交直流配电网关键设备可靠性评估研究*

丁纪明, 段浩伟

(1.国电南瑞科技股份有限公司, 江苏 南京 211106;2.南京邮电大学, 江苏 南京 210023)

0 引 言

近年来研究表明,基于柔性直流技术的交直流配电网在未来更适合现代城市配电网的发展。首先,交直流配电网可以更好地接纳电动汽车蓄电池和分布式电源;其次,可以有效缓解城市电网站点走廊有限和高负荷密度所带来的矛盾,同时在负荷中心提供动态无功支持,提高系统整体可靠性水平,减少系统损耗[1-3]。因此,发展交直流配电网系统可以有效提升城市配电系统的电能质量、可靠性和运行效率。但是由于当前中压直流断路器、直流变压器等关键设备的技术不成熟,并且建设标准不完善,基于柔性直流配电技术的配电网建设还处于起步阶段,所以有必要针对设备以及配电系统给出相应的经济性水平和可靠性水平进行评估分析。

目前,针对配电网的可靠性评估已有大量学者进行了深入的研究。文献[4]提出了一种负荷重要程度的综合评估方法,并在此基础上进行含DG配电网可靠性评估。文献[5]对含有光伏发电系统的配电网进行可靠性评估,有利于配电系统的安全可靠运行。文献[6]将风险评估引入主动配电网理论可靠性评估过程,实现了风险性指标到可靠性指标的转化。文献[7]基于校正模型和序贯蒙特卡洛法,利用模拟数据与历史数据,实现直流配电网的可靠性评估与校正以及可靠性预测值的空间特性分析与研究。文献[8]重点分析了电力电子设备对直流配电网可靠性的影响,并建立关键设备的可靠性模型。

由此可见,对于交直流配电网的可靠性评估已有大量学者进行了深入的研究,其中评估方法主要包括解析法与模拟法。但是柔性直流配电网以及交直流配电网的相关研究中,对于可靠性评价方法的研究仍然较少。因此,交直流配电网的可靠性评估具有重要的实际意义和价值。本文围绕交直流配电网可靠性评估展开分析,首先建立交直流配电网关键设备的可靠性评估模型并计算可靠性参数;然后分析了基于最小割集法的配电系统可靠性评估方法,并考虑不同应用场景;最后以某交直流配电网为例进行了配电网系统可靠性评估。

1 交直流配电网关键设备可靠性建模

1.1 设备可靠性建模评估方法

对交直流配电网可靠性进行评估,首先需要对其元件设备进行可靠性建模并计算可靠性参数,主要是计算设备的年故障率λ和平均故障修复时间r,其中对于已经得到标准化生产的元件和尚处于研发阶段的元件可以分别通过以下方式得到其可靠性参数。

(1) 已经标准化生产的元件。由于该类型元件已经具有成熟的应用经验,所以通过长时间的数据统计便可以得到其可靠性参数。例如交流配电系统的绝大部分设备。

(2) 尚处于设计研发阶段的元件。该类型元件可以参考与其结构功能相似的同类元件进行数据统计,或通过其组成元件和拓扑结构来合理预测得到其可靠性参数。当前柔性直流配电系统中的新型电力电子设备(例如中压直流变压器或直流断路器)现处于设计研发阶段,只能参照内部拓扑结构进行可靠性建模,预测相应的可靠性参数。

目前对于电子元件主要有两种可靠性预测方法:部件应力(Parts Press Analysis Reliability Prediction,PARP)法和部件计数(Parts Count Reliability Prediction,PCRP)法[9]。其中使用PARP法需要预先获取大量关于元件制造运行的详细信息,包括对元件的全部组成部件进行应力分析模型,适用于处于设计研发后期的元件;而使用PCRP法只需考虑元件全部组成部件的数量和质量水平,同时考虑元件当前工作环境,适用于处于设计研究早期的元件。当前柔性直流配电系统中的新型电力电子设备(例如中压直流变压器或直流断路器)现处于设计研发阶段,只能参照内部拓扑结构进行可靠性建模,故采用PCRP法进行可靠性预测。其故障率计算模型为

