海上风力发电可靠性影响因素分析及提升方法

郭凯，张秀琦，曹斌，辛东昊，闫桂红

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

全球气候环境危机正在加速发展，给人类的健康和安全造成威胁，化石能源的过度使用是危机产生的主要原因。风电是目前技术成熟且具有较大开发价值的可再生能源，大力发展风电是实现能源清洁转型的重要方式，随着海上风电技术的不断成熟，海上风电已进入快速发展阶段[1-2]。我国海上风电规模自“十三五”以来保持高速发展，装机容量年增长率均在30%以上，未来有望成为全球最大海上风电市场。我国拥有较好的风能资源，且海上风电与“西电东送”的水电可以在出力上形成季节互补，同时，海上风电自带运行效率高、不占用土地、适宜大规模开发等优点，因此，国家风电发展政策逐渐向海上发电倾斜，市场前景广阔。但是与陆上风电相比，海上风电运行环境更加恶劣，台风、雷暴以及大雾等恶劣气象条件进一步增加了海上风电设备故障率，降低了故障维修效率，同时增加了设备修复时间[3-4]。因此，详细分析海上风力发电可靠性影响因素具有重要的意义[5-7]。

近年来，国内外多位学者已对海上风力发电可靠性展开了众多研究，文献[8]分析了风电变流器对海上风电场整体可靠性的影响因素，建立了考虑风电变流器故障和集电系统故障的海上风电场可靠性模型。文献[9]介绍了海上风电变流器的发展技术方向，并展望了提升风电机组变流器可靠性的相关技术。文献[10-12]均通过分析海上风电集电系统的可靠性，提出了海上风电集电系统可靠性的评估方法。文献[13]从全寿命周期角度建立了海上风电集电系统总成本模型，提出海上风电集电系统全寿命周期成本计算方法。文献[14]通过对海上风电技术的分析，提出海上风电机组运行维护中存在的可靠性问题。文献[15]建立了海上风电场升压站内设备的可靠性模型，提出海上升压站可靠性的评估方法，并在考虑海上风电发电指标的条件下，从充裕性和供电连续性等角度评估了升压站系统的可靠性。

由于海上环境复杂，维护作业容易受到天气环境因素的影响，在海上风电机组进行故障处理或检修作业时，恶劣的天气会产生更高的维护成本。目前，海上风电运维方式主要包括定期检修、状态检修和故障检修三种[16]。相关数据表明，运行维护成本约占海上风电场总成本的20%～35%[17-18]。与陆上风电机组不同，海上维护船的使用成本最高占到运维总成本的73%左右[19-20]。文献[21]通过对近些年国内外海上风电运维策略的研究现状进行叙述，提出了我国海上风电的发展及技术方向。文献[22-23]分别从海上风电可靠性、故障维修等方面进行了策略研究。本文分析了海上风力发电可靠性的影响因素，提出了可靠性的提升方法，并对未来研究工作进行了展望。

1 海上风力发电可靠性影响因素

1.1 海洋环境

海上环境复杂多变，高湿度和高盐度的环境会对海上电气设备的防潮防腐带来问题，在一定程度上影响电力系统的稳定与安全运行。

1.1.1 湿度

远海一般为高湿度的环境，相对湿度大于80%，加速海上风电场电气设备的绝缘老化及金属材料的腐蚀。风电机组塔筒内部及外部表面均有聚合树脂和镀锌合成的防腐材料，高湿环境会加速防腐材料的老化，造成防腐材料的附着力减小，性能下降，导致风机塔筒底盘及其本身的金属材料受到腐蚀。风电机组叶片的材料多为玻璃钢复合材料，高湿环境会使其本体内部因为吸湿而产生溶胀，导致本体刚度降低。风电机组机舱内部易生霉菌，霉菌代谢过程分泌酸性物质，与绝缘材料相互作用，导致风电机组部件绝缘性能下降，齿轮箱和发电机润滑油油温升高，黏度下降，机组发生故障。

1.1.2 盐雾

沿海地区空气湿度大、温度高，海水中的盐分易蒸发，使溶于空气的水滴中形成盐雾。在沿海地区空气中，形成的盐雾会电离出较多的氯离子，渗透进金属材料内部发生化学反应，导致金属材料的设备部件严重腐蚀。由于海上风电场长期处于高盐雾、高湿度环境中，其电气设备内部的触头或者线圈被腐蚀后，发生短路或绝缘性能下降，特别是大气中存在的某些颗粒物与海上盐雾在风机叶片表面上形成覆盖层，对叶片的气动性能产生影响，不利于风电机组的安全运行。

