基于变流器实时失效率模型的孤岛型微电网可靠性评估

摘要

近年来，环境污染、能源匮乏、气温变暖等问题日益凸显，而电力需求日益增长，在此前提下，可再生能源因为其环保节能的优点得到了广泛应用。微电网为可再生能源分布式接入电网提供了场所，它解决了电力的远距离传输问题，有效地保证了当地居民的用电可靠性。但由于可再生发电系统输出功率的间歇性，给电网的供电可靠性带来不利影响，特别是微电网孤岛运行时，失去了与主网的能量交换，其可靠性更是受到了严峻挑战；并且，微电网采用了大量变流器来实现电力转换，变流器中的电力电子器件往往由于热疲劳积累而产生故障失效，也给微电网的可靠性带来新的问题。因此，全面考虑影响微电网可靠性的因素，包括电力电子变流器故障给可靠性带来的负面影响，完善孤岛型微电网可靠性评估模型，对微电网的可靠供电和优化运行有着重要意义，同时也对微电网系统的规划和设计提供了参考。本文针对孤岛型微电网的可靠性评估问题，所进行的研究工作包括以下几个方面：　　首先，在元件层面，建立了微电网中电力电子变流器的实时失效率模型。通过文献分析得出运行条件影响变流器故障的具体过程，即通过影响微电源输出功率以及电力电子器件的运行温度两方面来影响变流器的失效概率，然后基于微电源的功率模型和储能装置充/放电模型得到微电源的出力，再根据器件的功率损耗模型和热模型计算得到变流器的温升，以得到计及运行条件影响的变流器实时失效率模型。算例结果表明：运行条件、微电源参数以及变流器参数对变流器可靠性的影响不容忽视，相比于传统模型（非实时故障率），建立的变流器实时失效率模型能更好地反映运行条件、工作状态和器件参数对变流器可靠性的影响。　　其次，在系统层面，考虑变流器故障对微电网发电系统可靠性的影响，提出了基于变流器实时失效率模型的微电网发电系统可靠性评估的改进算法。在给定的模拟年限内，结合变流器的实时失效率模型，通过时序蒙特卡洛模拟法抽样所有元件的停机-运行序列，进而计算系统的状态持续时间，并计及变流器故障带来的微电源出力调整，在模拟时间内对系统进行功率平衡分析，统计得到系统的可靠性指标。算例分析考虑了运行条件分别对变流器故障与微电源出力的影响，并分析了不同运行条件及微电源容量配置对可靠性的影响程度。结果表明：计入时变的运行条件对变流器失效率的影响后，微电网发电系统的可靠性水平显著下降。通过对比传统的可靠性评估方法，改进后的算法计及了变流器失效和时变的运行条件对系统可靠性的影响，使得评估结果更加准确真实。　　进一步地，孤岛型微电网的可靠性的内涵不仅包括微电网发电系统的充裕度水平，还包括负荷点的运行可靠性水平。因此，本文建立了孤岛型微电网的运行可靠性评估的改进算法。首先根据负荷点的重要性确定了负荷削减方法，然后依次枚举元件故障，通过功率重新分配得出负荷点的修复时间矩阵，结合变流器的实时失效率模型，计算出负荷点的运行可靠性指标。算例中分析了变流器故障、微电网运行条件、微电源数量和种类对系统运行可靠性水平的影响。结果表明：系统平均停电频率（system average interruption frequency index, SAIFI）和系统平均停电持续时间（system average interruption duration index, SAIDI）指标的值与变流器失效率呈正相关，与系统发电容量呈反相关。未提供电量（energy not supply, ENS）指标的值与系统发电容量呈反相关。时变的运行条件对可靠性的影响主要体现在对变流器失效率和微电源发电功率的影响上。最后根据上述分析，提出了提高孤岛型微电网运行可靠性的建议。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2.1变流器可靠性研究现状

1.2.2微电网发电系统可靠性评估研究现状

1.2.3孤岛型微电网可靠性评估研究现状

1.3论文主要研究内容

2 计及运行条件影响的变流器实时失效率模型

2.1引言

2.2 元件可靠性指标

2.3 微电网分布式电源出力模型

2.3.1风力发电机

2.3.2光伏发电机

2.3.3柴油发电机/火力发电机

2.3.4储能装置

2.4 器件损耗及变流器总损耗计算

2.5 基于损耗的温度参数计算

2.6 基于运行温度的变流器实时失效率模型

2.7 算例分析

2.7.1 运行条件对变流器失效率的影响分析

2.7.2 微电源参数对变流器失效率的影响分析

2.7.3变流器系统参数对变流器失效率的影响分析

2.8 本章小结

3 基于变流器实时失效率模型的微电网发电系统可靠性评估

3.1引言

3.2.1 发电系统可靠性评估指标

3.2.2 可靠性评估方法

3.3微电网运行策略

3.4微电网发电系统可靠性评估流程

3.5.1算例概况

3.5.2可靠性评估结果

3.5.3变流器故障对微电网发电系统可靠性的影响分析

3.5.4运行条件对微电网发电系统可靠性的影响分析

3.5.5微电源容量配置微电网发电系统对可靠性的影响分析

3.6本章小结

4 孤岛型微电网运行可靠性评估

4.1引言

4.2可靠性评估指标

4.2.1 负荷点可靠性指标

4.2.2 配电系统可靠性指标

4.3负荷削减方法

4.4孤岛型微电网运行可靠性评估流程

4.5.1算例概况

4.5.2变流器故障对微电网运行可靠性的影响分析

4.5.3负荷削减方法的验证

4.5.4微电源数量对孤岛型微电网运行可靠性的影响分析

4.5.5微电源种类对孤岛型微电网运行可靠性的影响分析

4.6提高孤岛型微电网运行可靠性的建议

4.7本章小结

5 总结与展望

5.1论文主要结论

5.2后续研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及得奖情况

C. 学位论文数据集:

致谢

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