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外文翻译：
光伏电力处理系统的可靠性问题
文摘: 电力处理系统将是未来光伏（PV）应用的关键因素。它们将在转移、负载和/或电网中起到核心作用，由下一代高效光伏电池产生的电力。为了达到与使用太阳能产生电能有关的期望，这样的系统必须确保高效率、模块化，尤其是高可靠性。本文的目的是提供与光伏功率处理系统相关的开放性问题的概述，并将研究者和产业的关注焦点放在这一领域当前和未来的挑战上。
索引词：逆变器，最大功率点跟踪（MPPT），光伏（PV）系统，电力电子，电力加工,太阳能。
第一部分 介绍
光伏（PV）电力处理系统（P3SS）是未来电力利用太阳能发电的关键因素。根据最近的研究和报告，光伏电力处理系统的特性达到了光伏电池制造商对效率的期望。然而，实际的P3SS缺乏其他一些特性：可靠性。根据最近的文件，这个因素导致了多数人对光伏系统失去信心，并对这种技术的推广产生了抑制效应，特别是在农村电气化应用中，在一个基于上网电价补贴的市场中。这种经济支持使维修时间成为在生命周期系统成本预测中要考虑的最重要的方面之一。
P3SS的设计主要问题时：生产效率高，故障率低，成本高，这也是未来的主要挑战。事实上，根据，必须采取行动以降低组件或系统级的成本，增加系统的整体性能，包括增加和协调组件生命周期的各个方面，减少损失，维持系统整个系统的性能水平，并提高可靠性。
虽然效率的目标是可以实现的，但是与P3SS的可靠性相关的目标只会在一个新的设计过程的成本中实现。要实现这一目标，首先要做的是对现有数据进行分析，因为全世界有数百万的PV系统安装在世界各地，但在其他技术和应用程序中，它们还没有被使用。
由于本文有限的可用空间，不允许我们详尽地回顾与P3SS应用程序的可靠性有关的所有方面，更强调的是一些特定的主题。
特别地，在第二部分中，研究了与PV系统可靠性有关的一般问题。第三节介绍了采用网格连接逆变器所采用的各种技术的可靠性，以防止在IS着陆模式中进行非故意操作，在第四节中，分析并讨论了最大功率点跟踪（MPPT）方案的可靠性。
其目的是将研究和工业的注意力吸引到这些方面，为进一步的研究工作提供一个完整的基础。
第二部分 一般的可靠性问题
PV系统由PV模块和平衡系统（BO）组成。BO组件包括阵列结构、被动或主动跟踪器、连接器、交流和直流接线、超电流保护、断开连接、连接、逆变器、充电控制器、MPPT控制器、能量存储设备和系统控制器。多年来，PV组件和BO组件的可靠性和耐用性得到了持续的改进。许多论文讨论了在光伏模块的使用寿命中所起的作用，包括封装剂的机械性能、粘合强度、杂质的存在、金属化、焊剂的完整性和破碎、腐蚀、老化的支撑层等。环境和操作压力,如湿度、温度、高压偏见,和过程的局限性,如焊料键的完整性,影响光伏模块和BO组件,包括功率调节系统,以相同的方式引起腐蚀。
P3SS的关键组件由存储设备表示。在许多PV装置中，存储设备是必需的，不仅在独立系统中，而且在具有关键负载的网格连接的PV系统中，例如在电信、医疗和工业控制系统中，必须确保连续和高质量的电力。尽管目前正在考虑各种各样的储能方法，但目前大多数的光伏系统都使用电池存储。最常用的电池是铅酸电池，因为它们有良好的可用性和成本效益;镍（镍-镉或镍-HD）类型便携式应用越来越受的欢迎，在极端温度变化的环境中，尤其寒冷。光伏系统的电池在特定的条件下运行（其操作的一个显著特点是循环），这必须考虑到电池寿命和效率的影响。在PV系统中使用的电池通常与汽车电池相似，但它们的制造方式有些不同，以允许更多的储存能量每天使用。电池必须妥善管理才能获得最大限度的生命，因为误用导致的寿命减少会大大增加成本，并且会严重影响整个光伏系统的可靠性。与电池相关的主要问题是下面的:放电率高(可收回能量下降),放电深度(生命周期大幅下降深度gt; 25%),过度充电（在高资源期，生命周期在推荐的情况下，循环下降），充电不足(在低资源期，较低的低周期延长生命周期延长的间隔时间会减少生命），和温度(可收回能量下降非常低的温度,增加损失由于高温气体处理)。