1.1.3 极端天气

叶片是风电机组在遭受台风时最容易损坏的零部件。当台风来临时，风会从风电机组的垂直叶面方向急速吹入，导致叶片的不确定性载荷增加，发生振动，严重时使叶片产生裂纹或折断。台风有可能导致连接风机的主轴承座发生偏移，致使风机地脚折断。

随着海上风电机组装机容量的持续增加，为了获取更多的风能，机组的轮载高度也需要不断增加，这样就会导致风电机组遭受雷击的可能性大大增加。在雷击故障中最容易被击中的部分是叶片尖部，雷电击中叶片尖部后，瞬间释放大量的能量，使叶片内部膨胀，产生巨大的机械力，造成叶片开裂。

当出现冰冻的极端天气时，风电机组的叶片会覆冰，使载荷增加，严重影响叶片的寿命，同时由于每个叶片上的冰载不同，使机组的不平衡载荷增大。如果没有及时采取应对措施会对机组的安全运行造成严重的危害，面临脱网停机的可能，同时拉低全年的整体发电量，严重影响风电机组的可靠性。

1.2 海上风电机组

1.2.1 基础结构

海上风电机组所处的环境与陆上风电机组截然不同，技术更加复杂，在对海上风电系统进行设计和建造时，需对海上的恶劣自然条件和环境条件带来的影响进行深入分析。为承受海浪冲击、强风载荷、海水腐蚀等环境问题，对海上风电机组基础建设技术要求更加严格。现阶段，海上风电机组基础主要分为底部固定式和悬浮式。底部固定式基础底端直接与深海刚性连接，不易发生大范围的晃动。但因为基础结构需要长期浸没在海水中，所以要不断受到海浪的冲洗和海水的腐蚀作用，因此易发生松动，影响风机运行的可靠性。悬浮式基础基本上适用于深海区域，建设成本大大降低，但是在极端环境中，例如强风下，其稳定性远不如底部固定式基础。

1.2.2 冷却系统

冷却系统作为风电机组的重要部件，负责冷却风电机组的变流器、齿轮箱、发电机等散热部件，保证其运行温度正常。提高冷却系统的可靠性有助于提高风电机组效率和延长绝缘寿命。冷却系统主要采用液冷和风冷两种方式，对于海上风电机组，如果采用风冷系统需要的风量会很大，而且海风有盐雾，所以海上风电机组应采用液冷系统。同时，液冷系统可充分利用海洋优势，采用海水对机组进行冷却，达到稳定的冷却效果。

1.2.3 传动系统

传动系统作为风电机组最重要的系统，在进行设计、制造以及安装维护等方面对风电机组可靠性有着重要的影响。风电机组传动系统主要采用双馈式和直驱式进行布置。根据主传动系统设计的不同，风电机组主轴结构方案有多种形式，其形式不仅仅对风能转换效率有影响，还对主传动链的维护成本以及可靠性有着重要影响。

直驱式风机永磁电机没有滑环碳刷和励磁绕组，可靠性和效率高且容易维护，但制造成本较高；而双馈式风机励磁电机需要滑环和励磁绕组，运维成本高，且较永磁电机效率低，转子部分的质量较重，但制造成本低。因此，充分考虑到海上风电机组需具备较高可靠性的要求，直驱式风机永磁电机更适合。

1.2.4 控制策略

风电机组有功和无功控制技术均会影响海上风电的可靠性。风电机组的有功控制如超速减载、变桨、惯量响应等会对机组的载荷产生影响，尤其风电机组在无备用运行方式下参与电网调频时，由于风电机组需要释放大量的风轮转速以支撑电网频率，风轮转速更容易越限而造成机组脱网。风电机组的无功控制会影响变流器直流侧母线电压，进而影响机组的故障穿越能力，使得风电机组在电网电压变化时不能稳定的运行。此外，风电场的无功补偿设备也会对风电机组的变流设备产生影响。因此，风电机组的无功控制需与无功设备相互协调配合，否则将会影响风电机组运行可靠性，甚至导致风电机组脱网。

1.3 海上升压平台

1.3.1 基础承载力

海上升压站的地下基础型式根据其地质条件、上部结构、深海环境等条件，可以选择采用多桩基础、单桩基础或导管架基础等。对于上部组成质量较轻、地质和水深条件合适的区域，单桩基础较为适用；对于上部组成质量较重、地质条件较好以及水深较浅的区域，多桩基础较为适用；考虑到导管架基础的范围较广，可以在深海区域采用导管架基础。不管应用哪种基础型式，都要保证海上升压站在地震、台风、海浪等环境下，具备足够的承载力。同时，考虑到运输和就位中的摇晃和振动问题，海上升压站设备结构需考虑合适的抗振措施。

