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(fā)電設備可靠性的價值體現(xiàn)

保障新能源發(fā)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(wǎng)運行的穩(wěn)定性；二是給電網(wǎng)及電力公司削減運行成本，充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益作用。其具體價值體現(xiàn)為四個方面：

新能源發(fā)電設備具備經(jīng)濟價值。從電網(wǎng)運行角度來分析，新能源發(fā)電設備可起到調(diào)節(jié)峰谷、緩解新能源發(fā)電所帶來的沖擊；能夠協(xié)調(diào)峰谷電價與電力需求的關(guān)系。當前我國新能源發(fā)電占比相對較小，因此制定峰谷電價時不需將新能源發(fā)電的影響納入其中。峰谷電價本身和電力需求間呈正相關(guān)，而通過可靠的新能源發(fā)電設備則能對兩者進行協(xié)調(diào)優(yōu)化。當新能源發(fā)電占據(jù)相當比例時，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，這方面運行成本可忽略[1]。

可協(xié)助電網(wǎng)進行調(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，但在市場交易中難以體現(xiàn)外部性，因此需借助補貼方式進行調(diào)整；將促進新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過新能源發(fā)電設備的運用能極大的推動可再生能源的發(fā)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(shù)研發(fā)的前期階段，通常因?qū)I(yè)技術(shù)水平和市場發(fā)展規(guī)模的限制，導致新能源發(fā)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(fā)電設備可靠性的主要因素

新能源發(fā)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(huán)境因素，涵蓋外部自然環(huán)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(fā)電設備可靠性的主要因素在原理上主要如下。

新能源發(fā)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(xiàn)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(tài)。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(huán)境當中的溫濕度、風速等都將影響到設備的穩(wěn)定運行乃至引發(fā)故障等[2]。

當新能源發(fā)電設備出現(xiàn)過電壓、電流乃至欠電壓時，將由此增大設備故障發(fā)生概率，或觸動保護裝置發(fā)生前置反應，從而致使設備停止運行。可見新能源發(fā)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(jié)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(huán)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(fā)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(huán)境中，因此很容易受到復雜的天氣因素影響，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)電設備處于異常天氣狀態(tài)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(tài)時設定為Δλwt1=0。

在此進行假設，天氣細分為正常、惡劣、災變?nèi)N可預計狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際數(shù)據(jù)統(tǒng)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(chǎn)生次數(shù)占比F1、災變天氣下故障次數(shù)占比F2。新能源發(fā)電設備的平均故障率需由三種天氣下的故障率進行權(quán)重計算求和，其中權(quán)重系數(shù)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(fā)電設備的不同故障率存在一定的比例關(guān)系，同時和不同天氣下的故障次數(shù)占比和維持時間呈正相關(guān)。綜合以上條件可計算出不同天氣下的故障增量值。

2.3 環(huán)境因素的計算方式

環(huán)境因素所包含的溫度對新能源發(fā)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(fā)電設備停運。因此，針對環(huán)境因素的計算就需搭建溫度和設備故障的關(guān)系模型。

首先，設備本身的可靠性數(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(xiàn)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(guān)，且緊隨風載荷的持續(xù)增大其引發(fā)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(shù)界已有學者提出風機載荷和風壓呈現(xiàn)出一定相關(guān)性，也即是風壓和風速呈二次關(guān)系。

其次，當發(fā)電設備的載荷持續(xù)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(fā)電設備在零部件故障率和所受載荷間關(guān)系方面仍缺乏統(tǒng)一認定。因此假設發(fā)電設備機械故障概率和風載荷具備一定相關(guān)性，則故障率則為風速的二次函數(shù)，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(guān)性，由風速引發(fā)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(huán)境因素的設備停運率和風速間的關(guān)系模型，由此來推算和風速平方呈線性關(guān)系。

2.4 設備運行工況因素的計算方式

主要指發(fā)電設備故障率，表示電網(wǎng)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(fā)電設備安全穩(wěn)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(guān)系。因此基于電網(wǎng)電壓的發(fā)電設備故障發(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(shù)值可依托設備以往的故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計核算，一旦歷史故障數(shù)據(jù)偏少或難以進行統(tǒng)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(guān)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(gòu)建，同時設定參數(shù)如下：設備穩(wěn)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(shù)值可借助統(tǒng)計歷史故障數(shù)據(jù)得出，一旦歷史故障數(shù)據(jù)偏少或難以進行統(tǒng)計可選用標準值進行替換，通常是平均故障發(fā)生率的4～6倍范圍。

3 新能源發(fā)電設備可靠性提升舉措

加強變槳系統(tǒng)的優(yōu)化設計。新能源發(fā)電設備（風電領(lǐng)域）中，變槳系統(tǒng)處于設備旋轉(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、振動等都對發(fā)電設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、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(tǒng)的優(yōu)化設計，具體可采用高度集成化的穆格變槳系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，內(nèi)涵零部件大幅度簡化，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(tǒng)的優(yōu)化設計將有效降低故障率及停機停運時間，重復提升系統(tǒng)運行生產(chǎn)效能，保障其市場競爭力[3]。

打造完善產(chǎn)業(yè)鏈體系。新能源發(fā)電設備本身可靠性不僅影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)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(guān)工作人員生命及財產(chǎn)安全。為此須將發(fā)電設備可靠性置于首位，強化產(chǎn)品研發(fā)戰(zhàn)略，從根本層面保障設備的質(zhì)量及穩(wěn)定。在此背景下，國家多數(shù)先進的能源科研機構(gòu)開始不斷增強多方開發(fā)合作模式，由此達成發(fā)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(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(fā)電設備制定和推行全生命周期保障方案，將新能源發(fā)電塑造成為設備制造為基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)化增值服務為發(fā)展路線的企業(yè)類型，這樣才能切實保障新能源發(fā)電設備的運行。具體需充分運用先進技術(shù)手段，如智慧技術(shù)來打造全新的智慧平臺，強化功率預測、能源管理、風機監(jiān)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(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)電設備可靠性的攀升，最終達成電網(wǎng)穩(wěn)定運行和盈利的雙重目標。