符 楊，許偉欣，劉璐潔

(上海電力學院電氣工程學院，上海 200090)

海上風電運行維護策略研究

符 楊，許偉欣，劉璐潔

(上海電力學院電氣工程學院，上海 200090)

海上風電場運行維護費用約占總發(fā)電成本的25%～30%，這在一定程度上制約了海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.分析了海上風電運行的維護成本，闡述了計劃維護、狀態(tài)監(jiān)測、事后維護等海上風電機組的維護策略，并對比其優(yōu)劣，對后續(xù)研究方向進行了展望.

海上風電;運行維護成本;維護策略

近年來，風電產(chǎn)業(yè)的重要性日益突出.按照其安裝地點可分為陸上風電和海上風電兩大類，由于陸上風電占地面積大，而土地資源緊缺，風電逐漸向海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展.與陸上風電相比，海上風電具有風資源豐富、湍流強度小、視覺和噪聲污染小等優(yōu)勢.但海上風電的運行維護成本較高，這成了制約海上風電發(fā)展的一大瓶頸.

1 海上風電運行維護的特點

海上風電機組由于長時間運行于海上極端惡劣的環(huán)境中，其設備故障率顯著增高.設備發(fā)生故障后，需要安排足夠的運行維護人員、相應的備件、合適的船只進入海上作業(yè)，費用昂貴.另外，受到風速、浪高等氣候條件的限制，海上的可進入性較差，在機組故障停機后，需要等待一個合適的天氣狀況才可進入海上執(zhí)行維護任務，從而延長了機組故障停機時間，造成巨大的發(fā)電量損失.這些因素造成了海上風電運行維護成本過高.要想降低運行維護成本，可以考慮設計適合海上氣候環(huán)境的風電機組，提高機組可靠性以及優(yōu)化運行維護策略，本文主要針對優(yōu)化運行維護策略展開.

2 海上風電運行維護策略

維護策略的種類是多樣化的，大體分為基本維護策略和建立在基本維護策略基礎上的適合多部件的復雜維護策略，具體如圖1所示.

圖1 維護策略分類

2.1 預防性維護策略

預防性維護是指在部件發(fā)生故障前對其進行相關維護，使機組能運行在正常狀態(tài).文獻［1］指出預防性維護一般包括調(diào)整、潤滑、檢查、擦拭、定期拆修更換等活動.預防性維護又可以進一步細分為基于時間的維護(即計劃維護)和基于狀態(tài)的維護(即視情維護).

2.1.1 計劃維護策略

計劃維護是指在對設備的故障規(guī)律有一定認識的基礎上，無論設備的狀態(tài)如何，按照預先規(guī)定的時間對其進行維護的方式，常用的計劃維護周期有半年、1年、2年或5年.

計劃維護策略的優(yōu)化研究，主要集中在優(yōu)化計劃維護周期.計劃維護周期選擇不恰當，就會出現(xiàn)過度維護或維護不足的現(xiàn)象，最終造成維護成本過高或可靠性過低的后果.

文獻［2］在風電機組可靠性模型的基礎上構(gòu)建了計及風電機組老化過程、老化故障、隨機故障、計劃維護的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖，以可用度為評價指標優(yōu)化了計劃維護的時間間隔.文獻［3］在其成本函數(shù)中計及齒輪箱更換成本和齒輪箱故障后的故障維護成本，優(yōu)化了齒輪箱計劃維護的時間間隔，從而使系統(tǒng)單位時間內(nèi)的維護成本最低.文獻［2］和文獻［3］考慮的是完全維護，即修復如新的情況，對計劃維護進行了等周期間隔的優(yōu)化.但在實際情況中，隨著計劃維護次數(shù)的增加，設備的故障率也逐漸增加，采用等周期計劃維護時，過度維護和維護不足的問題會愈發(fā)嚴重.文獻［4］考慮了不完全維護的情況，引入役齡回退因子對設備維護后的故障率進行修正，以總成本為評價指標優(yōu)化了非等周期預防維護的次數(shù)和間隔.

