影響新能源發(fā)電設(shè)備可靠性的主要因素分析

中國(guó)三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司山東分公司 尹 波

1 新能源發(fā)電設(shè)備可靠性的價(jià)值體現(xiàn)

保障新能源發(fā)電設(shè)備可靠性的目標(biāo)在于兩方面：一是希望能夠切實(shí)提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；二是給電網(wǎng)及電力公司削減運(yùn)行成本，充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益作用。其具體價(jià)值體現(xiàn)為四個(gè)方面：

新能源發(fā)電設(shè)備具備經(jīng)濟(jì)價(jià)值。從電網(wǎng)運(yùn)行角度來(lái)分析，新能源發(fā)電設(shè)備可起到調(diào)節(jié)峰谷、緩解新能源發(fā)電所帶來(lái)的沖擊；能夠協(xié)調(diào)峰谷電價(jià)與電力需求的關(guān)系。當(dāng)前我國(guó)新能源發(fā)電占比相對(duì)較小，因此制定峰谷電價(jià)時(shí)不需將新能源發(fā)電的影響納入其中。峰谷電價(jià)本身和電力需求間呈正相關(guān)，而通過(guò)可靠的新能源發(fā)電設(shè)備則能對(duì)兩者進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。當(dāng)新能源發(fā)電占據(jù)相當(dāng)比例時(shí)，則兩者的作用將促使電力需求結(jié)構(gòu)隨之變化，如新能源發(fā)電本身不需要核算燃料成本，這方面運(yùn)行成本可忽略[1]。

可協(xié)助電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻調(diào)峰，具體可在電網(wǎng)容量不變的情況下有效提升新能源的消納能力，但在市場(chǎng)交易中難以體現(xiàn)外部性，因此需借助補(bǔ)貼方式進(jìn)行調(diào)整；將促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過(guò)新能源發(fā)電設(shè)備的運(yùn)用能極大的推動(dòng)可再生能源的發(fā)展，因此整個(gè)過(guò)程需做好充分的扶持和政策補(bǔ)貼。尤其是在技術(shù)研發(fā)的前期階段，通常因?qū)I(yè)技術(shù)水平和市場(chǎng)發(fā)展規(guī)模的限制，導(dǎo)致新能源發(fā)電設(shè)備可靠性收益難以抵銷(xiāo)其成本。所以，需依托政策支持、財(cái)政補(bǔ)貼等措施加以支撐。

2 影響新能源發(fā)電設(shè)備可靠性的主要因素

新能源發(fā)電設(shè)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(xì)分為三方面：一是設(shè)備自身因素，包含設(shè)備制造缺陷、設(shè)備老化等；二是外部環(huán)境因素，涵蓋外部自然環(huán)境、自然災(zāi)害等；三是設(shè)備運(yùn)行工況，包括設(shè)備電流電壓運(yùn)行過(guò)載等。

2.1 主要影響因素的原理

影響新能源發(fā)電設(shè)備可靠性的主要因素在原理上主要如下。

新能源發(fā)電設(shè)備本身運(yùn)行特性導(dǎo)致其很容易受到來(lái)自天氣條件的影響，從而影響其安全可靠運(yùn)行。尤其是在一些惡劣、極端類(lèi)天氣情況下，設(shè)備出現(xiàn)停運(yùn)的概率非常大；設(shè)備在運(yùn)行當(dāng)中，當(dāng)輸入的風(fēng)速明顯小于切入風(fēng)速或大于切出風(fēng)速時(shí)，則通常風(fēng)電機(jī)組自身輸出功率將由此歸零，由此就相當(dāng)于機(jī)組本身陷入停運(yùn)狀態(tài)。而當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)氣溫明顯偏高或偏低時(shí)，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)也將隨之受到影響，因此外部環(huán)境當(dāng)中的溫濕度、風(fēng)速等都將影響到設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行乃至引發(fā)故障等[2]。

當(dāng)新能源發(fā)電設(shè)備出現(xiàn)過(guò)電壓、電流乃至欠電壓時(shí)，將由此增大設(shè)備故障發(fā)生概率，或觸動(dòng)保護(hù)裝置發(fā)生前置反應(yīng)，從而致使設(shè)備停止運(yùn)行。可見(jiàn)新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行受限的主要影響因素在于天氣、風(fēng)速、溫濕度及設(shè)備本身運(yùn)行工況等。結(jié)合具體原理，具體計(jì)算上，Δλwt1(k)表示天氣因素的指標(biāo)增量、Δλwt2(v)表示環(huán)境因素的指標(biāo)增量、Δλwt3(U)和Δλwt4(f)表示設(shè)備運(yùn)行工況的指標(biāo)增量。

