[發(fā)明專利]基于元件-系統(tǒng)分級優(yōu)化的光伏電站維護(hù)策略

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810801842.5
• 申請日: 2018-07-20
• 公開（公告）號: CN110807531B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱曉榮;劉亞維
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)（保定）
• 主分類號: G06Q10/00
• 分類號: G06Q10/00;G06Q10/04;G06Q50/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于元件-系統(tǒng)分級優(yōu)化的光伏電站維護(hù)策略，包括如下步驟：

步驟1：利用平均無故障工作時間MTBF(Mean time between failure)計算出光伏電站各個元件的故障率λ，計算式如式(1)所示。

步驟2：直流匯流箱、逆變器、箱式三繞組變壓器均視為兩狀態(tài)元件，狀態(tài)集合由故障停運(yùn)和正常運(yùn)行兩種狀態(tài)組成。在狀態(tài)1下，元件正常運(yùn)行，完成預(yù)設(shè)功能，狀態(tài)0情況下，元件發(fā)生故障導(dǎo)致停運(yùn)，狀態(tài)集合S＝{1，0}，對應(yīng)的狀態(tài)信息η_i分別為100％和0％。

根據(jù)式(1)計算得到的元件故障率λ，獲得兩狀態(tài)元件狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P如式(2)所示：

步驟3：光伏組件也屬于兩狀態(tài)元件，但是光伏陣列由多個光伏組件串并聯(lián)組成，某一個光伏組件的故障不會導(dǎo)致整個光伏陣列停運(yùn)，因此需要對光伏陣列進(jìn)行多狀態(tài)劃分。m×n的子陣列由n個組串并聯(lián)而成，每個組串由m個組件串聯(lián)組成。根據(jù)式(1)計算光伏組件故障率為λ，則每個組串的故障率λ_s如式(3)所示。子陣列的狀態(tài)集有n+1個元素，S＝{s_i(i＝n，n-1，…，1，0)}，對應(yīng)的狀態(tài)信息η_i表達(dá)式如式(4)所示，i為正常工作組串個數(shù)。

λ_s＝m·λ (3)

η_i＝i·P_s/P_a×100％ (4)

根據(jù)光伏陣列狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖確定陣列的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P，在不考慮維護(hù)時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為上三角矩陣，i，j＝n+1時陣列處于吸收態(tài)，此時p_ij＝1。則光伏陣列狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣各元素如式(5)所示：

步驟4：基于馬爾科夫過程，結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，建立光伏電站各元件狀態(tài)預(yù)測模型：

π(k)＝π(k-1)P＝π(0)P^k＝π(i)P^k-i (6)

式中，π(0)為初始狀態(tài)概率分布，π(i)為iΔt時刻狀態(tài)概率分布，P為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

步驟5：元件的平均維修成本分為三部分，平均直接維修費(fèi)用C_m(t)、平均停機(jī)損失C_i(t)和故障風(fēng)險損失C_r(t)，計算式分別為式(7)-(9)。

式中，c_m表示維修的直接成本，包含物流、人工等費(fèi)用；t_mnt表示上一次維修時間。

式中，c_i表示維修時元件的停機(jī)損失。

式中，π_j(t)表示元件在t時刻處于狀態(tài)的j概率；Γ為子陣列的平均一天發(fā)電量，kWh；v為電價；l表示元件狀態(tài)個數(shù)；m_j(t|Θ_j)表示t時刻元件處于狀態(tài)j的功率損失率；

步驟6：c_m和c_i均為固定值，所以C_m(t)和C_i(t)是隨維修時間間隔的增加而減小的，但是隨著時間的推移，元件故障停運(yùn)的風(fēng)險會逐漸增大，所以C_r(t)是隨時間增加的，根據(jù)式(10)確定最優(yōu)維護(hù)動作時間t^*和最低平均費(fèi)用C^*；

