新能源發電設備可靠性影響因素分析

摘要：由于新能源并網規模日益上升，其設備可靠性對于電網運行風險的影響越來越大，而獲取新能源設備較為準確的可靠性參數是研究該影響的關鍵所在。因此，文章結合我國電力系統的特點，選取風電機組設備為主要研究對象，分析了風電機組可靠性參數的影響因素，闡述了計及各類影響因素的風機時變停運模型，為電力系統風險評估奠定基礎。

關鍵詞：新能源；發電設備；可靠性；影響因素；停運模型；電網運行 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM732 文章編號：1009-2374（2016）06-0086-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.043

為了解決常規化石能源的日益枯竭以及環境問題的日益突出問題，清潔、綠色的可再生能源發電規模將不斷擴大，其中風力發電和太陽能具有技術成熟、適宜開發、成本較低等特點，擁有良好的發展前景，被認為是化石能源最重要的替代能源。然而，隨著風力并網規模不斷增大，設備故障情況對電力系統可靠性的影響日益嚴重。例如，由于風機是暴露于自然環境下工作的，受到多種自然災害的影響是不可避免的。其中，隨著風電機組的單機容量的增大，為了增大風能的吸收，也將不斷增高輪轂高度和葉輪直徑，造成受到雷擊的概率明顯增大，雷擊成了自然災害中對于風機運行安全的最大威脅。雷電釋放的巨大能量會造成風力發電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。據統計，葉片被擊中率達4%，其他通信電器元件被擊中率更高達20%。

而在以往的研究中，大多認為設備的故障率是一個常數，它只能反映長期運行過程中元件的狀態，沒有考慮短期內由于外界條件的變化和運行工況的變化對設備故障率的影響。由于近年來我國自然災害頻發、高溫天氣較頻繁和雷雨天氣較多，其對設備的故障率有較大的影響，所以此方法已不太適應我國電網元件的故障率建模。因此，具體分析影響新能源發電（如風電、太陽能發電等）設備可靠性的因素并建立可靠性模型是目前亟待解決的重要課題。

因此，本文在國內外新能源發電設備可靠性研究基礎上，結合我國電力系統的特點，選取風電機組新能源發電設備為主要研究對象（其中所指的每個元件不僅僅指元件本身，而且包含輔助設備、設施等在內的一個完整的系統，即使元件本身沒故障，但由于其輔助設備或設施故障，該元件被迫退出運行，則此故障也算作元件的故障），具體分析了風力發電設備可靠性參數的主要影響因素，并以此闡述了計及各類影響因素的風機時變停運模型，為電力系統風險評估分析奠定基礎，且該模型可以推廣到各類發電設備，具有較強的普適性。

1 設備可靠性參數基本理論

通過對歷史故障數據的分析和歸納，假設影響某元件停運的因素有m個，比如天氣因素、外界環境、運行工況、自然災害等，并假設元件由于自身因素引起的停運次數與其他因素引起的停運次數相互獨立，而且自身因素一直作用于元件，則第i種故障因素影響下元件的平均停運次數fi為：

（1）

式中：?fi為由第i種故障因素引起的平均停運頻率增量（次/年/臺）；f0為由自身因素引起的平均停運頻率（次/年/臺），可通過歷史數據平均統計獲取。f0可按照N0與nTtotal的比值統計計算，N0為由自身因素引起的停運次數（次），nTtotal為統計元件臺數與時間周期的

乘積。

由于不同因素引起的元件停運的恢復時間不一樣，則每個因素引起風機停運的平均修復時間可表示為Rij/Ni，Rij為第i個因素引起的第j次故障的修復時間（小時），Ni為每個因素造成元件故障的次數。

根據統計得到的由各個因素造成風機停運的平均修復時間，考慮自身因素的影響，即可根據定義得到第i種故障因素影響下元件的平均修復時間MTTRi與平均故障時間MTTFi。

2 計及影響因素風機可靠性分析

引起發電設備停運的因素眾多，按其作用機理，一般可分為三大類，分別為自身原因（如制造缺陷、老化等）、外界干擾（自然災害、環境因素等）和運行工況（如電壓電流越限、過載等）。本文就上述三種故障機理分別對風機發電系統的故障影響因素進行分析。

2.1 風電機組停運的影響因素分析

首先，風機野外運行的特點決定了天氣條件對其安全可靠運行有著重要的影響，特別在惡劣、極端天氣時，風電機組的停運概率將急劇上升；其次，由于當風機的輸入風速小于切入風速或大于切出風速時，風電機組的輸出功率為零，相當于機組停運，而且當風電場氣溫過高或過低時，風機也會停運，所以外界環境因素中風速和環境溫度對風機的故障參數的影響較大。另外，風機過電壓、過電流、欠電壓等亦可能引起機組故障。當頻率、電壓、電流升高或降低到保護整定值時，風電機組在非正常狀態運行，從而增加了風機發生故障的概率，亦或引起相應的保護裝置動作，造成風機停運。因此，風機停運參數主要受天氣因素、風速、溫度以及運行工況的影響。綜合上述因素，風電機組故障率增量可計及天氣引起的故障率增量Δλwt1（k），環境引起的故障率增量Δλwt2（v），運行工況引起的故障率增量Δλwt3（U）、Δλwt4（f）。

