海上风电机组运行维护及保障措施

摘要：近年来，我国海上风电发展迅猛。海上风电机组运行、维修和维护有其独特的特点。本文将就我国海上风电机组运维存在的问题；海上风电机组维修维护策略以及维修、维护的保障措施进行了分析和阐述。

关键词：海上风电机组；运行维护；维修策略；保障措施；容错运行。

作者：酒泉职业技术学院 王明军

前言

海上风力发电对人类生产生活的环境影响较小；易于大型化、规模化；接近用电负荷中心，接网条件好，易于消纳[1]；还具有不占用陆地资源的优点，倍受各国关注[2]。在我国东南经济发达地区，深远海域的海上风能资源非常丰富，风的湍流强度和海面粗糙度小[3]。但是，海上风电的开发和维护成本都远远高于陆上风电[4]；远离陆地,环境恶劣，海上风电场可及性差，海上作业耗费时间长；停机损失大，机组故障将严重影响发电效益 [1]。

因此，在设计海上风电机组时，必须把可靠性放在首位，应追求日常维护“少而简”。海上风电机组均选用大容量机组，这样可以减少塔筒和基础个数，缩短电缆长度， 降低基础施工、吊装成本，节约工程造价[5]。而随着机组的容量增大，部件增多，结构越来越复杂，对现场运维人员的技能要求也越来越高[6]。

为提高风电机组及部件的可靠性和运行质量，以科技进步为先导，提高现场运维人员的综合素质，促进海上风电机组运维质量和水平的不断提升[7，机组达到最佳并网状态，运行更安全、更稳定。

一、我国海上风电运行维护存在的主要问题

影响海上风电机组运维成本的主要因素有：机组及其各部件的可靠性、海上天气条件、运维人员配置与轮班制度、交通工具、备件管理等[8]。采取适当措施降低海上风电机组运维成本已成为海上风电发展面临的一个极具现实意义又十分迫切的问题。在我国海上风电大规模开发的时间短、运行数据与经验少。我国的海上风电亟待解决的问题主要有以下几个方面：

第一， 海上风电机组状态监测与健康诊断。海上风机的状态监测，在状态监测系统基础上建立的健康诊断、异常监测以及寿命预测是后续进行合理运维的基础。但是与风电机组状态监测与健康诊断相关的技术却还不够成熟。

第二，海上风电机组运维策略优化研究。海上风电机组运行积累的经验少、运维方式不规范、且费用高。为了降低运维费用、提高发电效率，如何科学合理安排海上风电机组的维护策略，尽量减少出海次数、提高每次出海的工作效率等是海上风电机组运维需要解决的关键问题。

第三，海上风电场运维后勤管理优化研究。海上风电场可及性差，风电场全年可进入的时间有限，导致海上风电场运维对海上风电场运维中的人员、备件、以及交通工具等维护资源管理提出了相应的要求。但是，一方面，目前大多数研究主要集中于单项运维资源优化，缺乏结论性意见；另一方面，还未有结合机组的可靠性数据与运维策略的综合性研究成果。

第四，海上风电机组容错运行研究。在海上风电机组故障几乎无可避免的条件下，开发海上风电机组的容错运行能力具有显著的经济价值，但海上风电机组故障容错控制的实际可行性、运行效果及可持续时间等都有待进一步研究。

第五，海上风电场多机组多部件系统研究。目前，关于风电机组运维的研究大部分仍是基于单机单部件系统或单机多部件系统进行的，一方面，缺乏对风电机组多部件之间故障相关性、结构相关性及功能相关性的进一步分析；另一方面，海上风电场可进入性差的特点与维修资源不足两者叠加对机组可靠性及运维策略的影响也缺乏研究[8]。

二、海上风电机组的基本维修维护策略

海上风电机组维修和维护的好坏直接影响到发电量的多少和经济效益的高低。本身性能优良的海上风电机组，也要需要通过维护检修来进行保持，及时有效的维护工作可以发现故障隐患，减少故障和停机次数发生[9]。因此，优良机组维修和定检维护，对降低海上风电机组运维成本、备件消耗及提高发电量具有重要的意义。

2.1 事后维修策略

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，可及性是海上风电维护必须考虑的因素。计划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[10]。

因此，此种维修策略可以尽快排除故障，恢复机组的正常运行，同时也有利于减少维修费用。但是在事后维修时通常需要停机维修，维修时间比较长，耽误机组运行和风电场生产运营[11]。

2.2 预防维修策略

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。此种维修策略就是结合机组运行中的常见故障，根据设备运行状态所开展的维修活动，比如通过调整、润滑、检查、擦拭、定期拆修更换等维修策略来预防故障的发生。通过故障发生之前的补救措施来降低故障造成的危害，延长维修间隔时间。

因此，此种维修策略有助于降低故障发生概率和维修费用。但是此类维修策略在应用时需要有明显的时间间隔，避免由于维修次数过多而影响生产效率[10]。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)[11]。

2.3 计划维修策略

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。在实际维护过程中，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[10]。