步驟7：除最優(yōu)維護(hù)時間外，其他可選擇的接近最優(yōu)的維護(hù)時間也需要確定，為系統(tǒng)級維護(hù)策略的優(yōu)化提供選擇。接近最優(yōu)維修時間可以通過排除搜索空間中的最優(yōu)時間來求取，如式(11)所示，確定每個元件的維修策略集合A^*，A^*＝{a₁^*，a₂^*，…}＝{(t₁^*，C₁^*)，(t₂^*，C₂^*)，…}，其中(t_j^*，C_j^*)表示維護(hù)策略集合中第j個策略的維護(hù)時間和平均維護(hù)費(fèi)用；

步驟8：對于N個元件構(gòu)成的系統(tǒng)，通過元件級維護(hù)策略優(yōu)化分別確定每個元件所對應(yīng)的策略集合Ak^*＝{a_1，k^*，a_2，k^*，…}＝{(t_1，k^*，C_1，k^*)，(t_2，k^*，C_2，k^*)，...}，k表示第k個元件，k＝1，2，...，N。元件單獨(dú)維修時，系統(tǒng)總的維修費(fèi)用c₀如式(12)所示：

式中c_k表示第k個元件選擇維修策略x_k時的維修費(fèi)用；c_mk表示第k個元件的直接維修費(fèi)用；c_ik表示第k個元件的維修停機(jī)損失。

步驟9：為了方便計算元件共同維修節(jié)省成本，將元件的直接維修費(fèi)用c_m分成兩部分，如式(13)所示：

c_m＝c_m1+c_m2 (13)

式中，c_m1表示固定成本；c_m2表示非技術(shù)維修人員的人工費(fèi)用，元件共同維修時可以節(jié)省的支出費(fèi)用。因此，共同維修節(jié)省的直接維修費(fèi)用c_EOS如式(14)所示：

式中，X表示系統(tǒng)維修策略；n(X_t)表示策略X中在t時刻共同維修的元件個數(shù)。

用c_i2表示在某一時刻元件共同維修時重復(fù)的停機(jī)損失，根據(jù)式(15)確定，則共同維修節(jié)省的總停機(jī)損失如式(16)所示。

式中，X_t為t時刻共同維修元件的組合，元件數(shù)為n(X_t)；c_ik(X_t)表示X_t中第k個元件的停機(jī)損失。

系統(tǒng)中元件共同維修除了會節(jié)省維修費(fèi)用和停機(jī)損失外，還可能會產(chǎn)生額外的功率損失，因此，需要在成本中引入額外損失變量。為了便于計算多個元件共同維修引發(fā)的額外損失費(fèi)用，根據(jù)元件之間的結(jié)構(gòu)特征將系統(tǒng)中的元件分為v個組別，分別為g₁，g₂，...，g_v，額外損失c_LF表達(dá)式為式(17)：

式中，χ_t(X)表示維修策略X中在t時刻共同維修會產(chǎn)生額外損失的集合；f_LF表示共同維修產(chǎn)生的損失函數(shù)。

步驟10：綜合以上分析，得到系統(tǒng)級維修策略X總成本c_SL表達(dá)式如式(18)所示：

c_SL(X)＝c₀(X)-c_EOS(X)-c_DT(X)+c_LF(X) (18)

步驟11：根據(jù)式(10)確定了元件最優(yōu)維修時間t^*和最低平均費(fèi)用C^*，則在系統(tǒng)級優(yōu)化階段選擇A^*中其他非最優(yōu)的維修時間對應(yīng)的平均費(fèi)用的增量C_t如式(19)所示：

根據(jù)步驟9成本分析，元件共同維修節(jié)省的成本及產(chǎn)生的額外損失分別為，c_EOS、c_DT和c_LF，因此系統(tǒng)中元件同時維修導(dǎo)致的平均減額費(fèi)用C_sim如式(20)所示：

步驟12：通過比較共同維修帶來的成本優(yōu)勢C_sim與選擇非最優(yōu)維護(hù)時間引起的費(fèi)用增額C_t，確定光伏電站中元件共同維修時間閾值，確定電站最優(yōu)維護(hù)策略。