电池的能力不足损害了光伏系统的功能。在典型的独立光伏系统中，合适的计算算法可以改善电池寿命，降低维护成本，减少PV系统生命周期成本。在任何情况下,为了提高电池寿命在光伏应用中,还需要进一步的研究工作，发展“新一代”电池专门致力于光伏应用技术的监测电池的电荷状态,和适应新电池的电池管理系统技术(例如,锂离子和镍锰)。
现场经验表明，逆变器是最容易受到影响的部件。
图1表明，在光伏系统中，对新变频器的投资需要3到5倍的时间。
图1所示。PV项目简化了现金流:假设在光伏系统的其他部分的费用是很小的。
例如，佛罗里达州太阳能中心5号的可靠性数据包括103个电网连接光伏系统的信息，该系统使用了来自4家制造商的176个逆变器，并从9个制造商采用了光伏阵列，这证实了大多数相关事件都是由逆变器引起的。特别地，在1999-2003年，在103个系统中记录了213个事件，其中有139个事件。65%的被归为逆变器。归因于逆变器。大多数逆变器可靠性事件，由于在IS着陆模式下的非故意操作电网因故障或维护而被绊倒。目的，因此这方面在第三节中得到了处理效率低下的MPPT功能,在第四节,和保护不足的浪涌电压的电网(负载瞬变,变换切口,故障清除,电容器切换、和系统故障)过热。可靠性事件需要软件升级或更换/维修变频器。
大约有6个逆变器故障是由于在光伏阵列附近或附近的雷击造成的。大多数事件都是在系统运行的第一年记录下来的。水入口是一个模块集成的逆变器。相当数量的系统可靠性事件是由于其他的BOS组件造成的。其中包括直流断路器的跳闸和电源电路过载装置的故障，以及交流过电流装置，需要手动重置或更换元件。在12个系统中，对PV系统可靠性（故障时间、修复时间、可用性和维护成本）的4个指标进行了评估，包括网格系统和网格独立。同样，在这种情况下，大部分的失败都与逆变器有关。指的是在博茨瓦纳安装的一个固定的光伏系统所获得的经验，据报道，由于热带的工作环境和雷电的影响，逆变器的故障，占总故障事件的77%。因此，建议逆变器的生产商应将其产品适应极端气候条件，并改进采用的闪电保护措施。尽管制造商公布了他们的太阳能逆变器的效率，但他们很少公布可靠性数据。值得注意的是，为了计算光伏能源每千瓦时的真实价格，我们必须计算“有效效率”，考虑到由于逆变器故障而导致的系统停机时间。提出了一种能够满足低成本要求和首次故障的大平均时间的DC-AC逆变器系统;它的模块化拓扑结构有助于提高系统的可靠性，通过引入冗余来降低成本，同时实现相同的模块，以实现不同的输出功率级别。作者提出了两个新的和密切相关的光伏逆变器拓扑结构,导出了标准电容空转CUK拓扑中,目的是减少高频有源开关的数量和降低被动元件的大小导致的可靠性和效率改进由于较低的组件数量和软切换的可能性。电解电容器被认为是一个特别麻烦的元件，并且新的PV逆变器拓扑结构避免了大电容器的出现。事实上，人们普遍认为，避免电解电容器本身就能提供更高的可靠性。
我分析了4种不同的硬开关逆变器拓扑，以确定最容易出现故障的组件，以及对故障率做出最高贡献的应力因素。在所有的情况下，都发现MOSFET是最易受伤害的组成部分，而主要的压力因素与温度有关。研究还发现，如果转换装置被高估，但只有在一定程度上，使用过大的MOSFET可能会产生反效果，从而提高逆变器的可靠性。此外，为了避免过热，采用低ESR电容器是很重要的，即使成本较高。
对24小时PV逆变器故障的检查表明以下因素导致可靠性差：需求定义差，导致频繁的产品更新、不成熟的生产工艺、产品计划和质量控制，以及不包括最新的架构、控制方案、包装方法和技术的过时设计。摘要逆变器的主要问题之一是半导体开关的热管理和热提取机制。热管理是逆变器的主要可靠性问题，因为开关元件和电容器对温度非常敏感。采用更好的热建模工具，使制造商能够研究创新的热管理策略。此外，高度加速的生命测试（暂停）和高度加速的压力筛选方法越来越多地用于在设计周期的早期发现设计缺陷。
通过选择较小的开关和传导损耗的设备，可以减少热产生。其他与过度热有关的问题是：不适当的热传递和风扇。先进的焊接材料可以改善散热。风扇是一种有限的生命周期组件，需要特别考虑去除热量以使这种失效模式最小化。当风扇失效时，温度上升到可接受的值，而温度过高的传感器会使电力系统失效。当温度下降时，操作会自动恢复。根据周围的温度，这将导致白天的一系列的开关周期。在冬季，这个系统可以在不中断的情况下工作一整天，而在夏天，可能会有更多的“非”或“序列”。这种类型的行为会导致诊断错误的困难，因为操作可能看起来几乎是正常的。
