光伏逆變器溫度異常預警分析及其應用

吳文寶，熊 敏，張潔瓊

（1.中國電建集團江西省電力建設有限公司，江西 南昌 330021；2.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在能源形勢日益嚴峻的今天[1]，提倡綠色能源，優化能源結構，降低對煤炭等環境污染型資源的嚴重依賴得到社會的普遍認同。太陽能具有分布廣泛、清潔環保、資源豐富等優勢，是傳統發電的有益補充。鑒于其對環保與經濟發展的重要性，各發達國家無不全力推動太陽能發電工作[2-3]。隨著全球光伏產業的蓬勃發展，整體裝機容量逐年增加，如何通過有效的手段減少故障損失成為日益關注的問題。光伏電站中，光伏逆變器設備的安全穩定運行直接關系到電站收益，所以，需要對光伏逆變器設備的運行參數（如電抗器溫度、電抗器溫度）進行實時監測，以便能發現逆變器潛在的問題。目前，大多數逆變器設備是通過對各項運行參數設置報警限值，一旦實時監測到的某項運行參數超過對應的報警限值，就會自動報警提醒工作人員進行檢修。但是對于各項運行參數的運行參數設置合適的報警限值存在較大難度，報警限值設置的太大導致無法準確的報警，當出現越限報警時，逆變器設備的實際運行參數比正常值已經偏離很高，容易造成較大的安全隱患；報警限值設置的太小，又會導致頻繁報警，出現誤報警的頻率太高；而且，逆變器設備在運行時，其發電功率負載率和運行時長對于各項運行參數會有所影響，對于負載率較高且實行時間較長的逆變器設備，其各項運行參數均會偏高，因此，上述簡單的設定報警限制的方法，就會導致無法將負載率及運行時長對各項運行參數的影響因素考慮在內，致使報警錯誤率高，無法真正有效、準確地進行報警，無法保證逆變器設備的安全穩定運行。

1 溫度正態分布值定義及分析

光伏電站逆變器溫度正態分布值是指光伏電站同型號設備相同溫度參數（電抗器溫度、IGBT溫度、機箱溫度及變壓器溫度等）在相同運行條件下的正態分布值，它反映了每臺逆變器溫度參數偏離整體運行的情況，正態分布數值越大，說明逆變器越不穩定，存在潛在預警的可能性越大。某時刻（時刻）同型號單臺逆變器溫度正態分布值的計算見式（1）：

式中，i=0，1，2，…n為各采樣時刻為第i采樣時刻同型號逆變器的溫度運行參數的平均值；Xki為第k臺逆變器第采樣時刻的溫度運行參數；σi為第i采樣時刻同型號逆變器的溫度運行參數的標準差，計算公式為：

式中：k=1，2，…m為同型號的各臺逆變器，k為指定型號逆變器臺數。

文中以日為單位對每臺逆變器的溫度參數進行分析，計算同型號某臺逆變器的日正態分布值采用加權平均，計算公式為：|Sk|大于1時，判斷具有異常的傾向，觸發預警提示。

式中：Sk為第k臺逆變器指定日期的溫度參數正態分布值；其他參數如上公式（1）、（2）的說明。

一般地，在實際應用上，常考慮一組數據具有近似于正態分布的概率分布。若其假設正確，則約68.3%數值分布在距離平均值有1個標準差之內的范圍，約95.4%數值分布在距離平均值有2個標準差之內的范圍，以及約99.7%數值分布在距離平均值有3個標準差之內的范圍。稱為“68-95-99.7法則”或“經驗法則”。文中采用正態分布的分析方法評估逆變器溫度的正態分布情況，當

2 溫度正態分布值的應用

2.1 溫度正態分布值的計算

文中逆變器異常溫度分析方法具體實施包括以下步驟：

第一步：獲取采樣數據

1）獲取光伏電站內逆變器在各采樣點的日發電量數據Q和裝機容量數據C；

2）獲取光伏電站內逆變器在各采樣點的電抗器溫度數值；文中的運行參數以逆變器設備上采集的電抗器溫度為例進行分析。

第二步：構造相同的運行條件

1）獲取綜合影響系數

一般地，光伏電站逆變器設備中的電抗器溫度受環境溫度、負載率、運行時間和散熱情況等因素影響，文中分析中將異常散熱的逆變器排除，故在相同采樣時刻影響各逆變器電抗器溫度的主要因素為負載率和運行時間，而負載率和運行時間的綜合影響系數等價為逆變器各采樣點發電量除以裝機容量，計算公式為：

式中：ηki為第k臺逆變器第i采樣時刻的綜合影響系數；Qki為第k臺逆變器第i采樣時刻的日發電量數據；Ck為第k臺逆變器的裝機容量。

2）將第一步獲取的各采樣時刻電抗器溫度t乘以綜合影響系數，計算公式為：

式中：tki為第k臺逆變器第i采樣時刻的電抗器溫度數據；Tki為等效相同運行條件下第k臺逆變器i采樣時刻的電抗器溫度數據；

第三步：計算各采樣時刻的溫度正態分布值

按逆變器型號分類，計算每類逆變器下各采樣時刻的電抗器溫度平均值，計算公式為：

按照公式（2）計算每類逆變器各采樣時刻的電抗器溫度標準差，按照公式（1）計算各逆變器各采樣時刻電抗器溫度正態分布值，如圖1所示。

圖1 某20 MW電站逆變器在某采樣時刻的電抗器溫度數據的正態分布圖

圖1中溫度均值為51.69℃，標準差為25.27，分析該采樣時刻各電抗器溫度數據，發現當電抗器溫度值偏離采樣時刻平均溫度值1個標準差之內時，即電抗器采樣溫度在26℃到78℃范圍內時，幾乎不存在異常情況；當電抗器溫度偏離采樣時刻平均溫度值大于1個標準差時，即電抗器采樣溫度小于26℃或大于78℃具有異常的風險；

第四步：利用加權平均計算日溫度正態分布值

通過正態分布分析同一時刻各逆變器電抗器溫度的異常狀態，亦可以按照公式（3），根據第三步計算的各逆變器各采樣時刻電抗器溫度正態分布值，計算每臺逆變器電抗器溫度在指定時間段內的加權正態分布值平均。

2.2 異常設備分析及定位

文中計算了各采樣時刻各逆變器的電抗器溫度正態分布值，該值用于分析逆變器的電抗器溫度距離平均值的偏離情況，當電抗器溫度值偏離采樣時刻平均溫度值1個標準差之內時，即計算的正態分布值r在-1到1的范圍內時，認為幾乎不存在異常情況；當電抗器溫度偏離采樣時刻平均溫度值1-2個標準差之內時，即計算的正態分布值1≤r＜2或-2＜r≤-1時，提示有存在異常的風險；當電抗器溫度偏離采樣時刻平均溫度值大于2個標準差時，即計算的正態分布值2≤r或r≤-2時，報設備異常。當采用加權平均分析異常溫度數值時，需要對為零數據進行篩除，或對等于零的結果做溫度為0提示。

3 結語

文中通過分析光伏電站同型號逆變器在相同運行條件下的溫度參數，提出一種預測異常設備的方法，用逆變器設備的日發電量負載率矯正溫度參數，對校正后的溫度參數計算正態分布值，通過正態分布值的分布范圍判斷是否觸發預警提示。該方法已在多個光伏電站進行試運行，實現了光伏系統運行參數異常的預警，為逆變器設備的智能監控實現提供了方案和方法，為故障或告警預判提供可行實用的診斷方案和方法，并且實現了對光伏電站逆變器設備運行異常的預判，避免了無效報警。