗證和討論

3.1 數(shù)據(jù)驗證

將表2的失效率，代入到集中式光伏電站各個器件的方程，可得到5個光伏電站的器件在20年后的可靠性評價表（表3）和可靠性趨勢圖（圖3），以及2MW 電站在20年內(nèi)的可靠性評價表（表4）和可靠性趨勢圖（圖4）.而光伏電站的可靠性評價如表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，導致光伏電站無法滿功率輸出，但不必然導致停止功率輸出.

表3 光伏電站運行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，每一個組成部分對系統(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，計算100kW 光伏電站的直流開關運行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 法計算出光伏系統(tǒng)運行20年，各個器件對光伏系統(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 光伏電站運行20年各器件FV結果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）運行時間

從圖4可以看出：隨著運行時間的增長，光伏電站各個器件的可靠性指標會迅速下降.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%.這意味著如果不進行定期維修，那么大功率的光伏電站經(jīng)過長時間運行后，將無法正常工作.

（3）器件類別

從圖5可以看出：逆變器對光伏系統(tǒng)的影響最為重要，其次是光伏組件串保護器、光伏組件、交流電路斷路器這3 種器件，其他的器件對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)這些器件對光伏電站可靠性的影響程度，分成3個大類，如表7所示.在實際的電站維護中，可以根據(jù)所分的等級制定不同程度和頻率的故障檢測和維修策略.這樣既保證了重要器件的檢測效率和運行可靠性，又降低了電站運維的規(guī)模和開銷.

針對光伏能源迅速發(fā)展的現(xiàn)狀，光伏電站的可靠性評估和壽命預測是急需解決的技術難題.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價方法.文章通過分析集中式光伏電站的電氣結構模型，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事件組合起來，提出了整個系統(tǒng)的可靠性函數(shù)模型.

本文提出了光伏電站中各個器件對系統(tǒng)可靠性影響的優(yōu)先級分類.其中逆變器對電站的影響最重要，光伏組件串保護器、光伏組件、交流電路斷路器3個器件是次級重要，其他器件的影響相對較小.以后的研究工作中，可以根據(jù)實際光伏電站的類型，對重點器件進行深入的可靠性研究.根據(jù)文章的評價方法，制定靈活高效的光伏檢測系統(tǒng)，進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Tab.7 Ranking of components for PV station reliability

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