海上风电运行维护策略研究

符 杨，许伟欣，刘璐洁

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

海上风电运行维护策略研究

符 杨，许伟欣，刘璐洁

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

海上风电场运行维护费用约占总发电成本的25%～30%，这在一定程度上制约了海上风电产业的发展.分析了海上风电运行的维护成本，阐述了计划维护、状态监测、事后维护等海上风电机组的维护策略，并对比其优劣，对后续研究方向进行了展望.

海上风电;运行维护成本;维护策略

近年来，风电产业的重要性日益突出.按照其安装地点可分为陆上风电和海上风电两大类，由于陆上风电占地面积大，而土地资源紧缺，风电逐渐向海上风电产业发展.与陆上风电相比，海上风电具有风资源丰富、湍流强度小、视觉和噪声污染小等优势.但海上风电的运行维护成本较高，这成了制约海上风电发展的一大瓶颈.

1 海上风电运行维护的特点

海上风电机组由于长时间运行于海上极端恶劣的环境中，其设备故障率显著增高.设备发生故障后，需要安排足够的运行维护人员、相应的备件、合适的船只进入海上作业，费用昂贵.另外，受到风速、浪高等气候条件的限制，海上的可进入性较差，在机组故障停机后，需要等待一个合适的天气状况才可进入海上执行维护任务，从而延长了机组故障停机时间，造成巨大的发电量损失.这些因素造成了海上风电运行维护成本过高.要想降低运行维护成本，可以考虑设计适合海上气候环境的风电机组，提高机组可靠性以及优化运行维护策略，本文主要针对优化运行维护策略展开.

2 海上风电运行维护策略

维护策略的种类是多样化的，大体分为基本维护策略和建立在基本维护策略基础上的适合多部件的复杂维护策略，具体如图1所示.

图1 维护策略分类

2.1 预防性维护策略

预防性维护是指在部件发生故障前对其进行相关维护，使机组能运行在正常状态.文献［1］指出预防性维护一般包括调整、润滑、检查、擦拭、定期拆修更换等活动.预防性维护又可以进一步细分为基于时间的维护(即计划维护)和基于状态的维护(即视情维护).

2.1.1 计划维护策略

计划维护是指在对设备的故障规律有一定认识的基础上，无论设备的状态如何，按照预先规定的时间对其进行维护的方式，常用的计划维护周期有半年、1年、2年或5年.

计划维护策略的优化研究，主要集中在优化计划维护周期.计划维护周期选择不恰当，就会出现过度维护或维护不足的现象，最终造成维护成本过高或可靠性过低的后果.

文献［2］在风电机组可靠性模型的基础上构建了计及风电机组老化过程、老化故障、随机故障、计划维护的网络结构图，以可用度为评价指标优化了计划维护的时间间隔.文献［3］在其成本函数中计及齿轮箱更换成本和齿轮箱故障后的故障维护成本，优化了齿轮箱计划维护的时间间隔，从而使系统单位时间内的维护成本最低.文献［2］和文献［3］考虑的是完全维护，即修复如新的情况，对计划维护进行了等周期间隔的优化.但在实际情况中，随着计划维护次数的增加，设备的故障率也逐渐增加，采用等周期计划维护时，过度维护和维护不足的问题会愈发严重.文献［4］考虑了不完全维护的情况，引入役龄回退因子对设备维护后的故障率进行修正，以总成本为评价指标优化了非等周期预防维护的次数和间隔.

文献［2］至文献［4］都是针对陆上风机所做的研究，目前对海上风机的维护策略优化研究取得的成果比较少，并且主要集中在国外.文献［5］将海上风机的叶片故障分为轻微故障和重大故障，其中轻微故障只会导致叶片捕获风能的能力下降，而重大故障会导致机组停机，以维护总成本为目标函数，提出了基于最优数量的计划维护策略，优化了进行计划维护前叶片发生轻微故障的次数.

2.1.2 视情维护策略

视情维护策略是指在设备中安装数据采集装置，根据其实际运行情况安排相关维护.计划维护是根据理论上的设备故障规律安排维护的策略，但在实际情况中会出现一定的偏差.尤其是海上风电机组长时间运行在恶劣的环境中，风速过大、海浪过激甚至是闪电、雷暴、结冰等都会加速设备的恶化，因此仅采用计划维护是远远不够的.

文献［6］至文献［9］分析了风电场的运行周期成本，并对比了仅采用计划维护策略和仅采用视情维护策略的相关经济指标和可靠性指标，得出了采用视情维护策略可降低运行维护成本并提高可靠性的结论.但安装状态监测设备的成本也是十分高昂的，并非所有部件都适合.文献［10］和文献［11］通过概率模型评价了基于状态监测的维护对运行维护成本的影响，并得出该影响与装设状态监测部件的更换成本、该部件故障导致的停机时间等因素有关.因此，对于故障后果较严重、更换成本昂贵的重要部件(如叶轮、齿轮箱、发电机等)才适合安装状态监测设备.对不同部件安装状态监测设备后，应根据相应数据进行故障检测和诊断并做出是否进行维护的决策.文献［12］指出目前适用于海上风电故障诊断的方法有传统故障诊断法、数学诊断法和智能诊断法3种.文献［13］通过采集齿轮箱的温度信号，构建了齿轮箱正常工作情况下的温度模型，当温度偏离正常工作区间时，判断是否需要安排维护，该方法就属于数学诊断法.

