影響新能源發電設備可靠性的主要因素分析

中國三峽新能源（集團）股份有限公司山東分公司 尹 波

1 新能源發電設備可靠性的價值體現

保障新能源發電設備可靠性的目標在于兩方面：一是希望能夠切實提升電網運行的穩定性；二是給電網及電力公司削減運行成本，充分發揮其經濟效益作用。其具體價值體現為四個方面：

新能源發電設備具備經濟價值。從電網運行角度來分析，新能源發電設備可起到調節峰谷、緩解新能源發電所帶來的沖擊；能夠協調峰谷電價與電力需求的關系。當前我國新能源發電占比相對較小，因此制定峰谷電價時不需將新能源發電的影響納入其中。峰谷電價本身和電力需求間呈正相關，而通過可靠的新能源發電設備則能對兩者進行協調優化。當新能源發電占據相當比例時，則兩者的作用將促使電力需求結構隨之變化，如新能源發電本身不需要核算燃料成本，這方面運行成本可忽略[1]。

可協助電網進行調頻調峰，具體可在電網容量不變的情況下有效提升新能源的消納能力，但在市場交易中難以體現外部性，因此需借助補貼方式進行調整；將促進新能源產業發展。通過新能源發電設備的運用能極大的推動可再生能源的發展，因此整個過程需做好充分的扶持和政策補貼。尤其是在技術研發的前期階段，通常因專業技術水平和市場發展規模的限制，導致新能源發電設備可靠性收益難以抵銷其成本。所以，需依托政策支持、財政補貼等措施加以支撐。

2 影響新能源發電設備可靠性的主要因素

新能源發電設備可靠性的影響因素有很多，從作用原理角度分析具體可細分為三方面：一是設備自身因素，包含設備制造缺陷、設備老化等；二是外部環境因素，涵蓋外部自然環境、自然災害等；三是設備運行工況，包括設備電流電壓運行過載等。

2.1 主要影響因素的原理

影響新能源發電設備可靠性的主要因素在原理上主要如下。

新能源發電設備本身運行特性導致其很容易受到來自天氣條件的影響，從而影響其安全可靠運行。尤其是在一些惡劣、極端類天氣情況下，設備出現停運的概率非常大；設備在運行當中，當輸入的風速明顯小于切入風速或大于切出風速時，則通常風電機組自身輸出功率將由此歸零，由此就相當于機組本身陷入停運狀態。而當風電場氣溫明顯偏高或偏低時，相應的風機也將隨之受到影響，因此外部環境當中的溫濕度、風速等都將影響到設備的穩定運行乃至引發故障等[2]。

當新能源發電設備出現過電壓、電流乃至欠電壓時，將由此增大設備故障發生概率，或觸動保護裝置發生前置反應，從而致使設備停止運行。可見新能源發電設備運行受限的主要影響因素在于天氣、風速、溫濕度及設備本身運行工況等。結合具體原理，具體計算上，Δλwt1(k)表示天氣因素的指標增量、Δλwt2(v)表示環境因素的指標增量、Δλwt3(U)和Δλwt4(f)表示設備運行工況的指標增量。

2.2 天氣因素的指標計算方式

新能源發電設備本身屬于外露型設備，在實際運行中的主要功能性部件整體處于室外環境中，因此很容易受到復雜的天氣因素影響，其發生故障的概率也因此和天氣因素密切相關。這種故障發生概率主要指發電設備處于異常天氣狀態下時，設備故障概率將隨之增加，因此將其值設定為Δλwt1，在天氣正常狀態時設定為Δλwt1=0。

在此進行假設，天氣細分為正常、惡劣、災變三種可預計狀態，在此基礎上結合實際數據統計可得出正常天氣維持時間T，惡劣天氣維持時間S1、災變天氣維持時間S2，惡劣天氣下故障產生次數占比F1、災變天氣下故障次數占比F2。新能源發電設備的平均故障率需由三種天氣下的故障率進行權重計算求和，其中權重系數為不同天氣的維持時間比例，如正常天氣下為N/(N+S1+S2)。此外三種天氣下新能源發電設備的不同故障率存在一定的比例關系，同時和不同天氣下的故障次數占比和維持時間呈正相關。綜合以上條件可計算出不同天氣下的故障增量值。

2.3 環境因素的計算方式

環境因素所包含的溫度對新能源發電設備的影響較為復雜，通常溫度影響都是溫度間接引導致發電設備停運。因此，針對環境因素的計算就需搭建溫度和設備故障的關系模型。

首先，設備本身的可靠性數值在模型中和外部條件并不關聯，可作為明確定值。但風速和風載荷對設備風機葉片的影響較為明顯，因此此類零部件出現故障的概率也相對較高。這就需在故障模型中納入風載荷這一影響指標。設備本身受載荷和適時風速呈正相關，且緊隨風載荷的持續增大其引發故障的概率也將不斷攀升。風機本身風載荷影響因素在于重力、風速及控制幾個方面，通常因為控制方式的未知性將控制方式排除在外。目前學術界已有學者提出風機載荷和風壓呈現出一定相關性，也即是風壓和風速呈二次關系。