2.2 天氣因素的指標(biāo)計(jì)算方式

新能源發(fā)電設(shè)備本身屬于外露型設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行中的主要功能性部件整體處于室外環(huán)境中，因此很容易受到復(fù)雜的天氣因素影響，其發(fā)生故障的概率也因此和天氣因素密切相關(guān)。這種故障發(fā)生概率主要指發(fā)電設(shè)備處于異常天氣狀態(tài)下時(shí)，設(shè)備故障概率將隨之增加，因此將其值設(shè)定為Δλwt1，在天氣正常狀態(tài)時(shí)設(shè)定為Δλwt1=0。

在此進(jìn)行假設(shè)，天氣細(xì)分為正常、惡劣、災(zāi)變?nèi)N可預(yù)計(jì)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得出正常天氣維持時(shí)間T，惡劣天氣維持時(shí)間S1、災(zāi)變天氣維持時(shí)間S2，惡劣天氣下故障產(chǎn)生次數(shù)占比F1、災(zāi)變天氣下故障次數(shù)占比F2。新能源發(fā)電設(shè)備的平均故障率需由三種天氣下的故障率進(jìn)行權(quán)重計(jì)算求和，其中權(quán)重系數(shù)為不同天氣的維持時(shí)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(fā)電設(shè)備的不同故障率存在一定的比例關(guān)系，同時(shí)和不同天氣下的故障次數(shù)占比和維持時(shí)間呈正相關(guān)。綜合以上條件可計(jì)算出不同天氣下的故障增量值。

2.3 環(huán)境因素的計(jì)算方式

環(huán)境因素所包含的溫度對(duì)新能源發(fā)電設(shè)備的影響較為復(fù)雜，通常溫度影響都是溫度間接引導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備停運(yùn)。因此，針對(duì)環(huán)境因素的計(jì)算就需搭建溫度和設(shè)備故障的關(guān)系模型。

首先，設(shè)備本身的可靠性數(shù)值在模型中和外部條件并不關(guān)聯(lián)，可作為明確定值。但風(fēng)速和風(fēng)載荷對(duì)設(shè)備風(fēng)機(jī)葉片的影響較為明顯，因此此類(lèi)零部件出現(xiàn)故障的概率也相對(duì)較高。這就需在故障模型中納入風(fēng)載荷這一影響指標(biāo)。設(shè)備本身受載荷和適時(shí)風(fēng)速呈正相關(guān)，且緊隨風(fēng)載荷的持續(xù)增大其引發(fā)故障的概率也將不斷攀升。風(fēng)機(jī)本身風(fēng)載荷影響因素在于重力、風(fēng)速及控制幾個(gè)方面，通常因?yàn)榭刂品绞降奈粗詫⒖刂品绞脚懦谕?。目前學(xué)術(shù)界已有學(xué)者提出風(fēng)機(jī)載荷和風(fēng)壓呈現(xiàn)出一定相關(guān)性，也即是風(fēng)壓和風(fēng)速呈二次關(guān)系。

其次，當(dāng)發(fā)電設(shè)備的載荷持續(xù)增大則設(shè)備振動(dòng)將隨之增強(qiáng)，葉片本身受力也將隨之增大。最終將致使設(shè)備運(yùn)行停機(jī)。當(dāng)前針對(duì)新能源發(fā)電設(shè)備在零部件故障率和所受載荷間關(guān)系方面仍缺乏統(tǒng)一認(rèn)定。因此假設(shè)發(fā)電設(shè)備機(jī)械故障概率和風(fēng)載荷具備一定相關(guān)性，則故障率則為風(fēng)速的二次函數(shù)，在風(fēng)速大于切出風(fēng)速或小于切入風(fēng)速時(shí)設(shè)備的出力將為0；而當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速、小于切入風(fēng)速時(shí)則設(shè)備故障率可忽略不計(jì)。

最后，設(shè)備載荷和風(fēng)壓具備一定相關(guān)性，由風(fēng)速引發(fā)的故障率可用Δλ2(v)表示。在此作出假設(shè)：當(dāng)風(fēng)速為切入風(fēng)速vc1時(shí)則Δλ2(vc1)=0；當(dāng)風(fēng)速是切出風(fēng)速的v∞時(shí)則Δλ2(v∞)=λmax。因此需搭建環(huán)境因素的設(shè)備停運(yùn)率和風(fēng)速間的關(guān)系模型，由此來(lái)推算和風(fēng)速平方呈線(xiàn)性關(guān)系。

