影响新能源发电设备可靠性的主要因素分析

中国三峡新能源（集团）股份有限公司山东分公司 尹 波

1 新能源发电设备可靠性的价值体现

保障新能源发电设备可靠性的目标在于两方面：一是希望能够切实提升电网运行的稳定性；二是给电网及电力公司削减运行成本，充分发挥其经济效益作用。其具体价值体现为四个方面：

新能源发电设备具备经济价值。从电网运行角度来分析，新能源发电设备可起到调节峰谷、缓解新能源发电所带来的冲击；能够协调峰谷电价与电力需求的关系。当前我国新能源发电占比相对较小，因此制定峰谷电价时不需将新能源发电的影响纳入其中。峰谷电价本身和电力需求间呈正相关，而通过可靠的新能源发电设备则能对两者进行协调优化。当新能源发电占据相当比例时，则两者的作用将促使电力需求结构随之变化，如新能源发电本身不需要核算燃料成本，这方面运行成本可忽略[1]。

可协助电网进行调频调峰，具体可在电网容量不变的情况下有效提升新能源的消纳能力，但在市场交易中难以体现外部性，因此需借助补贴方式进行调整；将促进新能源产业发展。通过新能源发电设备的运用能极大的推动可再生能源的发展，因此整个过程需做好充分的扶持和政策补贴。尤其是在技术研发的前期阶段，通常因专业技术水平和市场发展规模的限制，导致新能源发电设备可靠性收益难以抵销其成本。所以，需依托政策支持、财政补贴等措施加以支撑。

2 影响新能源发电设备可靠性的主要因素

新能源发电设备可靠性的影响因素有很多，从作用原理角度分析具体可细分为三方面：一是设备自身因素，包含设备制造缺陷、设备老化等；二是外部环境因素，涵盖外部自然环境、自然灾害等；三是设备运行工况，包括设备电流电压运行过载等。

2.1 主要影响因素的原理

影响新能源发电设备可靠性的主要因素在原理上主要如下。

新能源发电设备本身运行特性导致其很容易受到来自天气条件的影响，从而影响其安全可靠运行。尤其是在一些恶劣、极端类天气情况下，设备出现停运的概率非常大；设备在运行当中，当输入的风速明显小于切入风速或大于切出风速时，则通常风电机组自身输出功率将由此归零，由此就相当于机组本身陷入停运状态。而当风电场气温明显偏高或偏低时，相应的风机也将随之受到影响，因此外部环境当中的温湿度、风速等都将影响到设备的稳定运行乃至引发故障等[2]。

当新能源发电设备出现过电压、电流乃至欠电压时，将由此增大设备故障发生概率，或触动保护装置发生前置反应，从而致使设备停止运行。可见新能源发电设备运行受限的主要影响因素在于天气、风速、温湿度及设备本身运行工况等。结合具体原理，具体计算上，Δλwt1(k)表示天气因素的指标增量、Δλwt2(v)表示环境因素的指标增量、Δλwt3(U)和Δλwt4(f)表示设备运行工况的指标增量。

2.2 天气因素的指标计算方式

新能源发电设备本身属于外露型设备，在实际运行中的主要功能性部件整体处于室外环境中，因此很容易受到复杂的天气因素影响，其发生故障的概率也因此和天气因素密切相关。这种故障发生概率主要指发电设备处于异常天气状态下时，设备故障概率将随之增加，因此将其值设定为Δλwt1，在天气正常状态时设定为Δλwt1=0。

在此进行假设，天气细分为正常、恶劣、灾变三种可预计状态，在此基础上结合实际数据统计可得出正常天气维持时间T，恶劣天气维持时间S1、灾变天气维持时间S2，恶劣天气下故障产生次数占比F1、灾变天气下故障次数占比F2。新能源发电设备的平均故障率需由三种天气下的故障率进行权重计算求和，其中权重系数为不同天气的维持时间比例，如正常天气下为N/(N+S1+S2)。此外三种天气下新能源发电设备的不同故障率存在一定的比例关系，同时和不同天气下的故障次数占比和维持时间呈正相关。综合以上条件可计算出不同天气下的故障增量值。

2.3 环境因素的计算方式

环境因素所包含的温度对新能源发电设备的影响较为复杂，通常温度影响都是温度间接引导致发电设备停运。因此，针对环境因素的计算就需搭建温度和设备故障的关系模型。

首先，设备本身的可靠性数值在模型中和外部条件并不关联，可作为明确定值。但风速和风载荷对设备风机叶片的影响较为明显，因此此类零部件出现故障的概率也相对较高。这就需在故障模型中纳入风载荷这一影响指标。设备本身受载荷和适时风速呈正相关，且紧随风载荷的持续增大其引发故障的概率也将不断攀升。风机本身风载荷影响因素在于重力、风速及控制几个方面，通常因为控制方式的未知性将控制方式排除在外。目前学术界已有学者提出风机载荷和风压呈现出一定相关性，也即是风压和风速呈二次关系。