目前，故障诊断技术主要针对单一故障，而海上风电机组是一个复杂的多部件系统，常常会发生混合故障，针对混合故障的诊断技术研究相对较少，这将会是未来的一个研究方向.对混合故障诊断技术的研究也会对具体运行维护策略的制定产生影响，在进入海上执行运行维护活动时，可以将具有故障相关性的部件统一维修，不仅可以分摊固定维护费用，还能降低短期内发生多次故障的可能性.

2.2 机会维护策略

机会维护策略的基本思想是当某一部件发生故障时，其余部件获得了提前进行预防性维护的机会，通过判断部件是否满足相应维护条件，做出维护决策.

机会维护一方面可以将多种维护措施一并进行，分摊高额的固定维护费用;另一方面，通过“机会”这一概念将整个风电场的各个机组联系在一起，便于对风电场这一整体进行维护策略的优化.文献［14］至文献［16］以评价费用率为目标函数，以风机关键部件的预防性维护阈值和机会维护阈值为优化对象，构建了机会维护模型.文献［17］给出了两类机会维护模型，第一类将计划维护和事后维护相结合，以维护费用节余为目标函数，引入役龄递减因子和故障递增因子，通过枚举法列出机会维护的可能组合，从中选出最优方案，但是未考虑进行机会维护时部件是否满足机会维护役龄.第二类将状态监测和计划维护相结合，以维护结余成本比率最大为目标函数，优化维护策略.文献［14］至文献［17］都是针对单台风机进行的机会维护策略优化，并没有充分发挥其优势.文献［18］至文献［20］提出了海上风电机会维护的优化模型框架，并对某5×3 MW海上风电场的维护时间进行了优化安排，结果表明应用机会维护后节约了43%的维护成本.其中，文献［18］针对海上风电场这一整体做出运行维护策略优化，充分发挥了机会维护的优势，但是并未优化机会维护的阈值.文献［21］中对仅考虑完全维护、不完全维护，以及两种均考虑的维护措施，给出了相应的海上风电场机会维护优化策略，通过对比得出，两种均考虑的维护措施的机会维护成本最低.该作者又进行了更深层次的研究，随后在文献［22］中将风电场的各个机组区别对待，某机组的部件发生故障后，该机组的其余部件以及其他正常机组的各个部件都获得了维护机会，并对故障机组和其他机组设置不同的机会维护阈值，从而实现对维护策略的优化.

机会维护可以实现维护固定成本的分摊，但在维护过程中，一次需携带的备件较多，对船只的要求更高，对维护成本的影响较大，目前，对机会维护策略的研究仅仅局限于考虑经济相关性方面，忽略了维护相关性和随机相关性，这将是进一步研究的方向.

2.3 事后维护策略及其他策略

事后维护策略是指设备发生故障前，不对其进行预防性维护，直至设备发生故障后再安排相关人员进入海上进行维护.但由于故障的发生具有随机性，因此没有足够的时间提前准备好相应的备件、船只以及人员，该措施只适用于重要程度低、维护成本低的设备.

维护策略能否顺利执行，还要取决于气候、备件、船只等因素.海上风电的气候条件特殊，因此可及性是海上风电维护必须考虑的因素.计及到达机组的时间和维护所需的时间，必须等待合适的天气状况才可以安排维护.另外，风速、浪高等天气因素还会影响船只的选择，文献［23］中列出了适合不同天气状态使用的船只，运用网络结构图以总成本为优化目标对单台风机故障情况下的运行维护人员数量和运输方式进行了分析.文献［24］至文献［26］分析了在不同天气情况下，运输设备的数量和类型对风电场可用率的影响.

何时对何种设备进行备件，是运行维护过程中必须考虑的一个问题.备件不及时会延长维护前的等待时间，而备件过早则会增加仓库费用.文献［27］在状态监测的基础上建立了故障延时的概率模型和基于时间序列的预测模型，以确定备件的时刻，从而提高运行维护执行的效率.

3 结语

目前，对海上风电运行维护的研究主要以单台风电机组为对象，但实际上每台风机的运行维护都不是独立的，以海上风电场作为研究对象整体优化维护策略将涉及到风电机组维护的顺序和路径选择等问题，也是今后的研究方向之一.

［1］左洪福，蔡景，王华伟.维修决策理论与方法［M］.北京:航空工业出版社，2008:28-34.

［2］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.

［3］刘华鹏.基于威布尔分布的风机齿轮箱元件最优更换时间［J］.电网与清洁能源，2011，27(4):62-65.

［4］毛昭勇，宋保维，潘光，等.预防周期不同的最佳系统预防性维修优化模型［J］.火力与指挥控制，2010，35(3): 58-60.

