直流配電網設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 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000；2.長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443000）

引言

作為電力系統的關鍵環節，配電網的安全穩定運行是保障電力系統可靠性的重要一環。因而，配電網設備的可靠性成為了熱點研究問題。目前國內外已有諸多學者對直流配電網的可靠性進行了研究。文獻[1]對直流配電網設備的可靠性參數進行了研究，并給出了相關建議；文獻[2]研究了冗余設置對系統可靠性的影響；文獻[3]對直流配電網的優化配置方案進行了研究；文獻[4]通過不同設備可靠性參數的評估，計算了系統的可靠性指標；文獻[5]對分布式電源接入直流配電網后，對系統可靠性的影響進行了研究。

1 設備的可靠性模型

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

式中，f(t)為可靠性函數；n為故障率。

可靠性框圖通常可以有串聯等值系統和并聯等值系統，串聯的可靠性函數及故障率分別為：

并聯等值系統的可靠性函數及故障率分別為：

2 關鍵設備冗余配置分析

2.1 不同冗余元件的影響

根據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備、直流及其輔助設備、控制和保護系統以及子模塊。不同配置模式下的設備可靠性和無故障工作時間關系如圖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

設置冗余度分別為10%，20%和30%時，系統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，隨著設備中冗余子模塊數量的增加，轉換閥組的可靠性將持續提高。如果配置了20%的冗余子模塊，則轉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，中壓轉換器閥組的20%冗余子模塊可以實現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，分別考慮三種不同冗余操作策略下換流閥組的可靠性參數。仿真結果如圖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的可靠性。采用負載分擔運行方式，可進一步提高設備的可靠性水平和無故障工作時間。這是因為與傳統的工作模式相比，負載共享模式下單個子模塊的電壓應力有所降低，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力的影響很大。因此降低電壓應力有利于降低內部組件的故障率，從而提高設備的整體可靠性。

3 結論

對冗余配置對系統可靠性的影響進行仿真計算發現，冗余配置可以在一定程度上提高系統的可靠性。在直流配電網的實際工程中，應考慮可靠性和設備成本，選擇電力電子設備的冗余配置數量和相應的冗余運行模式。