摘要：由于新能源并网规模日益上升，其设备可靠性对于电网运行风险的影响越来越大，而获取新能源设备较为准确的可靠性参数是研究该影响的关键所在。因此，文章结合我国电力系统的特点，选取风电机组设备为主要研究对象，分析了风电机组可靠性参数的影响因素，阐述了计及各类影响因素的风机时变停运模型，为电力系统风险评估奠定基础。
　　关键词：新能源；发电设备；可靠性；影响因素；停运模型；电网运行
　　为了解决常规化石能源的日益枯竭以及环境问题的日益突出问题，清洁、绿色的可再生能源发电规模将不断扩大，其中风力发电和太阳能具有技术成熟、适宜开发、成本较低等特点，拥有良好的发展前景，被认为是化石能源最重要的替代能源。然而，随着风力并网规模不断增大，设备故障情况对电力系统可靠性的影响日益严重。例如，由于风机是暴露于自然环境下工作的，受到多种自然灾害的影响是不可避免的。其中，随着风电机组的单机容量的增大，为了增大风能的吸收，也将不断增高轮毂高度和叶轮直径，造成受到雷击的概率明显增大，雷击成了自然灾害中对于风机运行安全的最大威胁。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。据统计，叶片被击中率达4%，其他通信电器元件被击中率更高达20%。
　　而在以往的研究中，大多认为设备的故障率是一个常数，它只能反映长期运行过程中元件的状态，没有考虑短期内由于外界条件的变化和运行工况的变化对设备故障率的影响。由于近年来我国自然灾害频发、高温天气较频繁和雷雨天气较多，其对设备的故障率有较大的影响，所以此方法已不太适应我国电网元件的故障率建模。因此，具体分析影响新能源发电（如风电、太阳能发电等）设备可靠性的因素并建立可靠性模型是目前亟待解决的重要课题。
　　因此，本文在国内外新能源发电设备可靠性研究基础上，结合我国电力系统的特点，选取风电机组新能源发电设备为主要研究对象（其中所指的每个元件不仅仅指元件本身，而且包含辅助设备、设施等在内的一个完整的系统，即使元件本身没故障，但由于其辅助设备或设施故障，该元件被迫退出运行，则此故障也算作元件的故障），具体分析了风力发电设备可靠性参数的主要影响因素，并以此阐述了计及各类影响因素的风机时变停运模型，为电力系统风险评估分析奠定基础，且该模型可以推广到各类发电设备，具有较强的普适性。
　　1设备可靠性参数基本理论
　　通过对历史故障数据的分析和归纳，假设影响某元件停运的因素有m个，比如天气因素、外界环境、运行工况、自然灾害等，并假设元件由于自身因素引起的停运次数与其他因素引起的停运次数相互独立，而且自身因素一直作用于元件，则第i种故障因素影响下元件的平均停运次数fi为：
　　（1）
　　式中：?fi为由第i种故障因素引起的平均停运频率增量（次/年/台）；f0为由自身因素引起的平均停运频率（次/年/台），可通过历史数据平均统计获取。f0可按照N0与nTtotal的比值统计计算，N0为由自身因素引起的停运次数（次），nTtotal为统计元件台数与时间周期的
　　乘积。
　　由于不同因素引起的元件停运的恢复时间不一样，则每个因素引起风机停运的平均修复时间可表示为Rij/Ni，Rij为第i个因素引起的第j次故障的修复时间（小时），Ni为每个因素造成元件故障的次数。
　　根据统计得到的由各个因素造成风机停运的平均修复时间，考虑自身因素的影响，即可根据定义得到第i种故障因素影响下元件的平均修复时间MTTRi与平均故障时间MTTFi。

　2计及影响因素风机可靠性分析
　　引起发电设备停运的因素众多，按其作用机理，一般可分为三大类，分别为自身原因（如制造缺陷、老化等）、外界干扰（自然灾害、环境因素等）和运行工况（如电压电流越限、过载等）。本文就上述三种故障机理分别对风机发电系统的故障影响因素进行分析。
　　2.1风电机组停运的影响因素分析
　　首先，风机野外运行的特点决定了天气条件对其安全可靠运行有着重要的影响，特别在恶劣、极端天气时，风电机组的停运概率将急剧上升；其次，由于当风机的输入风速小于切入风速或大于切出风速时，风电机组的输出功率为零，相当于机组停运，而且当风电场气温过高或过低时，风机也会停运，所以外界环境因素中风速和环境温度对风机的故障参数的影响较大。另外，风机过电压、过电流、欠电压等亦可能引起机组故障。当频率、电压、电流升高或降低到保护整定值时，风电机组在非正常状态运行，从而增加了风机发生故障的概率，亦或引起相应的保护装置动作，造成风机停运。因此，风机停运参数主要受天气因素、风速、温度以及运行工况的影响。综合上述因素，风电机组故障率增量可计及天气引起的故障率增量Δλwt1（k），环境引起的故障率增量Δλwt2（v），运行工况引起的故障率增量Δλwt3（U）、Δλwt4（f）。