在25年前，如果与传统的中央逆变器和串流逆变器的配置相比较的话，确认了模数转换器的使用，有时被命名为交流模块，可以保证最高的可靠性。
在过去的几年中，逆变器的可靠性有了显著的提高;随着技术的成熟和新产品的出现，失效率已经大大降低，而这些新产品已经进入了市场。国际能源机构光伏发电系统计划7号的调查显示，在大约10年26年（MTBF）之间，有明显的改善。因此，目前的逆变器将在5年的保修期中充分发挥作用。提高操作电压范围和使用寿命，降低成本，仍然是必不可少的。用MTBF开发逆变器的项目已经超过10年，销售价格也较低，取得了良好的进展。
目前市场上可用的逆变器系统是专门为源（PV阵列、燃料电池、电池）而设计的。为了降低逆变器的成本，有必要设计一个逆变器，它可以使用不同的输入源，并可用于不同的应用场合（网格连接、网外、备份）。该逆变器的广阔市场将确保大量生产，从而降低每瓦的成本。需要选择合适的组件和它们的安装，并且需要适当的设计来获得所需的操作利润。为此，技术要求必须与现场的专家、系统安装人员、主电工、房屋建造者和其他潜在客户进行协商。为了确定问题的根源，并在出现问题时解决这些问题，需要进行广泛的测试，包括停止工作。因此，基于改进的性能、不断下降的失败率，特别是在低成本逆变器开发方面的进展，对逆变器的性能和使用寿命有了很大的提高，因此对PV系统有更好的应用前景。在研究的优先事项中，逆变器的寿命延长到2013年至少要20年，到2020年达到30年。
逆变器和电网之间的交互,在交流方面,逆变器和光伏阵列,在直流端,分析以识别技术需要允许降低成本,提高效率,提高光伏系统的可靠性/可用性。在其他方面，在本文的第3部分和第4部分中，讨论了与IS着陆现象和MPPT效率有关的可靠性问题。
第三部分 人工智能方法的可靠性
当光伏逆变器在电网被绊倒后不断开连接，就会出现在电网连接的光伏系统上。在当地的荷载作用下的作业可能会有严重的问题。作为公用事业线工人的安全隐患在网络中，断开的线路。因此,ANTIISLANDING(AI)衡量标准是通过标准实施的。
A.标准
1574.1-2005 29是IEEE STD的后续。1574-2003描述了人工智能测试的测试程序。它要求光伏逆变器在额定负载下，通过并联RLC电路和一个谐振LC电路（P）和无功（Q）并联，并与电网在电网频率上产生共鸣，而质量因数等于1。独立完成探测时间限制为2秒。
VDE 0126-1-2006-2006 30是德国标准VDE 0126的最新后续研究。它需要第一个选项，检测到在局部平衡的P和Q条件下增加的网格阻抗。作为第二个选择，可以选择与IEEE 1574.1相似的需求。
在2004年的世界选举中，一项将这些标准统一起来的试验正在进行中。这是一个很好的倡议，在IEEE1547.1.1中引用，但是要让所有国家采纳并替换他们自己的规定需要一些时间。
人工智能方法的可靠性可以用非检测区（NDZ）来表示，在一个电源失配空间（P与Q）的点上，在普通耦合（PCC）中，在那里是无法检测到的，并且有可能进行寄生旅行。同时，讨论了并联逆变器的功率质量下降和适宜性。人工智能方法可以分为两种基本类型：被动和主动的类型。
B .被动的人工智能方法
被动方法是基于对一个电源系统参数变化或变化率的检测。电网的损失将导致系统电压、相位或频率的“可检测”变化，因为电源失配、P和Q在PCC。
最相关的被动人工智能方法如下。超/低频率（乌夫）-超/低电压（OUV）：电压和频率监测通常用于在OUV或乌夫的情况下对逆变器进行访问，因此，IS着陆检测，采用快速电压监测技术，对电网背景谐波和干扰进行了分析，分析了不同的锁相环（PLL）结构，并在处提出了一种频率自适应的PLL方案。
电压谐波检测:LISERRE等人的研究是基于这样一种观点，即由于阻抗的增加，产生的电流谐波会导致“可检测”的更大的电压谐波。
相位跳检：鲍尔和罗普的研究发现了逆变端电压与输出电流之间的相位差异，通常是由于功率不平衡导致的。通过计算电流的速度和电压的慢波来检测相位跃变。
被动AI方法的可靠性是有限的，因为小功率不平衡总是存在一个非零的NDZ。因此，被动方法常常与主动AI方法相结合。
C .
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