郭凱，張秀琦，曹斌，辛東昊，閆桂紅

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

全球氣候環(huán)境危機正在加速發(fā)展，給人類的健康和安全造成威脅，化石能源的過度使用是危機產(chǎn)生的主要原因。風電是目前技術成熟且具有較大開發(fā)價值的可再生能源，大力發(fā)展風電是實現(xiàn)能源清潔轉(zhuǎn)型的重要方式，隨著海上風電技術的不斷成熟，海上風電已進入快速發(fā)展階段[1-2]。我國海上風電規(guī)模自“十三五”以來保持高速發(fā)展，裝機容量年增長率均在30%以上，未來有望成為全球最大海上風電市場。我國擁有較好的風能資源，且海上風電與“西電東送”的水電可以在出力上形成季節(jié)互補，同時，海上風電自帶運行效率高、不占用土地、適宜大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)點，因此，國家風電發(fā)展政策逐漸向海上發(fā)電傾斜，市場前景廣闊。但是與陸上風電相比，海上風電運行環(huán)境更加惡劣，臺風、雷暴以及大霧等惡劣氣象條件進一步增加了海上風電設備故障率，降低了故障維修效率，同時增加了設備修復時間[3-4]。因此，詳細分析海上風力發(fā)電可靠性影響因素具有重要的意義[5-7]。

近年來，國內(nèi)外多位學者已對海上風力發(fā)電可靠性展開了眾多研究，文獻[8]分析了風電變流器對海上風電場整體可靠性的影響因素，建立了考慮風電變流器故障和集電系統(tǒng)故障的海上風電場可靠性模型。文獻[9]介紹了海上風電變流器的發(fā)展技術方向，并展望了提升風電機組變流器可靠性的相關技術。文獻[10-12]均通過分析海上風電集電系統(tǒng)的可靠性，提出了海上風電集電系統(tǒng)可靠性的評估方法。文獻[13]從全壽命周期角度建立了海上風電集電系統(tǒng)總成本模型，提出海上風電集電系統(tǒng)全壽命周期成本計算方法。文獻[14]通過對海上風電技術的分析，提出海上風電機組運行維護中存在的可靠性問題。文獻[15]建立了海上風電場升壓站內(nèi)設備的可靠性模型，提出海上升壓站可靠性的評估方法，并在考慮海上風電發(fā)電指標的條件下，從充裕性和供電連續(xù)性等角度評估了升壓站系統(tǒng)的可靠性。

由于海上環(huán)境復雜，維護作業(yè)容易受到天氣環(huán)境因素的影響，在海上風電機組進行故障處理或檢修作業(yè)時，惡劣的天氣會產(chǎn)生更高的維護成本。目前，海上風電運維方式主要包括定期檢修、狀態(tài)檢修和故障檢修三種[16]。相關數(shù)據(jù)表明，運行維護成本約占海上風電場總成本的20%～35%[17-18]。與陸上風電機組不同，海上維護船的使用成本最高占到運維總成本的73%左右[19-20]。文獻[21]通過對近些年國內(nèi)外海上風電運維策略的研究現(xiàn)狀進行敘述，提出了我國海上風電的發(fā)展及技術方向。文獻[22-23]分別從海上風電可靠性、故障維修等方面進行了策略研究。本文分析了海上風力發(fā)電可靠性的影響因素，提出了可靠性的提升方法，并對未來研究工作進行了展望。

1 海上風力發(fā)電可靠性影響因素

1.1 海洋環(huán)境

海上環(huán)境復雜多變，高濕度和高鹽度的環(huán)境會對海上電氣設備的防潮防腐帶來問題，在一定程度上影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

1.1.1 濕度

遠海一般為高濕度的環(huán)境，相對濕度大于80%，加速海上風電場電氣設備的絕緣老化及金屬材料的腐蝕。風電機組塔筒內(nèi)部及外部表面均有聚合樹脂和鍍鋅合成的防腐材料，高濕環(huán)境會加速防腐材料的老化，造成防腐材料的附著力減小，性能下降，導致風機塔筒底盤及其本身的金屬材料受到腐蝕。風電機組葉片的材料多為玻璃鋼復合材料，高濕環(huán)境會使其本體內(nèi)部因為吸濕而產(chǎn)生溶脹，導致本體剛度降低。風電機組機艙內(nèi)部易生霉菌，霉菌代謝過程分泌酸性物質(zhì)，與絕緣材料相互作用，導致風電機組部件絕緣性能下降，齒輪箱和發(fā)電機潤滑油油溫升高，黏度下降，機組發(fā)生故障。