此种维修策略就是在充分认识设备故障规律的基础上、定期开展的维修工作，也就是对设备运行的耗损期等规律进行总结的基础上，事先开展检修工作，通过此种检修方式改进设备状态，降低同类故障的发生概率。但是在此维修策略应用中，容易由于设备故障概率掌握不够准确而出现检修不足或过度检修的问题，前者会增加故障概率，后者会增加维修次数并降低生产效率，都会影响机组的高效运行[11]。

2.4 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，采用视情维护策略可降低运行维护成本并提高可靠性。

而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。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。

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[10]

2.5 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。

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，

但是，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[10]。

三、海上风电机组运行维护的保障措施

3.1 海上风电机组的可靠性工程设计

可靠性工程（Reliability 、Availability 、Maintainability 、Safety ，简称RAMS）是包括设备可用性及其影响因素（可靠性、维修性、保障性以及安全性）的综合表述[12]。为充分保证机组及其部件的可靠性，还应深入贯彻实施“设备靠养不靠修”的思想理念[13]。

在海上风电机组的设计过程中，应积极逐步地采用当前先进、成熟、高效实用的可靠性工程技术，以最快的速度、最低的成本实现机组可靠性、维修性、测试性水平的提升，大幅度减少停机维修时间和度电成本。将高效实用的可靠性工程技术与集成产品开发流程充分融合，可以在机组实际的研发各阶段，根据需要选择适用的方法。

RAMS 工作的总体框架，在故障信息系统数据的支持下结合机组运营经验开展风险分析工作，确定排名前N位的故障及关键部件，并将其作为后续可靠性工作的重点对象；针对重点对象通过开展常规RAMS设计、测试性设计等工作，使机组具有较高的可靠性，降低故障影响及维修难度，最终达到降低度电成本的目标。

在实际设计应用过程中，主要是通过对设备的大量运行数据进行统计分析，并将其与设计值进行比对，找出两者之间差异，为机组优化设计提供详细输入数据；另外，根据现场运维过程中记录的维护数据，分析故障发生前后机组运行表现，在后续优化设计中充分考虑环境、机组部件可靠性、运维便捷性等因素。即通过大数据分析，促进海上风电机组可靠性设计向工程化、定制化、信息化方向发展[12]。

3.2 建设海上风电场专用运维基地

海上风电场运维基地是运维人员、物资、交通工具等的集合地，既可以停靠海上风电专用运维船舶，运送人员和货物到机位，又可以在后方陆域场地堆放风电机组及其附属设备，同时其作为设备维修车间、备品备件仓库、集中办公场所和培训基地等，对保障海上风电机组的可利用率起着至关重要的作用。

运维基地对大部件更换船舶、运维母船、运维交通船等安全进出港有较大的影响，因此，在运维基地选址时，需重点考虑运维基地、码头的水文气象条件。欧洲国家大多把海上风电场运维基地设在主要港口附近。该类港口的主要功能是作为海上风电运维人员的生活基地，海上风电机组大部件及备品备件仓储及维修基地，海上人员安全及风电机组维护技能培训基地，大部件更换船与运维母船、运维交通船等停靠及补给基地，海上风电场运维直升机起降及维护保养基地。从而实现区域内运维交通、备件、人员等资源共享，整体降低区域内运维成本。

与国外成熟的海上风电场运维基地相比，目前，我国因海上风电的规模尚处于集中化、区域化的起步阶段，还未形成类似于国外的区域化运维基地。当前，国内运维码头大部分为内河码头，少部分为海边渔民专用码头或港口大型码头，但该类码头基本只能允许临时停靠，长期停泊或避风仍需到内河码头。由于内河码头受闸口开关时间限制，对于航行距离超过25km风电场而言，人员及设备上船效率以及风电场的可达性都将受到影响，并且也存在一定的安全风险。随着江苏、广东、福建等海域大批项目完成建设并进入运维阶段，产生的集聚效应将有效促进区域化海上风电场运维基地的形成与应用。

3.3 加强现场人员业务技能及综合素质的提升

现场人员的业务水平是影响机组维修和维护质量的重要因素[14]。例如：大风期机组频繁变桨时，在集控室通过后台软件就能观察到同一机组三个变桨电机分别的温度变化状况，凭借现场经验和之间的温度比较，可以发现某个变桨电机的不正常温升。在出海维修或机组定检维护时，及时对机组不正常变桨电机温升的变桨进行检查，进而就发现变桨齿轮箱漏油、润滑不足、或变桨轴承润滑不良等问题，这不仅能减少停机次数，节省出海费用，还能避免变桨齿轮箱，或变桨轴承等重要部件损坏。但是，如现场人员的业务技能不够高，缺乏实践经验，在故障初期就不能及时发现类似问题，势必造成不必要的机组停机及运维费用的增加、备件和发电量损失。

在日常工作中，不仅要加强现场人员的业务技能的培训，现场人员能及时辨别机组的运行状态，并采取适当的应急处理措施，防止问题扩大，由小问题变为机组的停机故障。同时，还应促进现场运维人员综合素质的提高，备较强的责任心及认真负责的工作态度。例如：在机组维护过程中，本应对机组的防雷接地碳刷和接地线逐个仔细检查，看它们是否接触良好，碳刷的长度是否合适等。但是，在维护过程中，如某个存在问题的防雷接地碳刷或接地线出现漏检，存在的问题没有及时检查出来，则不仅可能造成机组的故障停机，还可能造成机组重要部件被雷击损坏状况的发生。