1.3.2 船舶撞击

海上风电结构遭受船舶撞击有两种情况，一是运维船正常靠泊平台，二是平台附近作业的其他船只意外撞击平台。设计不当时，运维船靠泊会造成平台护弦失效使得主体结构出现损伤。设计未考虑其他船只的撞击或者未对撞击船只的排水量评估，可能引起平台主体结构失效甚至是平台倾覆。

1.3.3 海水腐蚀

海上平台钢结构长期处于海水、盐雾等恶劣环境中，设备腐蚀严重，腐蚀后维护困难、费用高。海洋环境在垂直空间上可以划分为海洋大气区、浪溅区、淹没区和泥下区等，钢材在不同区域的腐蚀情况不同，浪溅区腐蚀最为严重，泥下区腐蚀最轻。不同区域所采用的防腐措施不同，大气区采用防腐涂层，淹没区采用牺牲阳极块，泥下区一般不做防腐措施，浪溅区由于干湿交替严重且受到海水的冲击，涂层和阳极块均无法采用，只能考虑增厚钢板，提供一定的腐蚀裕量。防腐措施的设计使用寿命一般低于风电场的设计寿命，因此，需定期更换防腐材料，确保结构的可靠性不因腐蚀而降低。

1.4 电气系统

海上风电场场址环境有一些共性的特点，如湿度大、易凝露、盐雾重，因此海上风电的电气设备都应该具有“三防”要求，即要防湿热、防生物霉菌和防盐雾，同时还要可以抗击狂浪、台风等恶劣天气和应对高紫外线辐射。强风、海浪、地震等自然因素会引起海上设备平台的变压器等设备器身振动，要求设备具备抗倾、抗震能力。防腐、密封与散热也成为电气设备面临的主要问题。为便于施工尽量减少海上电气设备尺寸和质量，需要进一步降低造价，在满足运行和检修等基础上，进一步考虑紧凑化和模块化布置设计。

当前，海上风电传输的主要方式是使用海底电缆，高电压、长距离、大容量的海底电缆是未来发展的主要技术方向。与陆地电缆直线敷设方式相比，海底电缆由于受海底地形起伏、地貌变化等因素的影响，海底电缆走向是呈弯曲变化的曲线，所以在对海底电缆故障预定位时，通过波反射计算得出的直线距离与实际故障点有时会产生差距。海缆故障的原因有内因和外因，内因包括制造缺陷、材料老化等因素，外因包括自然因素（海底地震、海床下泄、洋流冲刷、海水腐蚀等）和人为因素（锚害、捕鱼作业、海洋工程破坏等）。恶劣的运行环境和较高的故障维修费用，要求海缆厂家必须提高海缆可靠性。因此，海缆制造质量好、可靠性高，对提升海上风力发电可靠性具有重要意义。

1.5 运维策略

我国海上风电场的维修主要借鉴陆地模式，尚未形成系统的海上风电运维体系。目前，常用的运维技术一般分为预防性维修策略和机会性维修策略，预防性维修需要提前感知设备的运行状态，对传感器的要求较高，主要包括定期检修和状态检修。机会性维修策略是指在预防性维修策略的基础上，将系统各部件之间的相关性进行有效结合，对整个系统进行维修的一种维修策略。

1.5.1 定期检修

定期维修主要是针对风电机组进行定期维护保养，主要通过外观检查和电气机械测试等手段发现潜在故障，对电气机械测试固有的缺陷暴露项目和明显的缺陷点及时发现并处理。定期维修策略是目前海上风电采取的最简单有效的维护方式之一。虽然开展定期维护是保证风电机组可靠性的重要手段，可以直观发现监测系统无法在线监测到的缺陷点，但也存在隐蔽缺陷维修不到位、非故障项目重复维修等问题，最终导致维修深度不够、维修资源浪费和维修不及时。

1.5.2 状态检修

状态检修的数据为海上风电机组部件上的各类传感器采集的数据，可实时反映风电机组内被监测部件的运行状态。兆瓦级以上风机故障主要分布在传动系统、偏航系统、控制系统、风轮系统和电气系统等关键部件，通过对海上风电机组进行振动监测、温度监测、油液监测等数据采集与监视控制，来确定海上风机关键部件物理特征是否正常，预估出故障发展趋势，为后续的维修提供依据。状态检修策略的可靠性主要体现在传感器上，若传感器出现故障，无法准确及时采集风电机组的各类故障数据，导致系统无法做出及时应对，可能就会使故障进一步加大，影响风电机组运行可靠性。