1.1.2 鹽霧

沿海地區(qū)空氣濕度大、溫度高，海水中的鹽分易蒸發(fā)，使溶于空氣的水滴中形成鹽霧。在沿海地區(qū)空氣中，形成的鹽霧會電離出較多的氯離子，滲透進金屬材料內(nèi)部發(fā)生化學反應，導致金屬材料的設備部件嚴重腐蝕。由于海上風電場長期處于高鹽霧、高濕度環(huán)境中，其電氣設備內(nèi)部的觸頭或者線圈被腐蝕后，發(fā)生短路或絕緣性能下降，特別是大氣中存在的某些顆粒物與海上鹽霧在風機葉片表面上形成覆蓋層，對葉片的氣動性能產(chǎn)生影響，不利于風電機組的安全運行。

1.1.3 極端天氣

葉片是風電機組在遭受臺風時最容易損壞的零部件。當臺風來臨時，風會從風電機組的垂直葉面方向急速吹入，導致葉片的不確定性載荷增加，發(fā)生振動，嚴重時使葉片產(chǎn)生裂紋或折斷。臺風有可能導致連接風機的主軸承座發(fā)生偏移，致使風機地腳折斷。

隨著海上風電機組裝機容量的持續(xù)增加，為了獲取更多的風能，機組的輪載高度也需要不斷增加，這樣就會導致風電機組遭受雷擊的可能性大大增加。在雷擊故障中最容易被擊中的部分是葉片尖部，雷電擊中葉片尖部后，瞬間釋放大量的能量，使葉片內(nèi)部膨脹，產(chǎn)生巨大的機械力，造成葉片開裂。

當出現(xiàn)冰凍的極端天氣時，風電機組的葉片會覆冰，使載荷增加，嚴重影響葉片的壽命，同時由于每個葉片上的冰載不同，使機組的不平衡載荷增大。如果沒有及時采取應對措施會對機組的安全運行造成嚴重的危害，面臨脫網(wǎng)停機的可能，同時拉低全年的整體發(fā)電量，嚴重影響風電機組的可靠性。

1.2 海上風電機組

1.2.1 基礎結構

海上風電機組所處的環(huán)境與陸上風電機組截然不同，技術更加復雜，在對海上風電系統(tǒng)進行設計和建造時，需對海上的惡劣自然條件和環(huán)境條件帶來的影響進行深入分析。為承受海浪沖擊、強風載荷、海水腐蝕等環(huán)境問題，對海上風電機組基礎建設技術要求更加嚴格?，F(xiàn)階段，海上風電機組基礎主要分為底部固定式和懸浮式。底部固定式基礎底端直接與深海剛性連接，不易發(fā)生大范圍的晃動。但因為基礎結構需要長期浸沒在海水中，所以要不斷受到海浪的沖洗和海水的腐蝕作用，因此易發(fā)生松動，影響風機運行的可靠性。懸浮式基礎基本上適用于深海區(qū)域，建設成本大大降低，但是在極端環(huán)境中，例如強風下，其穩(wěn)定性遠不如底部固定式基礎。

1.2.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)作為風電機組的重要部件，負責冷卻風電機組的變流器、齒輪箱、發(fā)電機等散熱部件，保證其運行溫度正常。提高冷卻系統(tǒng)的可靠性有助于提高風電機組效率和延長絕緣壽命。冷卻系統(tǒng)主要采用液冷和風冷兩種方式，對于海上風電機組，如果采用風冷系統(tǒng)需要的風量會很大，而且海風有鹽霧，所以海上風電機組應采用液冷系統(tǒng)。同時，液冷系統(tǒng)可充分利用海洋優(yōu)勢，采用海水對機組進行冷卻，達到穩(wěn)定的冷卻效果。

1.2.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)作為風電機組最重要的系統(tǒng)，在進行設計、制造以及安裝維護等方面對風電機組可靠性有著重要的影響。風電機組傳動系統(tǒng)主要采用雙饋式和直驅(qū)式進行布置。根據(jù)主傳動系統(tǒng)設計的不同，風電機組主軸結構方案有多種形式，其形式不僅僅對風能轉(zhuǎn)換效率有影響，還對主傳動鏈的維護成本以及可靠性有著重要影響。