(1)

式中:λequip——相关设备的等值年故障率;

λg——第i类元件的通用故障率;

πQ——第i类元件的质量系数;

N——第i类元件的个数;

n——部件的种类个数。

对于直流配电系统中新型电力电子设备的平均故障修复或替换时间r,由于缺乏完善的运行数据统计,可以采用相近电压等级的交流配电系统设备元件的故障修复或替换时间进行等值替代。

1.2 关键设备可靠性建模

1.2.1 直流变压器可靠性建模

在交直流配电网的直流侧系统中,为满足直流配电到用户,需要中压等级直流变压装置来将中压直流电转换为低压直流电,以满足用户设备的要求。本文采用双主动桥构造输入、串联输出并联型直流变压器作为中压直流变压器主设备进行可靠性建模预测。

基于双主动桥的直流固态变压器由n个DAB模块构成,单个DAB模块由2个全桥结构(AC/DC)、2个电容(C)以及1个高频变压器串联构成,相应的DAB模块的可靠性评价模型如图1所示。

图1 DAB模块的可靠性评价模型

基于DAB模块的可靠性评价模型,采用部件计数法得到相应的单元可靠性预测数据如表1所示。

表1 DAB单元的可靠性预测数据

为保障设备在实际工作环境下可靠运行,大功率的直流固态变压器通常采用DAB单元的冗余设计方式。各个模块的外部运行环境一致时,采用K/N(G)模型实现冗余电力电子元件的可靠性建模计算。K/N(G)模型定义如下:假定直流变压器中DAB元件总的个数为n,其中k个或k个以上DAB元件完好(没有故障),直流变压器就能够正常工作。假定DAB元件寿命服从指数分布,单个模块故障率为常数,直流变压器的可靠性函数为

(2)

直流变压器的平均无故障工作时间为

(3)

因此,直流变压器的等值故障率为

(4)

考虑中压等级直流变压器连接±10 kV直流配电网,DAB元件高压侧工作电压为1 kV,则至少需要20个DAB单元工作,采用K/N(G)计算模型,20%元件冗余,则中压直流变压器的等值故障率为0.312 757 3次/a。当发生故障之后通过修复元件以及备用替换两种方式实现配电网正常供电,由于缺少实际工程运用,修复时间难以预测,因此参考电压等级相近的交流变压器,采取备用替换时间10 h。

1.2.2 直流断路器可靠性建模

交直流配电网的构建目标是为高可靠性需求的大负荷量的电力用户提供可靠的供电方案,但当前直流侧系统的故障隔离技术是制约直流侧配电网发展的关键技术问题,因此发展直流断路器进行故障隔离是配电网理想的故障处理方案。本文采用混合式直流断路器进行可靠性建模预测。

对混合式直流断路器进行建模分析,其可靠性评价模型硬件部分由机械开关(MS)、固态开关(SSS)、缓冲吸收回路(CC)以及限流电抗器(R)构成。由于混合式直流断路器采用电力电子元件,同时需要配合系统的故障识别过程,因此直流断路器还应配置相应的保护控制系统(CP)。设备整体的可靠性评价模型如图2所示。

图2 设备整体的可靠性评价模型

根据直流断路器整体的可靠性评价,采用PCRP对设备进行可靠性预测,相应的预测数据如表2所示。

表2 直流断路器可靠性预测数据

直流断路器的等值故障率为0.288 083 2次/a,参照相近电压水平的交流断路器,故障发生时采用备用替换的方式,因此其元件修复时间取10 h。

1.2.3 模块化多电平换流器可靠性建模

换流器是实现交、直流系统能量传输转化的重要设备。本文选择模块化多电平换流器(MMC)作为中压等级交、直流配电系统换流设备进行可靠性建模。模块化多电平换流器由ABC三相组成,每一相可以分为上下两个桥臂。每一个桥臂又由多个子模块以及桥臂电抗构成,常见的子模块类型有半桥子模块和全桥子模块。本文选择半桥子模块作为建模的基本单元。

