楊淼森，周文

（江蘇龍源風力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226000）

電力能源是我國在長久發(fā)展經(jīng)濟背景下必不可少的重要能源資源，當代電力能源處于相對較為緊缺的局面，為了能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，可以借助風力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。風力發(fā)電技術(shù)是我國重點扶持的建設(shè)項目，其能源開發(fā)效果相對較好，但與此同時，也要注重到發(fā)電設(shè)備的故障維修重要意義，從而創(chuàng)新故障維修技術(shù)。擺脫傳統(tǒng)的定期維修的事后模式，形成基于可靠性的機會預防維修，是促進電力行業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵所在。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)預防性維修決策技術(shù)意義

當前，我國的風力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建過程中逐漸從原有的大規(guī)模風電場向分布式開發(fā)轉(zhuǎn)變，風電場中的發(fā)電機組數(shù)量呈幾何倍數(shù)增長，其中所涉及的風力發(fā)電機組的類型眾多，分布范圍相對較為廣泛，并且不同設(shè)備中的技術(shù)差異相對較大，在實際的應(yīng)用中故障頻發(fā)，具有較高的維修管理要求。我國現(xiàn)階段在大力發(fā)展風力發(fā)電系統(tǒng)的過程中對維護設(shè)備零部件以及故障預防等技術(shù)存在著一定的缺陷，難以形成完善的預防性維修策略，并且難以借鑒其他先進國家的故障維護經(jīng)驗，促使整體風力發(fā)電系統(tǒng)的維護工作任重道遠。

而處于創(chuàng)新改革電力體制的背景下，促使國內(nèi)電力市場深化發(fā)展，急需資源合理配置的狀況下，促使風力發(fā)電成為當前電力市場中的首要清潔發(fā)電方式，因此，隨之而來要求風力發(fā)電中的相關(guān)設(shè)備的維修策略均需要相應(yīng)的創(chuàng)新?；趯嶋H而言，部分相似的清潔能源發(fā)電系統(tǒng)中已經(jīng)初步嘗試應(yīng)用更加高效的可靠性為中心的設(shè)備預防維修應(yīng)用。這樣的可靠性技術(shù)預防維修策略技術(shù)的應(yīng)用通過可靠性理論作為中心，強調(diào)各種對發(fā)電設(shè)備可能造成的影響以及故障程度，從而制定基于預防性機會的故障維修策略，掌握設(shè)備的維修時機以及維修方式。當前風力發(fā)電系統(tǒng)主要是應(yīng)用到集中式的風力發(fā)電場作為主要的開發(fā)模式，難以借鑒國外的眾多成熟可靠性預防維護策略理論。需要我國積極自主研究探索適應(yīng)我國國情以及風電系統(tǒng)的預防性維修策略模型，從而提升設(shè)備使用的可靠性，降低故障率，能夠在故障發(fā)生前加以預防維修。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)的預防性維修決策原理

風力發(fā)電系統(tǒng)中的組織結(jié)構(gòu)眾多，可假設(shè)為N個部件，而對每一不同的部件通過可靠性定義進行維修，則能夠有效節(jié)約維修資源投入的同時，形成更加高效的故障維修工作。根據(jù)發(fā)電機組的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的部件可靠性在運行過程中，隨著時間的推移逐漸下降。而實施基于可靠性的風力發(fā)電系統(tǒng)預防性維修策略技術(shù)則是通過檢測每一部件的運行可靠性，當?shù)竭_一定的參數(shù)值，對其預防維修時間進行確定，從而實施預防維修。

通常情況下而言，在設(shè)備完成檢修后，將會呈現(xiàn)出三種不同的狀態(tài)，分為恢復如初、恢復部分功能或是與維修前狀態(tài)一致。此時，則可以設(shè)定λ為修復因子，對上一次的維修工作進行定義。若λ修復因子等于1，則證明該部件維修成功，能夠正常使用；若λ=0，則表示此次維修工作并未成功，部件仍舊處于故障狀態(tài)難以正常運行。而0＜λ＜1時，則證明當前維修工作具有一定的作用，但僅有部分部件處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并未達到全部恢復如初的狀態(tài)。如圖1為風力發(fā)電系統(tǒng)部件預防性維修機會示意圖。

圖1 預防性機會維修示意圖

其中，i表示的則是任意部件，當部件i運行到既定的維修時間To（i）時，則需要按照既定的維修計劃對其進行必要的故障維修。這樣的預防性機會維修決策技術(shù)最明顯的優(yōu)勢就是能夠有效避免長時間的故障停機處理，能夠在故障發(fā)生前按照運行時間點的推測對其進行檢查維修，降低維修成本，并形成獨立維修的效果。