直驅(qū)式風機永磁電機沒有滑環(huán)碳刷和勵磁繞組，可靠性和效率高且容易維護，但制造成本較高；而雙饋式風機勵磁電機需要滑環(huán)和勵磁繞組，運維成本高，且較永磁電機效率低，轉(zhuǎn)子部分的質(zhì)量較重，但制造成本低。因此，充分考慮到海上風電機組需具備較高可靠性的要求，直驅(qū)式風機永磁電機更適合。

1.2.4 控制策略

風電機組有功和無功控制技術均會影響海上風電的可靠性。風電機組的有功控制如超速減載、變槳、慣量響應等會對機組的載荷產(chǎn)生影響，尤其風電機組在無備用運行方式下參與電網(wǎng)調(diào)頻時，由于風電機組需要釋放大量的風輪轉(zhuǎn)速以支撐電網(wǎng)頻率，風輪轉(zhuǎn)速更容易越限而造成機組脫網(wǎng)。風電機組的無功控制會影響變流器直流側母線電壓，進而影響機組的故障穿越能力，使得風電機組在電網(wǎng)電壓變化時不能穩(wěn)定的運行。此外，風電場的無功補償設備也會對風電機組的變流設備產(chǎn)生影響。因此，風電機組的無功控制需與無功設備相互協(xié)調(diào)配合，否則將會影響風電機組運行可靠性，甚至導致風電機組脫網(wǎng)。

1.3 海上升壓平臺

1.3.1 基礎承載力

海上升壓站的地下基礎型式根據(jù)其地質(zhì)條件、上部結構、深海環(huán)境等條件，可以選擇采用多樁基礎、單樁基礎或?qū)Ч芗芑A等。對于上部組成質(zhì)量較輕、地質(zhì)和水深條件合適的區(qū)域，單樁基礎較為適用；對于上部組成質(zhì)量較重、地質(zhì)條件較好以及水深較淺的區(qū)域，多樁基礎較為適用；考慮到導管架基礎的范圍較廣，可以在深海區(qū)域采用導管架基礎。不管應用哪種基礎型式，都要保證海上升壓站在地震、臺風、海浪等環(huán)境下，具備足夠的承載力。同時，考慮到運輸和就位中的搖晃和振動問題，海上升壓站設備結構需考慮合適的抗振措施。

1.3.2 船舶撞擊

海上風電結構遭受船舶撞擊有兩種情況，一是運維船正?？坎雌脚_，二是平臺附近作業(yè)的其他船只意外撞擊平臺。設計不當時，運維船靠泊會造成平臺護弦失效使得主體結構出現(xiàn)損傷。設計未考慮其他船只的撞擊或者未對撞擊船只的排水量評估，可能引起平臺主體結構失效甚至是平臺傾覆。

1.3.3 海水腐蝕

海上平臺鋼結構長期處于海水、鹽霧等惡劣環(huán)境中，設備腐蝕嚴重，腐蝕后維護困難、費用高。海洋環(huán)境在垂直空間上可以劃分為海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、淹沒區(qū)和泥下區(qū)等，鋼材在不同區(qū)域的腐蝕情況不同，浪濺區(qū)腐蝕最為嚴重，泥下區(qū)腐蝕最輕。不同區(qū)域所采用的防腐措施不同，大氣區(qū)采用防腐涂層，淹沒區(qū)采用犧牲陽極塊，泥下區(qū)一般不做防腐措施，浪濺區(qū)由于干濕交替嚴重且受到海水的沖擊，涂層和陽極塊均無法采用，只能考慮增厚鋼板，提供一定的腐蝕裕量。防腐措施的設計使用壽命一般低于風電場的設計壽命，因此，需定期更換防腐材料，確保結構的可靠性不因腐蝕而降低。

1.4 電氣系統(tǒng)

