摘要：随着我国经济的快速发展，各行各业都在快速发展。海上风电机组与陆上不同，受海上天气条件及运行维护策略的影响较大。在充分考虑了海上风浪等天气因素的基础上，将海上风电机组的运行维护方案根据机组故障部件不同、修复时需要的辅助设备及修复时间等差异进行归纳分类，并结合风电机组各部件平均故障率和平均修复时间，提出一种适用于不同海上风电场的风电机组可用性评估方法。
关键词：海上风电机组；运行维护；可用性；可用率；灵敏度
1海上环境对机组可用性的影响
风电机组的大部分设备在户外运行，直接暴露于空气中，陆地风电机组维护只需地勤可实时解决，而海上风电场由于适合海上作业的风浪条件有一定限制，可进入性较差，有时维护工作不能立即实施。现场经验表明，海上维护检修工作一般在风速Ｖｗ＜15m／s、浪高Hs＜2m条件下实施。据此，在风浪条件不满足时，风电机组一旦发生故障，工作人员通常需等待数小时乃至数天直到天气满足可进入条件，方可赶赴故障处实施维修。统计数据显示，当故障维修需出海时，由天气原因造成的设备停运时间可占到海上风电场维修总时间的近50％。另外，部分风电机组部件故障维修所需的辅助设备繁多、操作复杂，使得相应的故障修复时间延长，继而导致停运时间增加，机组平均可利用率降低。因此，海上风电场天气条件是制约机组运维实施的重要因素，也是影响海上风电机组可利用率的关键所在。在视觉条件不受影响的情况下，海上的运维作业基本只考虑风与浪的条件，同时根据国家海洋预报台对沿海海况的监测描述，海上平均风速与典型浪高近似有如图１所示的线性关系。本文将据此对海上天气条件进行简化。
2海上风电机组运维对可用性的影响
2.1海上风电机组的运维策略
海上风电场一般采用定期维护与故障检修相结合的运维策略。定期维护是预防性维修，根据事先制定的维护计划进行，一般安排在风速较小的情况下进行，因此，定期维护可以与风资源引起的强迫停运一起考虑，可以认为定期维护不会对风电机组的可用率造成影响。故障检修是指故障发生后进行的维护，其间隔周期具有不可预见性，维修方式从手动重启到更换大型部件等，依具体故障情况而定。由于故障元件的大小不同，所需的船只与设备也不尽相同，可能遭遇的天气及现实条件具有很大的随机性，导致海上故障检修相对陆上存在更多的不确定性因素。因此，由故障检修造成的故障修复时间及停运时间差异是本文对海上风电机组进行可用性评估研究的重点。
2.2海上风电场运维方案
海上风电场的运维方案必须基于天气因素（浪高、风速）及运维成本考虑，合理分配维护人员数量、船只（或升降台、起重机等），携带充足的备件，选择实时情况下的可进入方式。一个典型的海上风电机组故障修复逻辑如图2所示。
2.3运维对风电机组可用性的影响
从图2可以看出，海上风电机组的实际停运时间除了故障与维修之外，还与风电场的可进入性及运维管理密切相关，具体的逻辑关系如图3所示。因此，传统可靠性评估中的故障率与修复率数据已经不足以描述海上风电机组的可靠性，而且设备的平均修复时间又随着海上风电场天气及运维策略的不同存在较大的差异，难以统计。海上风电机组的可利用率需要结合具体的海上天气条件与运维策略进行分析。
尽管每个海上风电场的情况存在较大差异，但影响海上风电机组的运维策略制定和实施的主要因素却可以进行归纳整理，并进行定量分析。1）海上天气条件。对于特定的海上风电场而言，风电场相关的天气数据可以从相关的检测部分获得。根据上文的分析：海上风浪条件与视觉条件是影响风电机组运维策略最重要的几个因素，且海上风浪之间具有线性联系。因此，本文将海上风电场的风浪条件及影响视觉的夜晚、雨雾天气分开考虑，并且根据海上风电场可行性分析报告，获得风电场的风速分布频率与雨雾天气数据，从而获得相关运维策略的出海条件。2）海上风电场值班制度。故障判断、维护方案的选择与安排及设备的检修操作等均由相关人员完成，因此，海上风电场的值班制度对机组的运维影响很大。