风力发电机容量因子评估与可用性建模的统一分析框架：连接设计与可靠性的创新研究

《Renewable Energy》：A Unified Analytical Framework for Capacity Factor Estimation and Availability Modeling in Wind Turbines: Bridging Design and Reliability

本文提出了一种双框架方法，通过基于物理的分析模型量化容量因子（CF）趋势，并引入可修复系统理论构建可用性-年龄变化模型。该框架有效桥接了理论容量（KERPR指标）与实际运行性能（ECR）之间的差距，为风机全生命周期性能预测和优化提供了相互验证的工具集。

　　

亮点

随着风电行业快速发展，更大更高效的风机设计显著推动了可再生能源格局。这些技术进步通过提升发电量，增强了风电在发电结构中的竞争力。

模型描述

通过分析2000-2021年全球风电发电量与装机容量，本研究提出了CF的代理指标。该全球比率虽近似CF，但隐含了资产运行可用性等外部因素。为此，研究定义了有效容量比（ECR）——这一扩展CF概念的综合指标，通过纳入可用性与可靠性因素，更完整地连接理论设计与实际表现。

模型验证

为验证模型，将代表实际性能的ECR与基于风机设计参数推导的理论指标动能功率比（KERPR）进行对比。预期二者存在差异主要源于随时间变化的可用性因素。基于文献和机组人口数据，建立了可用性-年龄变化模型，精准捕捉风机全生命周期可用性动态。

结果与讨论

图7显示KERPR与ECR（以2004年为100%基准）在整个时间序列中呈现显著一致的上升趋势。这种关联证明CF估算模型成功捕捉了基于转子直径、额定功率和轮毂高度等关键设计参数的性能演进方向。然而模型估计与实际ECR之间的持续差距，生动揭示了可用性因素对实际发电输出的关键影响。

结论

过去二十年间，全球风机机组经历了重大变革：平均轮毂高度、转子直径和额定功率大幅提升。同时，机组能量转化率（ECR）在2000-2021年间以年均0.35%的速度增长。随着行业向更大功率风机迈进，理解设计决策与运行性能间的复杂关联愈发重要。