3 確定風力發(fā)電系統(tǒng)的維修機會

根據(jù)可靠性定義，對風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機組進行預防性機會維修，統(tǒng)計故障，發(fā)現(xiàn)按照威布爾規(guī)律進行分布，處于隨機變量T～W，則可以應(yīng)用到函數(shù)公式對其進行計算，公式為

式中，R（t）表示的是最終的部件可靠性參數(shù)，而η表示則是尺度參數(shù)，一般情況下，主要是指風力發(fā)電機組中的部件特征以及使用壽命；β表示的則是部件的形狀系數(shù)。通過這樣的函數(shù)公式對當前的發(fā)電機組部件可靠性進行計算，在獲取到相應(yīng)的參數(shù)值則能夠推定部件的故障失效時間。由于在差異性的構(gòu)建組成下，促使風力發(fā)電機組之間的可靠性函數(shù)存在較為明顯的差異性，因此，在應(yīng)用到該可靠性函數(shù)決定不同的部件預防維修區(qū)間的過程中，需要根據(jù)差異性的因素進行對比，避免出現(xiàn)過度維修的現(xiàn)象。則需要定義預防性維修機會的可靠性裕度，設(shè)定為ΔR，如圖2所示。

圖2 預防性可靠性維修裕度機維修區(qū)間

根據(jù)部件維修的可靠性要求，設(shè)定裕度值，從而保障能夠形成更加精準的預防性維修區(qū)間，避免間隔過長影響維修效果或是出現(xiàn)過度維修的現(xiàn)象。當維修區(qū)間值處于0時，則能夠促使預防維修與機會維修之間相互重疊，能夠基于可靠性指標形成更加有效的合理維修指標，進一步降低維修成本的投入。保障處于合理的維修區(qū)間，則需要建立在維修時間Tp相對較小時，降低過度維修的概率，要求ΔR的實際參數(shù)取最小值，從而才能夠形成基于最低成本狀態(tài)的合理預防性維修策略。

4 風力發(fā)電系統(tǒng)的預防性機會維修策略技術(shù)

4.1 構(gòu)建預防性決策維修模型

在風電機組中，假設(shè)其有N個部件，忽略其機會維修，那么其維修費用的總數(shù)可以用這個模型來計算：

其中上面的公式是用來計算預防性維修策略的總費用的，下面的公式計算的是維修的次數(shù)。在計算總費用的公式中，將CP(i)設(shè)置為部件i的預防性維修費用，C0是在進行機械維修時，其成本與停機時損耗的資金的綜合，Ce是在維修的時候，根據(jù)其上網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的平均經(jīng)濟收益方面的損失量。在計算維修次數(shù)的公式中，T是機組正常運行所用的時間。在這個維修模型的基礎(chǔ)上，進一步完成模型的完善工作，使維修技術(shù)在模型的支持下更加可靠，確保在維修的時候，各個部件都能夠得到充足的維修時間和費用，進而提高保機組的可靠性，以及將其投入實際運行中的實用性。

4.2 優(yōu)化計算方式

二次拋物線插值法就是本文優(yōu)化計算公式的方法。這種方法會因為區(qū)間的變動而變動，進而影響導致多項式與函數(shù)的最優(yōu)點距離，隨著區(qū)間的不斷縮小，直到達到精度方面的要求的時候，就會實現(xiàn)迭代終止的目標。如此可見，這種方法能夠有效地減少目標函數(shù)出現(xiàn)雅可比矩陣的情況，相對來說，其求解的過程也較為簡單。而防御性機會維修模型中的目標函數(shù)與其他模型不同，其并不是ΔR的顯函數(shù)，沒有辦法求解海森矩陣。因此，就可以采用優(yōu)化后的算法進行求解，確保每個ΔR在給定之后都可以求出Cop，并且通過低次插值多項式來將目標函數(shù)擬合，這樣就可以計算出想要的結(jié)果，求取出最優(yōu)解。通過將計算方法進行優(yōu)化，讓計算方法更加適合預防性機會維修的計算，這樣就能夠大大地提升維修策略的可行性，減少風力發(fā)電系統(tǒng)在維修方面的經(jīng)濟損耗。

4.3 預防性機會維修策略

在預防性機會維修正式開始時，需要將風力發(fā)電機的參數(shù)初始化，并且給每個部件都要進行編號處理。然后，使用二次拋物線插值法來進行計算公式的優(yōu)化，從而得出維修的最優(yōu)解。接著，使用相關(guān)的公式求出機會維修N個部件需要消耗的時間的區(qū)間。之后記錄下來最先達到并超出范圍極點的部件，并將其設(shè)定為預防性維修部件。此后還需要判斷其他部件的情況，看是否還有滿足要求的部件，如果有則將滿足條件的部件記錄下來，并將其設(shè)定為機會維修部件，對所有滿足條件的部件進行6修，如果沒有則直接進行預防性部件的維修。由此達到更新所有部件的目標。接下來，還需要判斷機組運行的時間是否比T大。如果是，則統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，并且計算出最后的維修費用。如果不是，則需要重新記錄最先達到時間最長范圍的部件，并且進行之后的判斷和計算。由此實現(xiàn)風電系統(tǒng)中的預防性機會維修的目標，節(jié)省總體的維修費用。