　　2.2计及天气影响的风电机组停运分析
　　由于风电机组属于暴露型设备，即其主要功能部件暴露在天气环境中，风电机组长期运行在复杂的天气环境中，其故障率与天气有着密切关系。该故障率是指由于风机处在非正常天气时，风机故障率的增量，其值设为Δλwt1，当天气处于正常状态时，Δλwt1=0。
　　假设把天气分成三个状态，如正常、恶劣和灾变，若能根据实际数据统计得到：正常天气的持续时间N，恶劣天气的持续时间S1，灾变天气的持续时间S2，恶劣天气状态下出现的故障占总故障次数的比例F1，灾变天气状态下出现的故障占总故障次数的比例F2，则风电机组的统计平均故障率应为三种天气下的故障率加权平均之和，权系数为各类天气条件的持续时间占比，如正常天气条件下为N/（N+S1+S2）。同时，正常、恶劣和灾变天气下的风电机组故障率λWT0、λWT1和λWT2还存在比例关系，并和各种天气条件下的故障占总次数故障次数的比例与持续时间的比值成正比。因而结合上述两个条件即可求出不同天气条件下的故障增量。
　　2.3计及环境影响的风电机组停运分析
　　由于温度对风机故障率的影响较复杂，而且很多其他影响因素都是通过温度间接引起风机的停运，因此很难建立温度与风机故障参数关系的详细数学模型。
　　风机的可靠性参数在传统模型中与外界条件无关，为一个定值。然而风速和风载荷对于风机叶片等元件影响很大，而且该类元件故障比例也较高，所以需在风机故障停运模型中引入风载荷的影响。风机所受载荷与适时风速成正相关，随着风载荷的增大，故障率也会随之升高。风机所受风载荷主要是由风速、重力、控制引起，由于控制方式未知，本文将不考虑控制方式对于载荷的影响，相关文献提出了风机载荷与风压成线性关系，风压与风速成二次关系。
　　作用于风机的载荷越大，风机的振动加强，叶片的受力加大，塔筒的摆动幅度加大，最后导致停机。目前，关于元件故障率与所受载荷的关系还没有统一的定论，本文假设风机机械系统的故障率与风载荷成线性关系，那么故障率是风速的二次函数，因为当风速大于切出风速或者是小于切入风速时，风机的出力为0，所以当风速大于切出风速和风速小于切入风速时，故障率不考虑。因而考虑风机载荷与风压成线性关系，由风速引起的故障率增量用Δλ2（v）表示，假设当风速为切入风速vci时，Δλ2（vci）=0，当风速为切出风速vco时，Δλ2（vco）=λmax。由此可以建立计及环境影响的风机停运率与风速的关系，即与风速的平方成线性关系。
　　2.4计及运行工况影响的风电机组停运分析
　　由于电网电压偏离基准值时，风机故障率的增量，其值设为Δλwt3（U），当机端电压U为基准值时，Δλwt3（U）=0。假设风电机组安全稳定运行电压范围为[Ukmin，Ukmax]倍的额定电压，因而当电压大于Ukmax（p.u.）而小于保护动作整定值Udz+时或小于Ukmin（p.u.）而大于保护动作整定值Udz-时，假设其故障率跟电压呈线性关系。则基于电压的风机故障率增量可表示为：
　　（2）
　　式中：Udz-和Udz+分别为电压保护整定值的上下限；Δλ3（Udz-）和Δλ3（Udz+）分别为对应电压保护整定值的上下限时风机故障率的增量。此值可以通过历史故障数据统计出来，若历史故障数据较少或很难统计，也可以用标准值代替，一般为4～6倍的平均故障率。
　　同理，假设其故障率跟频率呈线性关系，则基于频率的风机故障率增量可基本参照式（2）建立模型，并计及以下参数：风机安全机稳定运行频率范围[49.5，50.5]；低频保护和高频保护的整定值fdz-和fdz+；对应频率保护整定值的上下限时风机故障率的增量Δλ3（fdz-）和Δλ3（fdz+），此值可以通过历史故障数据统计出来，若历史故障数据较少或很难统计，也可以用标准值代替，一般为4～6倍的平均故障率。
　　3结语
　　本文依据自身原因、外界干扰和运行工况三种元件故障机理，主要对风机系统可靠性参数的影响因素进行了详细分析：（1）风机故障率增量均与各类天气的持续时间和在各类天气下设备故障次数相关；（2）在环境影响因素方面，风机故障参数主要与受风载荷相关，为风速的二次函数；（3）在运行状况影响因素方面，风机系统故障率增量与电压偏差成正比，比例系数与保护动作的电压极限相关。另外，风机还受频率偏差影响，影响情况类似于电压偏差。