其次，当发电设备的载荷持续增大则设备振动将随之增强，叶片本身受力也将随之增大。最终将致使设备运行停机。当前针对新能源发电设备在零部件故障率和所受载荷间关系方面仍缺乏统一认定。因此假设发电设备机械故障概率和风载荷具备一定相关性，则故障率则为风速的二次函数，在风速大于切出风速或小于切入风速时设备的出力将为0；而当风速大于切出风速、小于切入风速时则设备故障率可忽略不计。

最后，设备载荷和风压具备一定相关性，由风速引发的故障率可用Δλ2(v)表示。在此作出假设：当风速为切入风速vc1时则Δλ2(vc1)=0；当风速是切出风速的v∞时则Δλ2(v∞)=λmax。因此需搭建环境因素的设备停运率和风速间的关系模型，由此来推算和风速平方呈线性关系。

2.4 设备运行工况因素的计算方式

主要指发电设备故障率，表示电网运行偏离基准线，以Δλwt3(U)表示。当其中电压U处于基准线时则Δλwt3(U)=0。在此假设新能源发电设备安全稳定运行的电压范围为Ukin，Ukmax倍额定电压，在此背景下，当电压值大于Ukmax（p，u）但小于保护动作整定值Udz+时、或小于Ukin（p，u）但大于保护动作整定值Udz-时，则可由此假定设备故障率和运行电压间呈线性关系。因此基于电网电压的发电设备故障发生率以式（1）表示。式中Uds-与Uds+分别表示电压保护的上限和下限值，而Δλ3(Uds-)和Δλ3(Uds+)则分别表示电压保护上限与下限值的故障率增量范围。这一数值可依托设备以往的故障数据进行统计核算，一旦历史故障数据偏少或难以进行统计可选用标准值进行替换，通常是平均故障率的4～6倍范围。

同样可假设故障率和频率具备一定相关性，因此可建立基于频率的设备故障率模型，该模型建立可依照式（1）进行构建，同时设定参数如下：设备稳定运行频率范围设定为[49.5,50.5]的范畴，低频和高频保护的取值范围在fdz-和fdz+；频率保护上下限整定值故障率增量为Δλ3(fdz-)和Δλ3(fdz+)，这一数值可借助统计历史故障数据得出，一旦历史故障数据偏少或难以进行统计可选用标准值进行替换，通常是平均故障发生率的4～6倍范围。

3 新能源发电设备可靠性提升举措

加强变桨系统的优化设计。新能源发电设备（风电领域）中，变桨系统处于设备旋转轮毂中，其相比其他零部件所接触的环境包含极端温湿度、振动等都对发电设备本身造成一定影响。虽然编辑系统在整体投资中所占比例不足3%，但由于变桨系统引发的停机、停运时间达到总故障时间的四分之一。因此须加强对变桨系统的优化设计，具体可采用高度集成化的穆格变桨系统，该系统优势明显，内涵零部件大幅度简化，但可靠性高于其他变桨系统的三倍以上。其能有效降低停机停运时间，同时可减少计划检修及定期维护的工作量。可见，强化对变桨系统的优化设计将有效降低故障率及停机停运时间，重复提升系统运行生产效能，保障其市场竞争力[3]。

打造完善产业链体系。新能源发电设备本身可靠性不仅影响电网安全、稳定运行，同时还影响了新能源对旧能源替代性的提升，更是影响到相关工作人员生命及财产安全。为此须将发电设备可靠性置于首位，强化产品研发战略，从根本层面保障设备的质量及稳定。在此背景下，国家多数先进的能源科研机构开始不断增强多方开发合作模式，由此达成发电设备在设计、制造及运营等各方面可靠性的攀升，打造出完善的产业链体系。

制定和推行全生命周期保障方案。完善的产业链体系保障了新能源发电设备的先天可靠性，而设备在安装运行后的维护服务工作则是后天保证其安全可靠性的重要保障。需针对新能源发电设备制定和推行全生命周期保障方案，将新能源发电塑造成为设备制造为基础、产业化增值服务为发展路线的企业类型，这样才能切实保障新能源发电设备的运行。具体需充分运用先进技术手段，如智慧技术来打造全新的智慧平台，强化功率预测、能源管理、风机监控、全生命周期管理及在线故障检测等功能。

综上，必须强化对市场机制设计，做好价格杠杆应用、补贴政策推行及产业发展规划等一系列工作，由此才能促使新能源发电设备可靠性的攀升，最终达成电网稳定运行和盈利的双重目标。