半桥子模块硬件部分由2个IGBT模块以及1个电容组。利用PCRP计算半桥子模块的可靠性预测数据如表3所示。

表3 半桥子模块可靠性预测数据

模块化多电平换流器的单个桥臂由多个子模块构成。当桥臂在正常工作条件下没有配置相应的冗余子模块时,其中任意一个子模块发生故障,剩余的子模块无法提供换流器正常运行所需的直流电压,因此设备无法继续运行,需要对相应故障桥臂进行维修。因此,在实际工作情形下,可以采用K/N(G)模型计算冗余子模块的等值故障率。根据图3所示的模块化多电平换流器可靠性评价模型,可以计算相应的设备等值故障率。模块化多电平换流器可靠性预测数据如表4所示。

表4 模块化多电平换流器可靠性预测数据

设备的故障修复时间参照现有VSC换流站的修复时间预测为4.791 3 h。

1.2.4 柔性电力电子变压站可靠性建模

基于配电网现实需求,本文以某柔性交直流示范工程中提出的柔性电力电子变电站进行可靠性建模。柔性变电站以电力电子变压器为基础,除常规电能变压功能外,还具备交直流转换和功率调节等功能,对于分布式电源、储能装置和电动汽车蓄电池等双向负荷的接入更加灵活,还能够有效调控交直流配电网运行方式[10],提高电网状态参数,使新能源发展与配电网技术发展相结合,为当前配电网面临的主要矛盾提供了一条科学可靠的解决方案。

柔性变电站的核心设备为多功能交直流电力电子变压器。交直流电力电子变压器采用三级结构,包括输入级钳位双子模块(CDSM)、隔离级DC/DC变压器以及输出级DC/AC和DC/DC模块。因此,交直流电力电子变压器的可靠性评估模型可以划分成三部分分别进行可靠性评估,而后利用串联等值模型获得设备整体的可靠性参数。

首先是输入级中基于钳位双子模块的模块化多电平换流器的可靠性建模,由5个IGBT、5个反并联二极管、2个直流电容器以及2个独立的二极管构成。利用PCRP计算,钳位双子模块的可靠性预测数据如表5所示。

表5 钳位双子模块可靠性预测数据

参照上述模块化多电平换流器模型,预测钳位双子模块多电平换流器的可靠性参数。同时由于钳位双子模块的额定电压是半桥子模块的2倍,单桥臂的额定子模块数量为10个,单桥臂配置2个冗余模块。箝位双子模块多电平换流器整体的可靠性预测数据如表6所示。

表6 箝位双子模块多电平换流器可靠性预测数据

对于中间隔离级直流变压器,考虑采用上述的双主动桥直流固态变压器,相应等值故障率为0.312 757 3次/a。输出级整流模块参考交流配网统计参数,相应整流器故障率为0.004 5次/a。因此,柔性交直流电力电子变压器的可靠性预测参数如表7所示。

表7 柔性交直流电力电子变压器可靠性预测参数

交直流电力电子变压器设备的故障修复时间参照现有VSC换流站的修复时间预测为4.791 3 h。

除上述关键设备的可靠性参数外,交流配电网以及柔性直流配电网的其他元件设备参数参考相关文献,直流配电网元件基础可靠性参数如表8所示。

2 交直流配电网可靠性评估方法

2.1 配电网可靠性评估方法

适用于柔性直流配电系统的可靠性分析方法不仅需要考虑直流系统具备多端供电的特征,还要充分考虑单/双极运行方式切换、直流负荷的接入以及分布式电源的接入对系统可靠性指标的影响。目前对于配电网的可靠性评估方法主要包括解析法与模拟法。针对直流配电系统典型特点,本文选用解析最小割集法作为交直流配电网可靠性评价方法,其主要具备以下两点优势。

表8 直流配电网元件基础可靠性参数

(1) 柔性直流配电网与传统交流配电网常用的辐射状的拓扑结构相比,其网络拓扑结构更为复杂,而最小割集法可以将复杂的网络拓扑结构转化为简单的串并联结构进行数学计算和分析。

