直流配電網(wǎng)設(shè)備可靠性建模及冗余配置分析

張頁川，夏昌浩，覃 濤

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000；2.長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443000）

引言

作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是保障電力系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)。因而，配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性成為了熱點研究問題。目前國內(nèi)外已有諸多學(xué)者對直流配電網(wǎng)的可靠性進行了研究。文獻[1]對直流配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性參數(shù)進行了研究，并給出了相關(guān)建議；文獻[2]研究了冗余設(shè)置對系統(tǒng)可靠性的影響；文獻[3]對直流配電網(wǎng)的優(yōu)化配置方案進行了研究；文獻[4]通過不同設(shè)備可靠性參數(shù)的評估，計算了系統(tǒng)的可靠性指標；文獻[5]對分布式電源接入直流配電網(wǎng)后，對系統(tǒng)可靠性的影響進行了研究。

1 設(shè)備的可靠性模型

對于完整的直流配電系統(tǒng)，配電網(wǎng)絡(luò)的基本組件包括不同類型的設(shè)備，例如直流變壓器、斷路器和柔性直流換流站。可靠性函數(shù)表示組件在時間t之前不會發(fā)生故障的概率，可以由下式表示：

式中，f(t)為可靠性函數(shù)；n為故障率。

可靠性框圖通?？梢杂写?lián)等值系統(tǒng)和并聯(lián)等值系統(tǒng)，串聯(lián)的可靠性函數(shù)及故障率分別為：

并聯(lián)等值系統(tǒng)的可靠性函數(shù)及故障率分別為：

2 關(guān)鍵設(shè)備冗余配置分析

2.1 不同冗余元件的影響

根據(jù)柔性直流換流站中各個功能組件的劃分，分析冗余對換流站整體可靠性的影響，例如交流及其輔助設(shè)備、直流及其輔助設(shè)備、控制和保護系統(tǒng)以及子模塊。不同配置模式下的設(shè)備可靠性和無故障工作時間關(guān)系如圖1所示。

圖2為換流站平均無故障運行時間，由圖2可得，當換流閥組配備10%的冗余子模塊時，系統(tǒng)的整體可靠性將大幅提高，換流站故障之間的平均間隔時間將從0.380 23年增加到1.011 18年。因此，冗余子模塊的配置可以使換流閥組和靈活的直流換流站的可靠性最大化。

2.2 不同冗余度的影響

設(shè)置冗余度分別為10%，20%和30%時，系統(tǒng)可靠性的變化趨勢如圖3所示。

圖4為換流閥組平均無故障運行時間。由圖4可知，隨著設(shè)備中冗余子模塊數(shù)量的增加，轉(zhuǎn)換閥組的可靠性將持續(xù)提高。如果配置了20%的冗余子模塊，則轉(zhuǎn)換閥組無故障運行到1.5年的可能性約為96%。通常，換流站的計劃維護周期為1年或1.5年。因此，中壓轉(zhuǎn)換器閥組的20%冗余子模塊可以實現(xiàn)更好的實際工程可靠性。

2.3 不同冗余運行方式的影響

以20%冗余子模塊為參考數(shù)，分別考慮三種不同冗余操作策略下?lián)Q流閥組的可靠性參數(shù)。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，主動與備用冗余運行方式均會提高系統(tǒng)的可靠性。采用負載分擔運行方式，可進一步提高設(shè)備的可靠性水平和無故障工作時間。這是因為與傳統(tǒng)的工作模式相比，負載共享模式下單個子模塊的電壓應(yīng)力有所降低，單個子模塊故障概率的降低也降低了整體故障率。在這三種冗余策略中，負載共享冗余用于集成換流閥組。最重要的原因是IGBT模塊和電容器的可靠性受電壓應(yīng)力的影響很大。因此降低電壓應(yīng)力有利于降低內(nèi)部組件的故障率，從而提高設(shè)備的整體可靠性。

3 結(jié)論

對冗余配置對系統(tǒng)可靠性的影響進行仿真計算發(fā)現(xiàn)，冗余配置可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。在直流配電網(wǎng)的實際工程中，應(yīng)考慮可靠性和設(shè)備成本，選擇電力電子設(shè)備的冗余配置數(shù)量和相應(yīng)的冗余運行模式。