2.2 計及天氣影響的風電機組停運分析

由于風電機組屬于暴露型設備，即其主要功能部件暴露在天氣環境中，風電機組長期運行在復雜的天氣環境中，其故障率與天氣有著密切關系。該故障率是指由于風機處在非正常天氣時，風機故障率的增量，其值設為Δλwt1，當天氣處于正常狀態時，Δλwt1=0。

假設把天氣分成三個狀態，如正常、惡劣和災變，若能根據實際數據統計得到：正常天氣的持續時間N，惡劣天氣的持續時間S1，災變天氣的持續時間S2，惡劣天氣狀態下出現的故障占總故障次數的比例F1，災變天氣狀態下出現的故障占總故障次數的比例F2，則風電機組的統計平均故障率應為三種天氣下的故障率加權平均之和，權系數為各類天氣條件的持續時間占比，如正常天氣條件下為N/（N+S1+S2）。同時，正常、惡劣和災變天氣下的風電機組故障率λWT0、λWT1和λWT2還存在比例關系，并和各種天氣條件下的故障占總次數故障次數的比例與持續時間的比值成正比。因而結合上述兩個條件即可求出不同天氣條件下的故障增量。

2.3 計及環境影響的風電機組停運分析

由于溫度對風機故障率的影響較復雜，而且很多其他影響因素都是通過溫度間接引起風機的停運，因此很難建立溫度與風機故障參數關系的詳細數學模型。

風機的可靠性參數在傳統模型中與外界條件無關，為一個定值。然而風速和風載荷對于風機葉片等元件影響很大，而且該類元件故障比例也較高，所以需在風機故障停運模型中引入風載荷的影響。風機所受載荷與適時風速成正相關，隨著風載荷的增大，故障率也會隨之升高。風機所受風載荷主要是由風速、重力、控制引起，由于控制方式未知，本文將不考慮控制方式對于載荷的影響，相關文獻提出了風機載荷與風壓成線性關系，風壓與風速成二次關系。

作用于風機的載荷越大，風機的振動加強，葉片的受力加大，塔筒的擺動幅度加大，最后導致停機。目前，關于元件故障率與所受載荷的關系還沒有統一的定論，本文假設風機機械系統的故障率與風載荷成線性關系，那么故障率是風速的二次函數，因為當風速大于切出風速或者是小于切入風速時，風機的出力為0，所以當風速大于切出風速和風速小于切入風速時，故障率不考慮。因而考慮風機載荷與風壓成線性關系，由風速引起的故障率增量用Δλ2（v）表示，假設當風速為切入風速vci時，Δλ2（vci）=0，當風速為切出風速vco時，Δλ2（vco）=λmax。由此可以建立計及環境影響的風機停運率與風速的關系，即與風速的平方成線性關系。

2.4 計及運行工況影響的風電機組停運分析

由于電網電壓偏離基準值時，風機故障率的增量，其值設為Δλwt3（U），當機端電壓U為基準值時，Δλwt3（U）=0。假設風電機組安全穩定運行電壓范圍為[Ukmin，Ukmax]倍的額定電壓，因而當電壓大于Ukmax（p.u.）而小于保護動作整定值Udz+時或小于Ukmin（p.u.）而大于保護動作整定值Udz-時，假設其故障率跟電壓呈線性關系。則基于電壓的風機故障率增量可表示為：

（2）

式中：Udz-和Udz+分別為電壓保護整定值的上下限；Δλ3（Udz-）和Δλ3（Udz+）分別為對應電壓保護整定值的上下限時風機故障率的增量。此值可以通過歷史故障數據統計出來，若歷史故障數據較少或很難統計，也可以用標準值代替，一般為4～6倍的平均故障率。

同理，假設其故障率跟頻率呈線性關系，則基于頻率的風機故障率增量可基本參照式（2）建立模型，并計及以下參數：風機安全機穩定運行頻率范圍[49.5，50.5]；低頻保護和高頻保護的整定值fdz-和fdz+；對應頻率保護整定值的上下限時風機故障率的增量Δλ3（fdz-）和Δλ3（fdz+），此值可以通過歷史故障數據統計出來，若歷史故障數據較少或很難統計，也可以用標準值代替，一般為4～6倍的平均故障率。

3 結語

本文依據自身原因、外界干擾和運行工況三種元件故障機理，主要對風機系統可靠性參數的影響因素進行了詳細分析：（1）風機故障率增量均與各類天氣的持續時間和在各類天氣下設備故障次數相關；（2）在環境影響因素方面，風機故障參數主要與受風載荷相關，為風速的二次函數；（3）在運行狀況影響因素方面，風機系統故障率增量與電壓偏差成正比，比例系數與保護動作的電壓極限相關。另外，風機還受頻率偏差影響，影響情況類似于電壓偏差。

參考文獻

[1] 時璟麗.我國可再生能源發展綜述[J].自動化博覽，2013，（6）.

[2] 喬黎明.全球風電發展現狀和展望[J].風能，2012，（9）.

作者簡介：汝少利（1975-），男，青海西寧人，華能青海發電有限公司助理工程師，研究方向：太陽能、風能發電技術。

（責任編輯：黃銀芳）