并网光伏发电系统的可靠性评价

梁健锋，胡振球，黄浩锋广东产品质量监督检验研究院，广东顺德 528300

并网光伏发电系统的可靠性评价

梁健锋，胡振球，黄浩锋
广东产品质量监督检验研究院，广东顺德 528300

太阳能光伏发电的大规模应用，对并网光伏发电系统的可靠性评价提出了更高更全面的要求。在对并网光伏发电系统进行可靠性评价的过程中，光资源的波动性和间歇性是影响评估准确性的重要因素。本文主要介绍了并网光伏发电系统的特点，以此为基础建立了综合考虑能源约束和系统结构特点的六状态可靠性模型，并且从多方面建立了综合评价系统可靠性的指标体系。由于光资源的间歇性和波动性，光伏发电接入后将给电力系统带来更多的不确定因素，所以对并网光伏发电系统的可靠性评价有着十分重要的实际意义。

并网光伏发电系统；可靠性模型；可靠性指标

随着生态环境的恶化，化石能源也在日益枯竭，可再生资源就受到了人们的关注。当前，太阳能发电成为新能源开发的主要方向之一。随着光伏装机容量的大幅增加，其对电力系统的影响也日益深远。笔者基于并网光伏发电系统的一般特点，建立了综合考虑能源约束和系统结构特点的六状态可靠性模型，研究并网光伏发电系统的可靠性评价方法。

1 并网光伏发电系统的特点

太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，将光能转化成电能。并网光伏发电系统将组件产生的直流电经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。由于光资源具有一定的波动性和间歇性，对发电系统的可靠性和整体结构有较大的影响；基于这两种方面的影响，笔者对部件可靠性水平和系统结构特点进行分析。

1.1系统出力特点

系统的发电状态会受到当下气候和季节的影响，当气候环境温暖的时候，发电系统的出力状态非常好，尤其在中午时分，太阳的辐射力度最强，系统的发电状态也是最好的；但太阳辐射的强度是时刻变化着的，并且是以先增后减为规律变化，这也就是在中午太阳辐射最大时达到峰值的原因；天气情况良好时，中午的峰值最大可达到装机容量的60％～90％.其次会受到天气情况的影响，阴天、晴天、刮风、下雨都会有不同的处理状态，比如在下雨、阴天等较差的天气环境下，太阳的辐射强度明显变弱，光伏发电系统的出力状态也会随之下降，这也是光伏发电系统存有不确定性的主要影响因素。

1.2系统结构特点分析

并网光伏发电系统的结构一般包括光伏组件、汇流箱、逆变器、配电柜等，其中光伏组件和逆变器是光伏系统的两大核心部件，因此本文的光伏系统基本架构只考虑这两种部件，基本架构如图1所示。整个系统中，光伏阵列的组件有很多块，并且是串联而成，然后将串联而成的组件与逆变器连接起来，以同样的规格进行连接，根据实际需求和当地条件连接出一定数量的光伏阵列和逆变器，最后并入电网。在了解系统的结构后，可以看出如果光伏阵列中的组件出现故障，那么相应的组串就会发生故障，进而引起逆变器的故障，最终导致这一组逆变器停运；但在系统中出现的故障情况是多种多样的，通常情况下光伏发电系统的故障情况分为三大类：全额运行、故障减额运行以及故障停运状态。

当系统处于完全故障状态下，k组光伏—逆变器组并联系统完全故障的故障率修复时间故障概率，可以依据以下公式计算：

系统的部分故障，主要出现在光伏阵列和逆变器的连接中，原因可能是双方面的，笔者对两者进行各自详细的分析；先分析光伏组串故障，根据退出运行的光伏组串数量分为1阶，2阶...mk-1阶部分故障的状态，因为光伏组件之间为互相独立的关系，所以当i阶部分处于故障状态时，其故障的概率计算公式为：串相同的光伏组件并联，故障修复时间为：；根据以上两个公式可以推理得出：