海上風電場場址環(huán)境有一些共性的特點，如濕度大、易凝露、鹽霧重，因此海上風電的電氣設備都應該具有“三防”要求，即要防濕熱、防生物霉菌和防鹽霧，同時還要可以抗擊狂浪、臺風等惡劣天氣和應對高紫外線輻射。強風、海浪、地震等自然因素會引起海上設備平臺的變壓器等設備器身振動，要求設備具備抗傾、抗震能力。防腐、密封與散熱也成為電氣設備面臨的主要問題。為便于施工盡量減少海上電氣設備尺寸和質(zhì)量，需要進一步降低造價，在滿足運行和檢修等基礎上，進一步考慮緊湊化和模塊化布置設計。

當前，海上風電傳輸?shù)闹饕绞绞鞘褂煤５纂娎|，高電壓、長距離、大容量的海底電纜是未來發(fā)展的主要技術方向。與陸地電纜直線敷設方式相比，海底電纜由于受海底地形起伏、地貌變化等因素的影響，海底電纜走向是呈彎曲變化的曲線，所以在對海底電纜故障預定位時，通過波反射計算得出的直線距離與實際故障點有時會產(chǎn)生差距。海纜故障的原因有內(nèi)因和外因，內(nèi)因包括制造缺陷、材料老化等因素，外因包括自然因素（海底地震、海床下泄、洋流沖刷、海水腐蝕等）和人為因素（錨害、捕魚作業(yè)、海洋工程破壞等）。惡劣的運行環(huán)境和較高的故障維修費用，要求海纜廠家必須提高海纜可靠性。因此，海纜制造質(zhì)量好、可靠性高，對提升海上風力發(fā)電可靠性具有重要意義。

1.5 運維策略

我國海上風電場的維修主要借鑒陸地模式，尚未形成系統(tǒng)的海上風電運維體系。目前，常用的運維技術一般分為預防性維修策略和機會性維修策略，預防性維修需要提前感知設備的運行狀態(tài)，對傳感器的要求較高，主要包括定期檢修和狀態(tài)檢修。機會性維修策略是指在預防性維修策略的基礎上，將系統(tǒng)各部件之間的相關性進行有效結合，對整個系統(tǒng)進行維修的一種維修策略。

1.5.1 定期檢修

定期維修主要是針對風電機組進行定期維護保養(yǎng)，主要通過外觀檢查和電氣機械測試等手段發(fā)現(xiàn)潛在故障，對電氣機械測試固有的缺陷暴露項目和明顯的缺陷點及時發(fā)現(xiàn)并處理。定期維修策略是目前海上風電采取的最簡單有效的維護方式之一。雖然開展定期維護是保證風電機組可靠性的重要手段，可以直觀發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)無法在線監(jiān)測到的缺陷點，但也存在隱蔽缺陷維修不到位、非故障項目重復維修等問題，最終導致維修深度不夠、維修資源浪費和維修不及時。

1.5.2 狀態(tài)檢修

狀態(tài)檢修的數(shù)據(jù)為海上風電機組部件上的各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，可實時反映風電機組內(nèi)被監(jiān)測部件的運行狀態(tài)。兆瓦級以上風機故障主要分布在傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、風輪系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等關鍵部件，通過對海上風電機組進行振動監(jiān)測、溫度監(jiān)測、油液監(jiān)測等數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制，來確定海上風機關鍵部件物理特征是否正常，預估出故障發(fā)展趨勢，為后續(xù)的維修提供依據(jù)。狀態(tài)檢修策略的可靠性主要體現(xiàn)在傳感器上，若傳感器出現(xiàn)故障，無法準確及時采集風電機組的各類故障數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)無法做出及時應對，可能就會使故障進一步加大，影響風電機組運行可靠性。

1.5.3 機會性維修

當風電機組某個部件發(fā)生故障時，需要機組停機進行故障維修，但此種維修方式會增加較多的維修成本。所以，當對海上風機某部件采用機會性維修時，需要查看風機其余部件能否進入設定機會維修區(qū)間，如果進入了設定機會維修區(qū)間可同時進行維修，有利于節(jié)省機組的維修時間，降低整個機組的維修成本，提升海上風電可靠性。