文獻［2］至文獻［4］都是針對陸上風機所做的研究，目前對海上風機的維護策略優(yōu)化研究取得的成果比較少，并且主要集中在國外.文獻［5］將海上風機的葉片故障分為輕微故障和重大故障，其中輕微故障只會導致葉片捕獲風能的能力下降，而重大故障會導致機組停機，以維護總成本為目標函數(shù)，提出了基于最優(yōu)數(shù)量的計劃維護策略，優(yōu)化了進行計劃維護前葉片發(fā)生輕微故障的次數(shù).

2.1.2 視情維護策略

視情維護策略是指在設備中安裝數(shù)據(jù)采集裝置，根據(jù)其實際運行情況安排相關維護.計劃維護是根據(jù)理論上的設備故障規(guī)律安排維護的策略，但在實際情況中會出現(xiàn)一定的偏差.尤其是海上風電機組長時間運行在惡劣的環(huán)境中，風速過大、海浪過激甚至是閃電、雷暴、結(jié)冰等都會加速設備的惡化，因此僅采用計劃維護是遠遠不夠的.

文獻［6］至文獻［9］分析了風電場的運行周期成本，并對比了僅采用計劃維護策略和僅采用視情維護策略的相關經(jīng)濟指標和可靠性指標，得出了采用視情維護策略可降低運行維護成本并提高可靠性的結(jié)論.但安裝狀態(tài)監(jiān)測設備的成本也是十分高昂的，并非所有部件都適合.文獻［10］和文獻［11］通過概率模型評價了基于狀態(tài)監(jiān)測的維護對運行維護成本的影響，并得出該影響與裝設狀態(tài)監(jiān)測部件的更換成本、該部件故障導致的停機時間等因素有關.因此，對于故障后果較嚴重、更換成本昂貴的重要部件(如葉輪、齒輪箱、發(fā)電機等)才適合安裝狀態(tài)監(jiān)測設備.對不同部件安裝狀態(tài)監(jiān)測設備后，應根據(jù)相應數(shù)據(jù)進行故障檢測和診斷并做出是否進行維護的決策.文獻［12］指出目前適用于海上風電故障診斷的方法有傳統(tǒng)故障診斷法、數(shù)學診斷法和智能診斷法3種.文獻［13］通過采集齒輪箱的溫度信號，構(gòu)建了齒輪箱正常工作情況下的溫度模型，當溫度偏離正常工作區(qū)間時，判斷是否需要安排維護，該方法就屬于數(shù)學診斷法.

目前，故障診斷技術主要針對單一故障，而海上風電機組是一個復雜的多部件系統(tǒng)，常常會發(fā)生混合故障，針對混合故障的診斷技術研究相對較少，這將會是未來的一個研究方向.對混合故障診斷技術的研究也會對具體運行維護策略的制定產(chǎn)生影響，在進入海上執(zhí)行運行維護活動時，可以將具有故障相關性的部件統(tǒng)一維修，不僅可以分攤固定維護費用，還能降低短期內(nèi)發(fā)生多次故障的可能性.

2.2 機會維護策略

機會維護策略的基本思想是當某一部件發(fā)生故障時，其余部件獲得了提前進行預防性維護的機會，通過判斷部件是否滿足相應維護條件，做出維護決策.

機會維護一方面可以將多種維護措施一并進行，分攤高額的固定維護費用;另一方面，通過“機會”這一概念將整個風電場的各個機組聯(lián)系在一起，便于對風電場這一整體進行維護策略的優(yōu)化.文獻［14］至文獻［16］以評價費用率為目標函數(shù)，以風機關鍵部件的預防性維護閾值和機會維護閾值為優(yōu)化對象，構(gòu)建了機會維護模型.文獻［17］給出了兩類機會維護模型，第一類將計劃維護和事后維護相結(jié)合，以維護費用節(jié)余為目標函數(shù)，引入役齡遞減因子和故障遞增因子，通過枚舉法列出機會維護的可能組合，從中選出最優(yōu)方案，但是未考慮進行機會維護時部件是否滿足機會維護役齡.第二類將狀態(tài)監(jiān)測和計劃維護相結(jié)合，以維護結(jié)余成本比率最大為目標函數(shù)，優(yōu)化維護策略.文獻［14］至文獻［17］都是針對單臺風機進行的機會維護策略優(yōu)化，并沒有充分發(fā)揮其優(yōu)勢.文獻［18］至文獻［20］提出了海上風電機會維護的優(yōu)化模型框架，并對某5×3 MW海上風電場的維護時間進行了優(yōu)化安排，結(jié)果表明應用機會維護后節(jié)約了43%的維護成本.其中，文獻［18］針對海上風電場這一整體做出運行維護策略優(yōu)化，充分發(fā)揮了機會維護的優(yōu)勢，但是并未優(yōu)化機會維護的閾值.文獻［21］中對僅考慮完全維護、不完全維護，以及兩種均考慮的維護措施，給出了相應的海上風電場機會維護優(yōu)化策略，通過對比得出，兩種均考慮的維護措施的機會維護成本最低.該作者又進行了更深層次的研究，隨后在文獻［22］中將風電場的各個機組區(qū)別對待，某機組的部件發(fā)生故障后，該機組的其余部件以及其他正常機組的各個部件都獲得了維護機會，并對故障機組和其他機組設置不同的機會維護閾值，從而實現(xiàn)對維護策略的優(yōu)化.