1.5.3 机会性维修

当风电机组某个部件发生故障时，需要机组停机进行故障维修，但此种维修方式会增加较多的维修成本。所以，当对海上风机某部件采用机会性维修时，需要查看风机其余部件能否进入设定机会维修区间，如果进入了设定机会维修区间可同时进行维修，有利于节省机组的维修时间，降低整个机组的维修成本，提升海上风电可靠性。

2 海上风电可靠性提升方法

2.1 提高状态监测设备及系统的可靠性

状态监测所需数据主要来自于运行设备上的传感器。传感器采集到的信号经过处理后，提取出特征量为分析、诊断提供素材。应用状态监测技术时，应先对运行设备故障机理进行深入分析，得出所需监测的对象，然后采用相应传感器检测出所需物理量。应用于风电机组的状态监测技术主要有加速度及振动监测、温度监测、应力监测、油液监测等。

当前，海上风电运维数据来源主要依赖于内容管理系统和数据采集与监控系统等，由于这些运维数据的共享性和开放性不足，同时有较大的滞后性且监测范围有限，导致无法为风机的实时状态评价提供充分的判断依据。所以进一步提高状态监测设备及系统的可靠性，应首先提升海上风机的监测水平，为海上风电运维管理提供可靠的数据支持。

2.2 提高故障诊断与管理技术的先进性

故障诊断就是通过对传送的数据进行分析与计算，得出风电机组的运行状况分析表。可监测的信号包括电信号、振动信号和温度信号等，针对不同的监测信号，提出不同的故障诊断技术，其分析方法主要采用时域分析、频谱分析、时频分析等。由于故障诊断和状态监测技术水平有限，当前海上风电运维仍然采用定期检修和事后故障维护的处理方式，无法实现有效的状态维修。为了尽量保证海上风机的安全，更早的发现故障，应不断提升机组的故障诊断及管理技术水平。

2.3 提升运维方案的优化设计水平

目前，海上风电运维系统依然参考陆上风电运维系统，具体实际运维方案存在可优化空间，例如运维资源配置因缺乏正确的设计而显得过于保守，运维调度因未进行精益分析，导致产生大量的运维成本。因此，应对海上风电的运维方案进行精益化分析，优化设计运维调度方案、资源配置方案等。随着未来海上风电的快速发展，其离岸距离和安装海水深度不断增加，因此运行维护成本也会进一步提高。可根据不同风机的运行状况，通过离岸距离、水深、风电场规模、风/浪等气候条件因素建立海上风电场运维成本模型，用于优化运维方案，减少海上风电运维成本。

3 展望

海上风电由于其安装、运维环境的特殊性，必须时刻承受腐蚀、盐雾、强风以及海浪的冲击，要求海上风电必须具备更高的可靠性。因此，在海上风电设计、安装以及运维等方面，必须充分考虑海洋特殊环境下的可靠性问题。随着海上风电技术的发展，仍然存在一些值得进一步研究的问题。

（1）大叶片和轻质化是海上风电机组的发展趋势。风机叶片对于提升风能利用率至关重要，直接影响风机的性能和效率。在材料方面，风机叶片主要由热固性基体树脂、玻璃纤维、碳纤维等增强材料复合而成，复合材料占整个风机叶片的比例高达90%。随着海上风电机组容量的逐步增大，60～70 m的叶片占比将逐步提升。从质量上来看，随着叶片尺寸的增加，叶片的质量也显著增大，轻量化材质将是重要的研究方向。目前，碳纤维具备技术潜质，但价格昂贵，未来能否大批量应用还有待进一步研究。

（2）运维船作为海上风电运行维护的重要交通工具，对我国海上风电的发展具有重要意义，目前全球仅投入使用400余艘风电运维船。运维船的智能化调度和合理化配备是海上风电运维的必备条件。海上风电运维的目标是降低运维成本，减小发电量损失，从而提高风电机组的可靠性。海上风电比陆上风电运维可达性差，进一步造成了运维难度和成本的加大。在以安全为前提的条件下降低运维成本，提升海上风电可靠性，增加运维船运行数量，创新海上风电运维模式，围绕运维船服务调度展开研究工作，形成全面的海上风电运维方案，对提升海上风电运维的可靠性具有十分重要的意义。