其次，當發電設備的載荷持續增大則設備振動將隨之增強，葉片本身受力也將隨之增大。最終將致使設備運行停機。當前針對新能源發電設備在零部件故障率和所受載荷間關系方面仍缺乏統一認定。因此假設發電設備機械故障概率和風載荷具備一定相關性，則故障率則為風速的二次函數，在風速大于切出風速或小于切入風速時設備的出力將為0；而當風速大于切出風速、小于切入風速時則設備故障率可忽略不計。

最后，設備載荷和風壓具備一定相關性，由風速引發的故障率可用Δλ2(v)表示。在此作出假設：當風速為切入風速vc1時則Δλ2(vc1)=0；當風速是切出風速的v∞時則Δλ2(v∞)=λmax。因此需搭建環境因素的設備停運率和風速間的關系模型，由此來推算和風速平方呈線性關系。

2.4 設備運行工況因素的計算方式

主要指發電設備故障率，表示電網運行偏離基準線，以Δλwt3(U)表示。當其中電壓U處于基準線時則Δλwt3(U)=0。在此假設新能源發電設備安全穩定運行的電壓范圍為Ukin，Ukmax倍額定電壓，在此背景下，當電壓值大于Ukmax（p，u）但小于保護動作整定值Udz+時、或小于Ukin（p，u）但大于保護動作整定值Udz-時，則可由此假定設備故障率和運行電壓間呈線性關系。因此基于電網電壓的發電設備故障發生率以式（1）表示。式中Uds-與Uds+分別表示電壓保護的上限和下限值，而Δλ3(Uds-)和Δλ3(Uds+)則分別表示電壓保護上限與下限值的故障率增量范圍。這一數值可依托設備以往的故障數據進行統計核算，一旦歷史故障數據偏少或難以進行統計可選用標準值進行替換，通常是平均故障率的4～6倍范圍。

同樣可假設故障率和頻率具備一定相關性，因此可建立基于頻率的設備故障率模型，該模型建立可依照式（1）進行構建，同時設定參數如下：設備穩定運行頻率范圍設定為[49.5,50.5]的范疇，低頻和高頻保護的取值范圍在fdz-和fdz+；頻率保護上下限整定值故障率增量為Δλ3(fdz-)和Δλ3(fdz+)，這一數值可借助統計歷史故障數據得出，一旦歷史故障數據偏少或難以進行統計可選用標準值進行替換，通常是平均故障發生率的4～6倍范圍。

3 新能源發電設備可靠性提升舉措

加強變槳系統的優化設計。新能源發電設備（風電領域）中，變槳系統處于設備旋轉輪轂中，其相比其他零部件所接觸的環境包含極端溫濕度、振動等都對發電設備本身造成一定影響。雖然編輯系統在整體投資中所占比例不足3%，但由于變槳系統引發的停機、停運時間達到總故障時間的四分之一。因此須加強對變槳系統的優化設計，具體可采用高度集成化的穆格變槳系統，該系統優勢明顯，內涵零部件大幅度簡化，但可靠性高于其他變槳系統的三倍以上。其能有效降低停機停運時間，同時可減少計劃檢修及定期維護的工作量。可見，強化對變槳系統的優化設計將有效降低故障率及停機停運時間，重復提升系統運行生產效能，保障其市場競爭力[3]。

打造完善產業鏈體系。新能源發電設備本身可靠性不僅影響電網安全、穩定運行，同時還影響了新能源對舊能源替代性的提升，更是影響到相關工作人員生命及財產安全。為此須將發電設備可靠性置于首位，強化產品研發戰略，從根本層面保障設備的質量及穩定。在此背景下，國家多數先進的能源科研機構開始不斷增強多方開發合作模式，由此達成發電設備在設計、制造及運營等各方面可靠性的攀升，打造出完善的產業鏈體系。

制定和推行全生命周期保障方案。完善的產業鏈體系保障了新能源發電設備的先天可靠性，而設備在安裝運行后的維護服務工作則是后天保證其安全可靠性的重要保障。需針對新能源發電設備制定和推行全生命周期保障方案，將新能源發電塑造成為設備制造為基礎、產業化增值服務為發展路線的企業類型，這樣才能切實保障新能源發電設備的運行。具體需充分運用先進技術手段，如智慧技術來打造全新的智慧平臺，強化功率預測、能源管理、風機監控、全生命周期管理及在線故障檢測等功能。

綜上，必須強化對市場機制設計，做好價格杠桿應用、補貼政策推行及產業發展規劃等一系列工作，由此才能促使新能源發電設備可靠性的攀升，最終達成電網穩定運行和盈利的雙重目標。