2 海上風電可靠性提升方法

2.1 提高狀態(tài)監(jiān)測設備及系統(tǒng)的可靠性

狀態(tài)監(jiān)測所需數(shù)據(jù)主要來自于運行設備上的傳感器。傳感器采集到的信號經(jīng)過處理后，提取出特征量為分析、診斷提供素材。應用狀態(tài)監(jiān)測技術時，應先對運行設備故障機理進行深入分析，得出所需監(jiān)測的對象，然后采用相應傳感器檢測出所需物理量。應用于風電機組的狀態(tài)監(jiān)測技術主要有加速度及振動監(jiān)測、溫度監(jiān)測、應力監(jiān)測、油液監(jiān)測等。

當前，海上風電運維數(shù)據(jù)來源主要依賴于內(nèi)容管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等，由于這些運維數(shù)據(jù)的共享性和開放性不足，同時有較大的滯后性且監(jiān)測范圍有限，導致無法為風機的實時狀態(tài)評價提供充分的判斷依據(jù)。所以進一步提高狀態(tài)監(jiān)測設備及系統(tǒng)的可靠性，應首先提升海上風機的監(jiān)測水平，為海上風電運維管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 提高故障診斷與管理技術的先進性

故障診斷就是通過對傳送的數(shù)據(jù)進行分析與計算，得出風電機組的運行狀況分析表?？杀O(jiān)測的信號包括電信號、振動信號和溫度信號等，針對不同的監(jiān)測信號，提出不同的故障診斷技術，其分析方法主要采用時域分析、頻譜分析、時頻分析等。由于故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測技術水平有限，當前海上風電運維仍然采用定期檢修和事后故障維護的處理方式，無法實現(xiàn)有效的狀態(tài)維修。為了盡量保證海上風機的安全，更早的發(fā)現(xiàn)故障，應不斷提升機組的故障診斷及管理技術水平。

2.3 提升運維方案的優(yōu)化設計水平

目前，海上風電運維系統(tǒng)依然參考陸上風電運維系統(tǒng)，具體實際運維方案存在可優(yōu)化空間，例如運維資源配置因缺乏正確的設計而顯得過于保守，運維調(diào)度因未進行精益分析，導致產(chǎn)生大量的運維成本。因此，應對海上風電的運維方案進行精益化分析，優(yōu)化設計運維調(diào)度方案、資源配置方案等。隨著未來海上風電的快速發(fā)展，其離岸距離和安裝海水深度不斷增加，因此運行維護成本也會進一步提高?？筛鶕?jù)不同風機的運行狀況，通過離岸距離、水深、風電場規(guī)模、風/浪等氣候條件因素建立海上風電場運維成本模型，用于優(yōu)化運維方案，減少海上風電運維成本。

3 展望

海上風電由于其安裝、運維環(huán)境的特殊性，必須時刻承受腐蝕、鹽霧、強風以及海浪的沖擊，要求海上風電必須具備更高的可靠性。因此，在海上風電設計、安裝以及運維等方面，必須充分考慮海洋特殊環(huán)境下的可靠性問題。隨著海上風電技術的發(fā)展，仍然存在一些值得進一步研究的問題。

（1）大葉片和輕質(zhì)化是海上風電機組的發(fā)展趨勢。風機葉片對于提升風能利用率至關重要，直接影響風機的性能和效率。在材料方面，風機葉片主要由熱固性基體樹脂、玻璃纖維、碳纖維等增強材料復合而成，復合材料占整個風機葉片的比例高達90%。隨著海上風電機組容量的逐步增大，60～70 m的葉片占比將逐步提升。從質(zhì)量上來看，隨著葉片尺寸的增加，葉片的質(zhì)量也顯著增大，輕量化材質(zhì)將是重要的研究方向。目前，碳纖維具備技術潛質(zhì)，但價格昂貴，未來能否大批量應用還有待進一步研究。

（2）運維船作為海上風電運行維護的重要交通工具，對我國海上風電的發(fā)展具有重要意義，目前全球僅投入使用400余艘風電運維船。運維船的智能化調(diào)度和合理化配備是海上風電運維的必備條件。海上風電運維的目標是降低運維成本，減小發(fā)電量損失，從而提高風電機組的可靠性。海上風電比陸上風電運維可達性差，進一步造成了運維難度和成本的加大。在以安全為前提的條件下降低運維成本，提升海上風電可靠性，增加運維船運行數(shù)量，創(chuàng)新海上風電運維模式，圍繞運維船服務調(diào)度展開研究工作，形成全面的海上風電運維方案，對提升海上風電運維的可靠性具有十分重要的意義。