(2) 与蒙特卡罗模拟法相比,解析最小割集法在处理小系统时具有计算速度快、内存需求少的优点。

最小割集法通过搜索各负荷点的最小割集,可将复杂的网络结构转变为简单的元件串并联关系计算系统的等值可靠性指标。一阶割集由单个元件构成,因此一阶割集的等值故障率λe以及修复时间re和元件的参数一致。而割集之中的元件关系是并联的,因此可得一个二阶割集的等效故障率和修复时间分别表示如下:

(5)

式中:λe,re,Ue——二阶割集的等值故障率、等值故障平均修复时间、等值年平均停运时间。

得到负荷点在系统中所有的一阶割集和二阶割集之后,由于系统中割集与割集为串联关系,可以计算负荷点的可靠性指标:

(6)

式中:S——一阶和二阶供电割集的集合。

2.2 计及单、双级运行方式可靠性评估方法

在直流配电网系统中通常采用金属导线回流方式。直流电流在线路正常工作时主要流过两极线路,只有少量的不平衡电流流过中间线路;当线路发生单极接地短路或单极开路时,直流断路器通过倒闸迅速将线路切换到单极与金属回路运行,使得该负荷点恢复正常供电,提高了直流配电网系统的可靠性。在直流配电网可靠性评估方法中引入这种影响时,需要相应的对直流线路模型的可靠性参数进行修正。假定直流线路单位长度单极运行方式下故障率为λl1,故障修复时间为rl1,那么正常工作状态下的故障率为λl,故障修复时间为rl,系统直流线路长度为L,则考虑单极运行方式下的线路的故障率以及故障修复时间为

λ′l=λl-λl1

U′l=Ul-Ul1=λlrl-λl1rl1

(7)

将原有的线路可靠性参数替换为修正后的线路可靠性参数,并代入直流配电网系统的可靠性指标求解过程,即可得到考虑了直流线路单极运行这一特殊运行方式后的直流配电网系统可靠性。

2.3 计及含分布式电源配电系统可靠性评估方法

将风机、光伏等分布式电源接入配电网,将会改变配电系统的运行方式以及系统运行可靠性。当系统正常运行时,分布式电源采用并网运行方式,配电系统由上级电源和分布式电源共同向负荷供电;当系统主供电线路发生故障,系统开关操作将故障隔离后会导致下游负荷点与主电源供电路径切断。通过开关动作使下游失电区域切换至孤岛运行方式,由分布式电源就近向负荷供电。当下游失电系统切换至孤岛运行状态时,由于风力、光照等资源受到地理或气候等因素的影响,所以风力发电以及光伏发电等新能源发电的输出功率具有间隙性以及波动性等特点。同时,负荷功率具备一定的波动性,因此失电范围内的分布式电源在某些情形下无法保障给予负荷点足够的功率支持。在一定的供电恢复方式以及转供电源容量约束下,定义下游失电负荷获得电力供应支撑的概率为负荷转供概率。此时考虑分布式电源接入配电系统,假定失电区域负荷转供率为Prs,则失电范围内负荷点的可靠性指标将修正为

λ′i=(1-Prs)λi

U′i=(1-Prs)Ui

(8)

可靠性指标的修正将会减小不同故障场景下失电区域负荷点的故障停电率以及故障停电时间。当前配电网故障负荷恢复策略制定为下游失电范围的分布式电源联合为失电范围内负荷供电。由于分布式电源出力以及负荷具备一定的随机性,为便于实际计算,采用蒙特卡洛抽样方法,对DG出力和负荷功率进行抽样,当抽样的数量足够大的时候,认定负荷转供的抽样概率作为概率的无偏估计。

在先前的可靠性计算流程的基础上,添加了分布式电源与负荷功率的抽样部分,根据抽样计算的结果修正负荷点的可靠性指标,进而修正系统可靠性指标,其中含分布式电源的配电网可靠性评估流程如图4所示。

