摘要：风电机组是由多部件构成的复杂系统，多位于运行环境恶劣的偏远地区，各部件功能结构复杂、驱动载荷随风速波动变化，事故频发，整体维修成本偏高，且机组的停机维修会产生较大的停机损失。因此，必须制定合理的风电机组维修策略，以减少风电机组总的运行维护成本。目前，风电机组采取的维修策略主要包括以时间为标准的计划维修、事后维修、组合维修以及机会维修等多种方式，但都没有考虑上次维修对各部件下次维修造成的影响，认为每次维修都使机组部件“修复如新”，这显然不太合理。在风电机组维修中，各部件在维修时存在经济相关性，由于各部件单独维修时产生的固定维修费用高昂，因此除需要考虑上次维修对下次维修造成的影响，还需要考虑各部件在维修时的相互配合，制定更合理的维修策略。提出一种考虑不完全维修的机会维修策略来实施风电机组的优化维修，各部件在维修之后，由于“修正因子”的作用，故障率函数不断得到修正，有效解决上次维修对下次维修造成的影响，考虑各部件在维修上的相互协调，在单部件预防性维修的基础上加入机会维修的概念，通过对风电机组总维修费用的优化，得到各部件的机会维修区间，最后，制定出考虑不完全维修的风电机组的机会维修策略。
关键词：风电机组；机会维修；修正因子；预防维修
1风电机组各部件的不完全维修建模
1.1各部件的初始故障率函数设风电机组各部件的故障率服从威布尔分布，如式（1）：
式中：η为尺度参数，表示特征寿命；β为形状参数。参数η和β的可结合风电机组各关键部件的历史故障数据统计记录，利用最大似然估计方法计算得到。由故障率函数h(t)可以推得其可靠度函数R(t)的表达式为：
1.2各部件的不完全维修模型
现实中，随着维修次数以及役龄的增加，使部件的故障率上升速率加快。因此，必须考虑上次维修造成的影响，本文提出“修正因子”的概念来解决这一问题，“修正因子”包括“役龄修正因子”和“故障率修正因子”。a.“役龄修正因子”：在上次维修之后再重新投入运行时，部件的初始故障率函数不再从0开始，即出现初始役龄累积。本文用λ(0≤λ≤1)表示“役龄修正因子”，体现在式(1)上时如式(3)所示。
其中，i(i=0,1,2…)表示部件维修次数，hi+1(t)表示部件第i次维修之后的故障率函数，Ti表示第t-1次维修和第i次维修之间的时间间隔，λ表示“役龄回退因子”。由式(3)可以看出，在第i次维修之后，重新投入运行时，初始故障率不再等于零，hi+1(t)可以用hi(t)平移得到。b.“故障率修正因子”：随着维修次数的增加，故障率增加的速度会逐步变快，主要体现在基本危险函数的斜率上，即基本危险函数有初始斜率累积。本文用μ(μ≥0)表示“故障率修正因子”，体现在式(1)上时如式(4)所示。
由式(3)可以看出，在第i次维修之后，重新投入运行时，初始故障率斜率变大，体现在故障率曲线上时，hi+1(t)可以用hi(t)变大斜率得到。综合考虑“役龄修正因子”和“故障率修正因子”的影响作用，体现在故障率函数时，可得部件的不完全维修模型如下：
2考虑不完全维修的机会维修策略
机会维修策略，是指当机组某个部件进行预防性维修时，为其它部件提供了可以同时维修的机会，此时判断其它部件是否进入自身的机会维修区间，若进入则同时进行维修。机会维修策略可以最大限度的节省每次维修带来的固定维修成本、停机损失等，使总维修成本最小化。而考虑不完全维修的机会维修策略，是在机会维修的基础上，考虑“修正因子”的作用，每次维修之后，对各部件的故障率函数进行修正，更加符合部件的实际维修情况。设定风电机组有M个关键部件，对于部件j(i=1,2,…,M)来说，当其故障率函数达到预防性维修阈值hp(j)时，对其进行预防性维修。同时对部件j定义一个机会维修阈值ho(j)，且满足ho(j)<h(t)，当其它部件进行预防性维修时，若部件j的故障率满足ho(j)<h(t)<hp(j)时，对部件j进行机会维修。在风电机组的可靠性中，各部件的预防性维修阈值hp(j)往往都是给定的，只需要求出各部件的机会维修阈值ho(j)，便可对部件实施考虑不完全维修的机会维修。
