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基于机器学习的光伏逆变器可靠性评估及其告警-环境变异性的考虑

Machine Learning-Driven Reliability Estimation of PV Inverters Considering Alert-Ambient Variability

作者 Sukanta Roy · Alexander Stevenson · Shahid Tufail · Hugo Riggs · Mohd Tariq · Arif Sarwat
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2024年12月
技术分类 光伏发电技术
技术标签 光伏逆变器 储能系统 可靠性分析 机器学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 光伏逆变器 可靠性评估 机器学习算法 环境因素 性能可靠性模型
语言:

中文摘要

摘要:天气引发的时空劣化限制了户外光伏逆变器的使用寿命和可靠性,因此需要进行先进的数据分析。本研究采用自上而下、数据驱动的方法,利用多种机器学习(ML)算法来评估一座1.4兆瓦光伏电站中逆变器的可靠性,同时考虑了辐照度、湿度、温度、一天中的时间以及天气状况等因素。来自17台相同逆变器的大量警报数据集,包括警报类型、传播情况和发生频率,揭示了其与环境因素和逆变器输出功率之间的显著相关性,从而能够构建性能可靠性模型。对双阶段监督式机器学习模型的准确性进行了评估,其中人工神经网络(ANN)的“分类 - 回归”模型在平均“警报 - 环境”数据集上进行了测试,但使用随机森林(RF)和K近邻(KNN)的“聚类 - 回归”模型在单个逆变器数据集上的表现优于前者。K均值聚类应用主成分分析进行降维,在平均数据集上实现了超过人工神经网络80%的准确率。第二阶段的回归分析对逆变器可靠性进行了估计,在平均数据集上的均方误差为0.0195,而使用随机森林在单个逆变器数据集上的均方误差低至0.002。这些研究结果表明,该方法适用于评估环境条件下光伏逆变器输出的可靠性,这对于数字孪生技术的发展及相关应用至关重要。

English Abstract

Weather-induced spatio-temporal degradation limits outdoor PV inverter lifetime and reliability, necessitating advanced data analysis. This study employs a top-down, data-driven approach utilizing multiple machine learning (ML) algorithms to estimate inverter reliability in a 1.4 MW PV power plant, considering factors such as irradiance, humidity, temperature, time of day, and weather conditions. An extensive alert dataset from 17 identical inverters, including alert types, propagation, and frequency, reveals significant correlations with environmental factors and inverter output power, enabling the construction of a performance reliability model. Dual-stage supervised-ML models are evaluated for accuracy, with the ‘classification-regression’ model by an artificial neural network (ANN) tested on the averaged “Alert-Ambient” dataset, which is outperformed by ‘clustering-regression’ models using random forest (RF) and K-Nearest Neighbors (KNN) on individual inverter datasets. K-means clustering applies principal component analysis to reduce dimensions, achieving improved accuracy beyond the 80% achieved by ANN on the averaged dataset. Second-stage regression estimates inverter reliability with a mean square error of 0.0195 on the averaged dataset and as low as 0.002 on individual inverter datasets using RF. These findings highlight the method's suitability for estimating PV inverter output reliability under ambient conditions, essential for digital twin development and related applications.
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SunView 深度解读

该机器学习驱动的可靠性评估技术对阳光电源SG系列光伏逆变器及ST储能变流器产品线具有重要应用价值。研究提出的告警-环境变异性分析框架可直接集成至iSolarCloud智能运维平台,通过融合温湿度、辐照度等多源环境参数与现场告警数据,实现对户外逆变器的精准寿命预测与预测性维护。该方法可优化阳光电源现有的智能诊断系统,针对不同气候区域(高温高湿、沙漠、高海拔等)的SG逆变器制定差异化运维策略,降低MTTR(平均修复时间),提升MTBF(平均故障间隔时间)。特别是对于PowerTitan大型储能系统的长期可靠性管理,该数据驱动框架能有效量化环境应力对功率模块、电容等关键部件的退化影响,为产品设计改进和质保策略优化提供数据支撑。