因此，对海上风电机组来说，现场运维人员的技能水平及综合素质对降低机组度电成本显得尤为重要。在机组日常运行时，运行人员能凭借工作经验在集控室及时发现机组可能存在的问题；在机组维修时，维修人员能准确分析和判断故障，一次性彻底地消除机组故障；在机组定检维护时，维护人员能对机组的关键部位认真仔细检查，维护到位，防患于未然，把可能的机组故障消灭在萌芽状态。

3.4 智能故障预警系统

海上风电由于其特殊的地理条件，在设备运行的可靠性方面有较高的要求。与陆上风电场相比，海上风电场的运行维护更加困难，如遇风、浪、潮汐等，将更难靠近机组，不得不面临更长时间的停机。因而，能减少停机次数，短停机时间的设备、设施显得非常重要。风电机组的故障预警系统可提前预测设备可能存在的隐患，提前发现问题，提前组合天气、出海保障、船只等条件，有计划地执行设备预防性维护，提高海上风电机组运行检修的安全性、可靠性、及时性。

海上风电机组故障预警系统与维护系统集成，还可以优化现有保养、巡检任务流程，通过健康预警的隐患级别，自动形成优化的排查周期，使每次的设备保养、巡检都带着解决隐患的问题去，工作任务更加明确，达到真正的设备预防性维护效果。

通过数据分析与预警隐患排查，监测设备部件的运行状态，当设备部件处于“亚健康”状态， 可以及时发现隐患，并产生预警推送信息以及机组运行态评定并告知业主，业主根据风场工作安排、风况、海况等条件，依据预处理指导方案进行隐患排查，并将排查结果反馈录入系统，问题处理过程中可以实现和专家团队交互沟通，与用户形成交互闭环，从而有效地进行专家知识库的建立和对运维人员的指导，高效地进行运维管理工作计划。海上风电机组故障智能预警系统通过对机组部件故障的提前预判，获取部件的健康状态，在部件失效前，提前计划好维护方案，这对海上机组的运行检修起到非常好的辅助作用。在未来海上运行检修过程中，还需要结合海上天气、海上运输、船舶状态等多种条件，对海上机组运行检修的综合智能调度提供充足的准备期。

如果风电机组设备的故障预警系统的结果与相应的排查知识库相关联，不但可以提前预报设备部件的隐患问题，同时，还可以直接关联处理知识库，预知各类设备潜在的故障，把设备隐患消除在萌芽状态，真正做到“ 防患于未然”，从而切实可行地提高海上风电机组运行的可靠性，有效提高海上风电的投资回报率[15]。

3.5 采用容错运行提高海上风电机组利用率

海上风电机组具有：第一，故障维修，机组维护困难。海上风电场可进入性差，维护要通过船舶或直升飞机才能靠近，有时甚至2～3个月根本无法进行维护。如需更换大型设备，须租用逾1000万/次的船只，受船只数量限制，维修、修护极其困难。第二，故障停机损失巨大。由于海上风电机组的单机容量越来越大，在丰富的海上风能资源下，长时间的故障停机将会造成严重的经济损失。因此，海上风电机组容错运行受到国内外工业界和学术界的广泛关注。

容错，当一个或多个部件出现故障时，系统必须将发生故障的部件从系统中隔离开，然后采取相应措施维持其规定功能，或在可接受的性能指标变化下，继续稳定可靠运行[16]。可以通过修改主控参数、故障屏蔽和容错技术（硬件容错和软件容错）手段等实现风电机组的容错运行[17]。硬件容错主要指故障后的硬件系统重构，着眼于风电机组本体的容错设计和变流器的结构容错等。软件容错主要考虑故障容错控制，着眼于故障后的控制策略与算法优化[16]。

考虑到在海上风电机组维护时间长，停机损失大、可达性差的特点。在冗余设计优化方面，研究信号检测冗余、控制回路冗余、器件冗余等已成为热点方向。并且，除了传统的冗余设计之外，容错控制也是许多电机设备容错运行的主要方式。容错控制是指当控制系统中的某些部件发生故障时，系统仍能按期望的性能指标或性能指标略有降低的情况下，还能安全地完成控制任务，发电机与变频器的故障容错是当前这方面研究的主要方向[18]。

通过机组的主控参数控制，调整硬件设计与软件容错控制的方式实现机组故障的容错运行，在几乎不增加机组重量与成本的前提下，减少机组的停机时间，有效地提高海上风电机组的利用率。

四、结语

海上风电机组发展前景广阔，在未来，我国海上风力发电建设将会由近海转向深海。而海上风电场可及性差，运行条件恶劣。风电机组故障的修复时间长，维护困难，一旦故障停运，经济损失巨大。因此，科学实施海上风电机组运维策略和方法；通过切实可行的手段和方法，提高海上风电机组利用率将是降低海上风电机组度电成本的有效途径。

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