2.4 設(shè)備運(yùn)行工況因素的計(jì)算方式

主要指發(fā)電設(shè)備故障率，表示電網(wǎng)運(yùn)行偏離基準(zhǔn)線(xiàn)，以Δλwt3(U)表示。當(dāng)其中電壓U處于基準(zhǔn)線(xiàn)時(shí)則Δλwt3(U)=0。在此假設(shè)新能源發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的電壓范圍為Ukin，Ukmax倍額定電壓，在此背景下，當(dāng)電壓值大于Ukmax（p，u）但小于保護(hù)動(dòng)作整定值Udz+時(shí)、或小于Ukin（p，u）但大于保護(hù)動(dòng)作整定值Udz-時(shí)，則可由此假定設(shè)備故障率和運(yùn)行電壓間呈線(xiàn)性關(guān)系。因此基于電網(wǎng)電壓的發(fā)電設(shè)備故障發(fā)生率以式（1）表示。式中Uds-與Uds+分別表示電壓保護(hù)的上限和下限值，而Δλ3(Uds-)和Δλ3(Uds+)則分別表示電壓保護(hù)上限與下限值的故障率增量范圍。這一數(shù)值可依托設(shè)備以往的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)核算，一旦歷史故障數(shù)據(jù)偏少或難以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可選用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行替換，通常是平均故障率的4～6倍范圍。

同樣可假設(shè)故障率和頻率具備一定相關(guān)性，因此可建立基于頻率的設(shè)備故障率模型，該模型建立可依照式（1）進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)設(shè)定參數(shù)如下：設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行頻率范圍設(shè)定為[49.5,50.5]的范疇，低頻和高頻保護(hù)的取值范圍在fdz-和fdz+；頻率保護(hù)上下限整定值故障率增量為Δλ3(fdz-)和Δλ3(fdz+)，這一數(shù)值可借助統(tǒng)計(jì)歷史故障數(shù)據(jù)得出，一旦歷史故障數(shù)據(jù)偏少或難以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可選用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行替換，通常是平均故障發(fā)生率的4～6倍范圍。

3 新能源發(fā)電設(shè)備可靠性提升舉措

加強(qiáng)變槳系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。新能源發(fā)電設(shè)備（風(fēng)電領(lǐng)域）中，變槳系統(tǒng)處于設(shè)備旋轉(zhuǎn)輪轂中，其相比其他零部件所接觸的環(huán)境包含極端溫濕度、振動(dòng)等都對(duì)發(fā)電設(shè)備本身造成一定影響。雖然編輯系統(tǒng)在整體投資中所占比例不足3%，但由于變槳系統(tǒng)引發(fā)的停機(jī)、停運(yùn)時(shí)間達(dá)到總故障時(shí)間的四分之一。因此須加強(qiáng)對(duì)變槳系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體可采用高度集成化的穆格變槳系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，內(nèi)涵零部件大幅度簡(jiǎn)化，但可靠性高于其他變槳系統(tǒng)的三倍以上。其能有效降低停機(jī)停運(yùn)時(shí)間，同時(shí)可減少計(jì)劃?rùn)z修及定期維護(hù)的工作量。可見(jiàn)，強(qiáng)化對(duì)變槳系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將有效降低故障率及停機(jī)停運(yùn)時(shí)間，重復(fù)提升系統(tǒng)運(yùn)行生產(chǎn)效能，保障其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

打造完善產(chǎn)業(yè)鏈體系。新能源發(fā)電設(shè)備本身可靠性不僅影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還影響了新能源對(duì)舊能源替代性的提升，更是影響到相關(guān)工作人員生命及財(cái)產(chǎn)安全。為此須將發(fā)電設(shè)備可靠性置于首位，強(qiáng)化產(chǎn)品研發(fā)戰(zhàn)略，從根本層面保障設(shè)備的質(zhì)量及穩(wěn)定。在此背景下，國(guó)家多數(shù)先進(jìn)的能源科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始不斷增強(qiáng)多方開(kāi)發(fā)合作模式，由此達(dá)成發(fā)電設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)營(yíng)等各方面可靠性的攀升，打造出完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系。

制定和推行全生命周期保障方案。完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系保障了新能源發(fā)電設(shè)備的先天可靠性，而設(shè)備在安裝運(yùn)行后的維護(hù)服務(wù)工作則是后天保證其安全可靠性的重要保障。需針對(duì)新能源發(fā)電設(shè)備制定和推行全生命周期保障方案，將新能源發(fā)電塑造成為設(shè)備制造為基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)化增值服務(wù)為發(fā)展路線(xiàn)的企業(yè)類(lèi)型，這樣才能切實(shí)保障新能源發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行。具體需充分運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)手段，如智慧技術(shù)來(lái)打造全新的智慧平臺(tái)，強(qiáng)化功率預(yù)測(cè)、能源管理、風(fēng)機(jī)監(jiān)控、全生命周期管理及在線(xiàn)故障檢測(cè)等功能。

綜上，必須強(qiáng)化對(duì)市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)，做好價(jià)格杠桿應(yīng)用、補(bǔ)貼政策推行及產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等一系列工作，由此才能促使新能源發(fā)電設(shè)備可靠性的攀升，最終達(dá)成電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和盈利的雙重目標(biāo)。