［5］SHAFIEE M，PATRIKSSONM，STROMBERGAB.An optimal number-dependent preventive maintenance strategy for offshore wind turbine blades considering logistics［J/OL］.［2014-08-15］.http:∥www.hindawi.com/journals/aor/ 2013/205847.

［6］NILSSON J，BERTLING L.Maintenance management of wind power systems using condition monitoring systems—life cycle cost analysis for two case studies［J］.Energy Conversion，IEEE Transactions on，2007，22(1):223-229.

［7］TIAN Z，JIN T，WU B，et al.Condition based maintenance optimizationforwindpowergenerationsystemsunder continuous monitoring［J］.Renewable Energy，2011，36(5):1 502-1 509.

［8］WALFORD C A.Wind turbine reliability:understanding and minimizing wind turbine operation and maintenance costs［M］.Department of Energy，2006:7-15.

［9］RADEMAKERS L，BRAAM H，OBDAM T S，et al.Operation and maintenance cost estimator(OMCE)to estimate the future O＆M costs of offshore wind farms［C］∥Stockholm:Proc.of European Offshore Wind 2009 Conference，2009:14-16.

［10］MCMILLAN D，AULT G W.Condition monitoring benefit for onshore wind turbines:sensitivity to operational parameters［J］.IET Renewable Power Generation，2008，2(1):60-72.

［11］HOSSEINI M M，KERR R M，RANDALL R B.An inspection model with minimal and major maintenance for a system with deterioration and Poissonfailures［J］.Reliability，IEEE Transactions on，2000，49(1):88-98.

［12］郑小霞，叶聪杰，符杨.海上风电机组状态监测与故障诊断的发展和展望［J］.化工自动化及仪表，2013，40(4): 429-434.

［13］郭鹏，杨锡运.风电机组齿轮箱温度趋势状态监测及分析方法［J］.中国电机工程学报，2011，31(32):129-136.

［14］赵洪山，鄢盛腾，刘景青.基于机会维修模型的风电机组优化维修［J］.电网与清洁能源，2012(7):1-5.

［15］HU J，ZHANG L.Risk based opportunistic maintenance model for complex mechanical systems［J］.Expert Systems with Applications，2014，41(6):3 105-3 115.

［16］ZHOU X，XI L，LEE J.Opportunistic preventive maintenance scheduling for a multi-unit series system based on dynamic programming［J］.InternationalJournalofProduction Economics，2009(2):361-366.

［17］周健.基于机会维修策略的风电机组优化检修［D］.北京:华北电力大学，2011.

［18］BESNARD F，PATRIKSSONT M，STROMBERGT A B，et al.An optimization framework for opportunistic maintenance of offshore wind power system［C］∥PowerTech，2009 IEEE Bucharest.IEEE，2009:1-7.

［19］LAGGOUNE R，CHATEAUNEUFA，AISSANID.Opportunistic policy for optimal preventive maintenance of a multi-component system in continuous operating units［J］.Computers＆Chemical Engineering，2009，33(9):1 499-1 510.

［20］LAGGOUNE R，CHATEAUNEUF A，AISSANI D.Impact of few failure data on the opportunistic replacement policy for multi-component systems［J］.Reliability Engineering＆System Safety，2010，95(2):108-119.

［21］DING F，TIAN Z.Opportunistic maintenance optimization for windturbinesystemsconsideringimperfectmaintenance actions［J］.International Journal of Reliability，Quality and Safety Engineering，2011，18(5):463-481.

［22］DING F，TIAN Z.Opportunistic maintenance for wind farms considering multi-level imperfect maintenance thresholds［J/ OL］.［2014-08-15］.http:∥www.sciencedirect.com/ science/article/pii/s0960148112001802.

［23］边晓燕，尹金华，符杨.海上风电场运行维护策略优化研究［J］.华东电力，2012，40(1):95-98.

［24］SCHEU M，MATHA D，HOFMANN M，et al.Maintenance strategies for large offshore wind farms［J/OL］.［2014-08-15］.http:∥www.sciencedirect.com/science/article/ pii/s1876610212011502.

［25］BESNARD F，FISCHER K，TJERNBERG L B.A model for the optimization ofthemaintenancesupportorganizationfor offshore wind farms［J］.Sustainable Energy，IEEE Transactions on，2013，4(2):443-450.

［26］GUNDEGJERDE C，HALVORSEN I B.Vessel fleet analysis for maintenance operations at offshore wind farms［J/OL］.［2014-08-15］.http:∥www.sciencedirect.com/science/ article/pii/s1876610213012563.

［27］WANG W，SYNTETOS A A.Spare parts demand:Linking forecasting to equipment maintenance［J］.Transportation Research Part E:Logistics and Transportation Review，2011，47 (6):1 194-1 209.

(编辑 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

许伟欣(1990-)，女，在读硕士，江苏扬州人.主要研究方向为风电运行维护.E-mail:Mjolar_xwx@ 163.com.

国家自然科学基金(51177098);上海绿色能源并网工程技术研究中心项目(13DZ2251900);国家高技术研究发展计划项目(2012AA051707);上海市重点支撑攻关计划项目(13160500800);上海市重点科技攻关计划项目(2011YPCX03_006).