当系统处于部分逆变器故障时，与上述分析步骤类似，可以得出这一故障情况下的故障概率和故障修复时间，以及故障率的计算公式：；最终可得出：

由于组件与逆变器之间出现故障的情况是独立的，没有较强的牵连性；在系统部分故障的情况下，其故障率、修复时间和故障概率Up可以根据以下公式计算：

根据上文分析，可以知道由于受到光资源自身的特性影响，光伏发电系统的出力状态与一般的电源不同，并不是单一且不变的，而是受到多方面因素的影响，需要综合考虑才能完成可靠性模型的建立。

2 可靠性状态的划分

针对并网光伏发电系统可靠性状态的划分，如图2所示，具体可以分为6种状态。

对可靠性的6种好状态进行详细的分析与定义解析：

全额运行状态，比如在晴朗天气的中午时分，太阳的敷设力度最强大，系统的发电出力状态达到最佳，最高可以达到装机容量的60％～90％；只有在系统的发电状态达到60％，甚至更高的时候，才会被称作全额运行状态。

资源限制减额运行状态，与全额运行状态相似，这一运行状态则是指系统的处理水平在60％以下。

故障减额运行状态，这一运行状态是指，系统中的个别或部分设备出现故障，造成了无法工作的现象，但其他设备可以继续带动设备运转，知识运行的状态不如正常情况下良好。

资源限制下故障减额运行状态则是指系统受到自身设备和天气环境条件的同时影响，致使系统部分出力损失。

故障停运状态，由于各种原因，可能是系统设备的性能故障、为检修设备而设定了固定的时间等，导致的设备无法继续运转而出现的停运状态。

夜间停运状态，由于系统运行受到天气的直接影响，在夜晚无法受到太阳辐射，所以系统无法运行而停运。

3 可靠性指标

笔者在研究可靠性指标过程中发现，先前有相关文献提出过光伏发电系统的可靠性指标，主要是根据时间、系统的出力状态和可靠性等方面，虽然又提出可靠性指标，但未对其进行与可靠性模型之间的关系对应。笔者在此基础上，并结合自身经验，认为可靠性的指标应该有时间、出力和系统总体，以此为指标来反应发电系统中各状态的特性，才能全面且准确的反映出系统的特性。

3.1时间指标

笔者以查找到的资料为参考，其中提出了并网光伏发电系统时间指标体系的划分方法，主要是根据全额运行时间、减额运行时间等相关特性状态作为指标，在此基础上进行思路的划分。对于出现的各种时间名词定义，比如全额运行时间，是表示在系统全额运行状态下的累计时间，资源限制减额运行时间是指系统减额运行状态的累计时间；同样的逻辑关系可以解析故障减额运行时间资源限制下故障减额运行时间故障停运时间、夜晚停运时间.

3.2出力状态指标

在处理状态指标下，主要有以下9个方面，前5个基本上是根据系统所呈现出的运行状态而产生的等效出力，比如在全额运行状态下的等效出力，被称为全额等效出力在受到资源影响，而产生的限制减额运行，这一状态下的等效出力被称为资源限制减额等效出力，所以还有故障减额等效出力、资源限制下故障减额等效出力等效减额出力处理状态指标下，还有等效出力S，等效出力系数实际发电中等效出力与额定出力的比值；最大出力最大出力系数：由最大出力与额定出力的比值可以计算得出。

4 结论

并网光伏发电系统的可靠性受到多方面因素的影响，比如设备的故障情况，天气、气候等，与常规概念下的电源的可靠性不同；并网光伏发电系统在运行的过程中会受到光资源自身特性的影响，并且根据当地的气候、环境温度，以及系统自身的结构等条件的不同，所产生的发电效果也不同。笔者结合自身经验以及相关的文献，建立并网光伏发电系统的可靠性模型，并对系统进行指标机制的设定；为分析并网光伏发电系统的其他影响因素奠定了基础，可以对并网光伏发电系统做出更加深入全面的分析和研究。

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1674-6708（2016）170-0192-03

梁健锋，广东产品质量监督检验研究院。胡振球，广东产品质量监督检验研究院。黄浩锋，广东产品质量监督检验研究院。