5 仿真案例分析

5.1 風電系統(tǒng)構(gòu)成

本文主要研究采用的是風電機機組成的風電場，一共由40個組成，功率為1.5MW，對于每臺風機進行規(guī)劃，設(shè)計的運行時間為20年。任意選擇一臺風電機組，對于各個重要的部件，進行機會維修對策的思考工作，比如齒輪箱、主用軸承、發(fā)電機以及主應(yīng)用軸，對于這4個關(guān)鍵的位置進行分析。依據(jù)對風電場的了解，掌握大型異常問題的數(shù)據(jù)，將其匯總進行分析，可以得到這4個部位故障產(chǎn)生的時間規(guī)律，它們和威布爾的分布一致。接下來，分析各個部件模型決策的過程，開始時，將風機的參數(shù)初始化處理，展開部件的編號，利用二次拋物線的方式，利用插值法進行優(yōu)化，得到最優(yōu)的解，記錄最先達到機會時間的部件，進行部件的編號，這就是預防性維修的部件，判斷除了它之外的有關(guān)部件，看它能否滿足時間的間隔范圍，將所有滿足部件條件的值記錄下來，它就是機會維修的部件，上述得到的部件和滿足條件的部件進行協(xié)同處理，在同一時間內(nèi)進行維修，更新所有部件用于維修的時間，判斷機組的時間，和T值進行對比，如果前者呈現(xiàn)出大于等于后者的關(guān)系，就可以進行統(tǒng)計，得到最小維修的費用。研究以上的四個部件，依據(jù)具體的無異常狀態(tài)的運行標準，分析風機重要部位的可靠程度，進行加工標準數(shù)值的對比，展開預防性的維修，實現(xiàn)定時處理。

5.2 機會維修區(qū)間

分析風機重要部位的可靠程度，對其預防性維修進行研究，可以將預防性維修的間隔時間計算出來，依據(jù)任意的維修裕度，可以應(yīng)用具體的式子求出機會維修時間的間隔數(shù)值，這樣就可以得到各個部件在此方面的時間間隔，最后可以將機會維修的區(qū)間確定下來。依照機會維修策略決斷的流程，可以將對應(yīng)的費用計算出來。不一樣的機會維修可靠度，在維修裕度方面，對應(yīng)不一樣的維修費用。

對于風機的各個部位，如果不同的時節(jié)情況下，涉及的維修費用是不一樣的，那么就可以同樣將預防性維修費用計算出來，還可以計算固定維修方面、停機損失方面等，在不同的數(shù)值情況下，得到不一樣的可靠度維修裕度，獲取總維修費用的情況，將二者的關(guān)系得到。如果進行頻繁的維修，就會導致總的預防性維修費用增加，加劇總的維修成本，還要注意如果維修得過早，影響部件的可用性。

5.3 預防維修策略

依據(jù)模型的決策，可以得到各個部件的情況，獲得預防性維修的次數(shù)，了解機會維修的次數(shù)，假設(shè)以四年為一個周期，對于主軸承進行預防性的維修，會產(chǎn)生一些固定的成本，還會涉及停機的損失費等，維修主軸承的階段，其他的三個部件都會獲得機會，這個機會是屬于和主軸承同時進行的，有助于減少總的維修費用。如果沒有將機會維修考慮進來，各個部件的預防性維修的次數(shù)就可以依據(jù)關(guān)系式直接算出來，通過分析可以明確，對于預防性維修內(nèi)容，獲得總的預防性維修次數(shù)，與不考慮機會的總次數(shù)進行比較，次數(shù)明顯少于后者，對于主軸來說，它多了機會維修的次數(shù)，由于節(jié)省了次數(shù)，可以節(jié)省很多的費用，利用預防性機會維修的方式，明顯地減少了成本。所以，機會維修的策略可以有助于分攤處理，體現(xiàn)了更好的科學性。

6 結(jié)語

基于可靠性角度，對當前我國的風力發(fā)電系統(tǒng)故障問題進行研究，從而形成更加精準的預防性維修區(qū)間，定位維修時間，尋找適當?shù)目煽啃跃S修裕度，保障能夠有效降低維修成本的同時，形成最優(yōu)的維修效果。