根据国内海上风电场值班情况，本文取海上作业值班人员工作制度为两班制，每班工作12h。3）海上风电机组故障维修逻辑及备件管理。风电机组中包含的设备繁多复杂，通常根据其结构与功能将机组分为发电机、轴承、电气系统、偏航系统、制动器、叶片、停机制动、变桨装置、齿轮箱、变频器、控制器等11个部件。在故障发生之后，根据故障检修所需要的船只、备件大小以及修复时间等检修方案的不同，将每个部件的故障类型统一划分为5类，分别对应5种维修方案M1-M5。M1-M5涵盖了海上风电机组故障的所有可能性，并且每种维修方案都包含了船只、备件、人员及维修任务耗费的平均时间等内容，具体见附录Ａ表Ａ2、表Ａ3。
3基于运维的海上风电机组可靠性评估
3.1每个部件的停运率计算
对风电机组的某个具体部件ｉ来说，假设该部件的故障率为Fi，该部件发生故障时根据维修方案对应的M1-M5类型的百分比分别为Pi1-Pi5，则可以获得该部件的停运率计算方法如下。正常天气条件下，出于安全及可操作性考虑，实际运行中，夜间、雨天、雾天等情况下发生故障时，一般不立即安排检修工作，待下一个满足出海条件的白班到来时再执行维修任务，但可进行人员、船只及备件等修复设备的准备工作。而白天发生故障时，则可根据故障修复条件的要求，安排准备工作或根据当时的天气状况出海进行维修工作。这里将雨天、雾天等正常天气下由于影响视线不能执行修复任务的天气，称为坏天气，其余可执行修复任务的天气称为好天气。也就是说，在正常天气下，部件ｉ发生故障时：①根据故障类型，确定维护方案Mj；②根据Ｍｊ的要求，等待备件、人员、船只等辅助设备的到位，即等待时间TMj；③准备工作完成后，好天气下，等待航行时间TSj与修复用时TFj后，设备可恢复运行；④坏天气下，需等待下一个好天气的白班时间及航行时间 与修复用时后，设备可恢复运行。
为了求解平稳状态下的平均修复时间，且根据上文分析可知，每个白班都有1－PD的可能性为坏天气，因此可以认为ｎ足够大。即式（1）可以简化得到部件ｉ在维修方案Mj下的平均修复时间：
在恶劣天气下，任何故障均不可修复，需等到恶劣天气结束后，方能出海进行检修工作。在时间充足的情况下，人员、船只及备件等可以在等待时间中进行调配。因此有：①恶劣天气大于故障等待时间ＴＭｊ时，需等到恶劣天气结束后，好天气的白班时间方可进行出海维修工作；②恶劣天气小于故障等待时间TMj时，需在等待时间TMj完成后，在好天气的白班情况下方可出海进行修复工作。
3.2海上风电机组可用率的计算
风电机组的11个部件之间相互联系，当其中任意一个部件故障时，都将导致风电机组的停运。同时考虑到在进行故障检修时，不同部件故障所需要的备件及辅助设备存在较大的不同，因此，可以认为风电机组中各个部件属于串联关系，由此可得海上风电机组的可用率为：
结语
本文在综合考虑海上风浪等不确定性因素和不同运维方案的基础上，提出了机组的可用性参数的计算方法，并对海上风电机组的可利用率进行评估，得到以下结论。1）海上风电机组的可利用率受海上天气条件及运维策略影响较大。本文提出的海上风电机组可用性评估方法适用于不同环境条件及运维策略的海上风电场。2）海上风电机组的可用率对轴承的故障率及低成本小备件的备件时间最敏感，说明降低轴承的故障率和充足的小备件以及快速反应的物流供货系统可以提高海上风电机组的可利用率。
参考文献：
［1］傅质馨，袁越．海上风电机组状态监控技术研究现状与展望［Ｊ］．电力系统自动化，2012.
论文作者:戴月涛,朱春萍,白茂金,徐大鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/6
标签：海上论文; 机组论文; 风电论文; 天气论文; 故障论文; 时间论文; 部件论文; 《电力设备》2017年第18期论文;