下文通过建立费用最优函数，并对其进行优化，可以得到各部件的机会维修阈值ho(j)。设定部件j的预防性维修费用为Cp(j)，停机损失为C1，固定维修费用为C0，预防性维修次数为mp(j)，机会维修次数为mo(j)。在风电机组到达运行要求年限T之前，产生的最小总费用可以通过如下的模型求解。
其中，式(6)为目标函数，是通过优化M个部件的机会维修阈值ho(j)使总维修费用最小；约束条件式(7)要求满足ho(j)<hp(j)，约束条件式(8)表示当总运行时间大于T时，优化计算进程结束。若不考虑机会维修的概念，采用单部件的预防性维修策略，则风电机组整体的维修就变为各部件预防性维修的简单叠加，总成本可以通过下式求得。
3算例分析
3.1风电机组各部件参数
以下采用某风电场的风电机组进行仿真分析，任选一种类型的风电机组，对主轴承、低速轴承、高速轴承、发电机前轴承、发电机后轴承5个关键部件进行分析，该类型机组规定运行年限为15年。5
个部件分别编号为1到5。表1给出了各部件的威布尔分布参数、维修因子、预防维修可靠度要求以及维修费用。
通过表1中的预防性维修可靠度Rp(j)，再结合式(1)、(2)可以求得各部件的预防性维修阈值hp(j)如表2所示。
3.2机会维修策略仿真分析
运用二次抛物线插值法对式(6)进行优化，可得各部件机会维修阈值如表3所示。
考虑“修正因子”的作用，从开始投入运行到第15年之间基于机会维修策略的风电机组各部件维修行为如表4所示。
在15年之内，部件1(主轴承)和部件2(低速轴承)只进行了机会维修，而没有进行主动的预防性维修；部件4(发电机前轴承)只进行了1次预防性维修，其它都是机会维修；部件3(高速轴承)和部件5(发电机后轴承)进行的预防性维修较多，为其它部件的维修提供了较多的机会。较多的部件进行机会维修能有效的节省固定维修成本和停机损失。由于“修正因子”的作用，各部件每两次预防性维修和机会维修之间的时间间隔都在逐步缩小，随着真实役龄的增加，被维修的部件数量增加，部件的维修越来越频繁，这与部件的实际衰老情况相吻合。
4结语
本文提出了考虑不完全维修的机会维修策略，引入“役龄修正因子”和“故障率修正因子”来解决各部件上次维修对下次维修造成的影响；引入机会维修的概念，在预防性维修阈值的基础上为各部件定义机会维修阈值，协调各部件的维修；以维修总费用为目标，优化各部件的机会维修阈值，使费用目标最小化；依据该策略，制定风电机组的维修决策过程；最后通过算例仿真，证实了该策略在风电机组维修中的有效性和科学性。
参考文献:
[1] 施跃文，高 辉，陈 钟．国外特大型风力发电机组技术综述[J]．电网技术，2008，32(18)：87-91．
[2] 吴佳梁，王广良，魏振山．风力机可靠性工程[M]．北京：化学工业出版社，2011．
[3] 苏 春，周小荃．基于有效年龄的风力机多部件维修优化[J]．东南大学学报(自然科学版)，2012，42(6)：1100-1104．
[4] 李大字，冯园园，刘 展，等．风力发电机组可靠性建模与维修策略优化[J]．电网技术，2011，35(9)：122-127．
论文作者:申伟源
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：部件论文; 故障率论文; 机组论文; 机会论文; 预防性论文; 因子论文; 风电论文; 《电力设备》2018年第30期论文;