2.4 计及直流负荷可靠性评估方法

随着城市配电网的发展,大规模通信中心、数据中心、电动汽车、工业园区直流负载以及分布式电源等占比日益提升。采用直流配电方式,可以节省配电网的换流设备,减少换流损耗。为直流负载提供相应的供电通道是当前柔性直流配电系统发展的一大优势。考虑配电网在设计过程中,为接纳直流负荷,在低压侧负荷点应具备交流、直流两个供电通道分别向交流、直流负荷供电。

将直流负荷用户数在负荷点整体占比定义为Kdc,在系统网架结构基础可靠性指标计算的结果上考虑直流负荷的占比,修正负荷点的可靠性指标:

(9)

3 算例分析

本文以某交直流配电网为例进行配电网系统可靠性评估。在典型直流配电系统组成架构和分布式电源接入下,柔性电力电子变电站具备4个端口,分别连接系统主电源、分布式电源以及负荷,在某交直流配电网本期工程中有2路交流进线和1路直流进线,分别为云计算110 kV、10 kV变电站和2.5 MW集中式光伏电站,其中2路交流进线通过干式变压器和电力电子变压器向小2台创新研发展示中心供电。直流进线即集中式光伏站经过架空线路接至电力电子变压器的高压DC接口上,最终输出低压与干式变压器的低压输出构成分段式单母线,共同为创新研发展示中心供电。在某交直流配电网示范工程中主要电源来自110 kV变电站以及光伏电站。110 kV变电站与大电网连接,相应的供电可用率为100%,而光伏电站发电具备不确定性,因此光伏电源是间断的,光伏电站出力时供电通道如图5所示。

当光伏电站可靠出力时,主电源经过云计算110 kV变电站、10 kV母线、干式变压器和柔性电力电子变电站向创新中心负荷供电;集中式光伏电站经直流升压站接入柔性电力电子变电站向负荷侧供电。当集中式光伏电站没有出力时,柔性电力电子变电站在交直流配电网中起到能量核心枢纽作用,各类型分布式电源以及负荷通过柔性变电站构建供电通道。考虑集中式光伏电站的出力对系统可靠性的影响,因此将光伏电站分为有出力以及无出力两种情况,计算相应的概率,并比概率和相应情况下的可靠性指标的乘积累加和作为系统整体的可靠性指标,即

(10)

式中:Ti——1 a中光伏出力的小时数;

TN——1 a的总小时数。

将某交直流配电网示范工程分为光伏出力和光伏无出力两种情况,计算接入柔性电力电子变电站的交直流配电网中的小二台创新研发展示中心可靠性指标,划分光伏电站出力以及光伏电站不出力两种情况,含柔性变电站的交直流配电网可靠性如表9所示,两种配电网可靠性评估结果对比如表10所示。

表9 含柔性变电站的交直流配电网可靠性

表10 两种配电网可靠性评估结果对比

由对比结果可知,以柔性变电站作为基础架构的交直流配电网故障率以及停电时间明显低于由云计算110 kV变电站单一供电的配电网。柔性变电站作为核心设备,为小2台创新展示中心负荷提供了多端口的供电通道。与传统变电站相比,柔性变电站在运行时具有灵活接入的优势,在光伏电站可靠出力时,整体系统的可靠性水平达到最高,全年停电时间不足1 min。

4 结 语

随着分布式电源与电动汽车的发展,交直流配电网势必会成为未来配电网发展的一大趋势。但对于目前来说,交直流配电网的建设还处于起步阶段,因此,针对交直流配电网的可靠性评估研究具有重要的实际意义和价值。本文针对设备以及配电系统进行了可靠性评估,并以某交直流配电网为例进行了系统可靠性分析。从评估结果可知,与传统交流配电网相比,柔性交直流配电网的多端口双向连接特性在实现全系统灵活调控的基础上,进一步提升了系统整体的供电可靠性。在前人对于交流配电网和直流配电网方面的大量研究背景下,针对交直流配电网选用解析最小割集法进行可靠性评估研究,与常用的蒙特卡罗模拟法相比,解析最小割集法在处理小系统时具有计算速度快、内存需求少等优点。