機會維護可以實現(xiàn)維護固定成本的分攤，但在維護過程中，一次需攜帶的備件較多，對船只的要求更高，對維護成本的影響較大，目前，對機會維護策略的研究僅僅局限于考慮經(jīng)濟相關性方面，忽略了維護相關性和隨機相關性，這將是進一步研究的方向.

2.3 事后維護策略及其他策略

事后維護策略是指設備發(fā)生故障前，不對其進行預防性維護，直至設備發(fā)生故障后再安排相關人員進入海上進行維護.但由于故障的發(fā)生具有隨機性，因此沒有足夠的時間提前準備好相應的備件、船只以及人員，該措施只適用于重要程度低、維護成本低的設備.

維護策略能否順利執(zhí)行，還要取決于氣候、備件、船只等因素.海上風電的氣候條件特殊，因此可及性是海上風電維護必須考慮的因素.計及到達機組的時間和維護所需的時間，必須等待合適的天氣狀況才可以安排維護.另外，風速、浪高等天氣因素還會影響船只的選擇，文獻［23］中列出了適合不同天氣狀態(tài)使用的船只，運用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖以總成本為優(yōu)化目標對單臺風機故障情況下的運行維護人員數(shù)量和運輸方式進行了分析.文獻［24］至文獻［26］分析了在不同天氣情況下，運輸設備的數(shù)量和類型對風電場可用率的影響.

何時對何種設備進行備件，是運行維護過程中必須考慮的一個問題.備件不及時會延長維護前的等待時間，而備件過早則會增加倉庫費用.文獻［27］在狀態(tài)監(jiān)測的基礎上建立了故障延時的概率模型和基于時間序列的預測模型，以確定備件的時刻，從而提高運行維護執(zhí)行的效率.

3 結(jié)語

目前，對海上風電運行維護的研究主要以單臺風電機組為對象，但實際上每臺風機的運行維護都不是獨立的，以海上風電場作為研究對象整體優(yōu)化維護策略將涉及到風電機組維護的順序和路徑選擇等問題，也是今后的研究方向之一.

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(編輯 白林雪)

Study of Operation and Maintenance Tactics for Offshore Wind Turbines

FU Yang，XU Weixin，LIU Lujie
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

Operation and maintenance(O＆M)costs are generally considerably high in offshore sites，contributing up to 25%～30%of the cost of energy generation，seriously restricting the development of offshore wind power industry.Preventive maintenance，corrective maintenance and others which are suitable for offshore wind turbines are introduced and their merits and demerits are compared based on the analysis of O＆M costs.

offshore wind turbine;O＆M costs;maintenance tactics

TM614

A

1006-4729(2015)02-0219-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.005

2014-09-24

許偉欣(1990-)，女，在讀碩士，江蘇揚州人.主要研究方向為風電運行維護.E-mail:Mjolar_xwx@ 163.com.

國家自然科學基金(51177098);上海綠色能源并網(wǎng)工程技術研究中心項目(13DZ2251900);國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2012AA051707);上海市重點支撐攻關計劃項目(13160500800);上海市重點科技攻關計劃項目(2011YPCX03_006).