风力发电系统预防性维修技术研究

　　蔺文都

　　中国大唐集团有限公司宁夏分公司 宁夏回族自治区银川市 750002

　　摘要：风能是一种清洁、安全、可再生绿色能源，目前风力发电技术突飞猛进，单机容量越来越大，国内外的总装机容量也越来越大。我国已建成了大量的风电场，但随着风力发电规模不断扩大，对电网运行产生越来越多的影响，因此必须重视风力发电系统的维修问题。基于此，本文将针对风力发电系统预防性维修技术展开探讨，旨在推动风力发电质量的提升。

　　关键词：风力发电；系统；预防性；维修技术

　　引言

　　风力发电电网建设速度加快，电力系统故障发生概率不断增大，如何保证发电机组安全稳定运行是摆在电力系统面前的一项重要任务。为了提高机组的可用率和安全性，必须采取主动预防维修方式。预防式的定期检修策略成为提高电站运行效率和减少停机时间的一种有效途径。自从人类步入大规模工业生产的时代，设备维修决策方式在变化，在科技日益进步的背景下，系统设计也就越发复杂，与之相适应，维修技术要求也不断更新。

　　一、风力发电系统预防性维修技术的重要性

　　当前我国风力发电的建设进程，风电机组的种类以几何倍数递增，分布广泛，各种设备的技术千差万别，在实践中故障频繁，维护要求高。为了降低故障率，提高风机运行效率，需要加强对其进行定期检修，以保证设备正常运转。我国正积极发展风力发电系统，但是，对设备部件进行维修以及故障预防技术上还存在着一些问题。由于风能资源具有间歇性和不稳定性特征，使得风力发电机组的运行状态无法完全掌握，这就需要定期对其进行检修与维护。整个风电系统维护是一项长期而艰巨的任务，具体缺陷导致很难建立完善的预防性维护策略，很难从其他发达国家故障维护中吸取经验。在电力体制的创新改革中，国内电力市场不断深入，资源合理配置亟需提升，风电已成为目前电力市场上处于领先地位的清洁发电方式之一。由于其具有良好的经济性与环保性等优点，近年来得到了快速发展，相关系统也随之革新。传统的预防性维修方法已经无法适应风电发展要求了。

　　实际上，某些同类清洁能源发电系统在初期都尝试着应用更为有效的能源，着眼于可靠性，对装备进行预防性维护的运用可以提高整个风电场设备运行效率、减少停机损失，从而实现经济效益最大化。与此同时，关注发电设备所可能产生的多种效应及故障程度，建立以预防性机会为基础的故障维修策略，通过对预防性维修成本进行评估，把握好保养时间及保养时机，可以在一定程度上提高发电设备的运行效率和延长使用寿命。现有风电系统多采用集中式风电场作为其主要开发方式，很难从国外吸取很多成熟、可靠的预防性维修策略理论。我国的风机大多处于单机运行状态，缺乏必要的预防维护措施。因此，为提高系统使用可靠性，减少故障率和防患于未然的维护，应发展适合本国国情的预防性维修策略模型及风力发电系统方面。

　　二、风力发电系统预防性维修技术缺陷

　　当前国内水电、风电机组的维修模式主要遵循火电机组维修决策的方法。传统的检修模式是根据经验确定设备运行状态，然后制定出相应的检修项目和周期，再由专业技术人员对其实施检查维护。即主要计划维修，采用反应性维修模式作为补充，按计划经济时代的工作定额制。随着电网规模不断扩大和电力体制改革不断深入，这种模式已经不能适应新形势发展需要。当前，新开发的清洁能源用于发电，尤其是新开发的风电运维人员不足。同时，由于大型风力发电机容量大，维护成本高。安装时，以至于传统发电领域中难以对其进行分离。由于设备数量大、种类多、分布广，导致了设备间存在相互关联关系，同时又因为这些设备都具有一定程度上的可维修性，所以系统故障率较高，很难匹配真实的运行环境，发电设备可靠性无法完全保证。因此，要加强对设备进行日常维护和维修。

　　三、风力发电系统预防性维修技术研究与实践

　　1、风力发电系统的配置

　　文章将分析风电机组成的风电场，一共由40 个组成，功率为 1.5MW，对于每台风机进行规划，设计的运行时间为20 年。实践中，收集了大量历史数据分析这些设备在不同状态下发生失效的概率，随机抽取某风电机组进行齿轮箱、主轴承的设计、发电机及主要应用轴的每一个关键部件都考虑了机会性的维修措施。评估结果表明，在这些部件上发生了不同程度的失效或损坏现象，其中有一部分是由于风机本身固有缺陷造成的。在认识风电场的基础上，抓住大范围异常问题资料，归纳分析了，得出了这4 个部位失效的时间规律性，满足威布尔分布。通过这些结果，建立了一个简单的概率分布函数，从而确定部件寿命周期内可能发生失效的概率。接下来，对各组件模型进行了决策过程分析，对参数进行初始化，采用二次抛物线法，采用插值法优化获得最优解。

　　2、机会性维护间隔

　　对关键风机组件进行了可靠性分析，兼顾了预防性维护。在关键风机系统中，每个部件都有自己的寿命和失效模式，因此需要对其进行定期或定时的维护。预防性维护间隔可计算出来，并且依据维修Margin公式，计算出了部分维修余量，计算机将保持一个时间间隔值，获取各部分在这方面的时间间隔，最终得出机会维护间隔的判定结果。在此基础上，提出一种基于机会保持策略的关键风机组件维护成本模型。根据机遇预留策略决策过程，能算出相应费用。通过实例说明了在不增加设备投资费用的情况下，如何合理地选择维护策略，使设备保持较高的运行效率。在维护边际的视角下，维护可靠性机会不同，相应维护成本也不一样。当系统中某部件出现故障时，就需要在其上进行定期维护。对风机各部位来说，若有关维护成本因季节而异，还可对预防性维护成本进行测算，固定维护与停机损失还可根据不同数值进行测算。通过分析得到，在一个给定时间内，预防性维护费用等于停机损失与预防性维修费用之和，从而得到不同可靠性维护裕度，给出总维护成本，并且给出二者之间的相互关系。当使用一个新的设备时，需要考虑新设备对整个系统的影响。如果需要对某部件或者系统定期进行维护，那么就必须考虑如何确定其最佳维护时间。

　　3、预防性维护策略

　　依据模型进行决策，能得到每一个部件的情况、预防性维护计数及机会性维护计数。这些结果有助于提高维修效率并减少不必要的费用支出。主轴承预防性维修在四年周期内会产生一定的固定费用及停机损失等等。通过使用一个基于时间序列数据的方法来评估这些费用。例如，在主轴承中安装一个新元件或更换部分零部件时，可提高系统的可靠性。这样和主轴承在一起，整体的维护成本也就减少了。因此，提出了一种基于最小费用最大寿命模型来估算主轴承的预防维护时间。没有考虑机会维修，直接通过关系式，算出各个零件预防维修次数，分析表明，预防维修的内容是所获得的预防维修次数的总和。相对于不计机会预防性维护的总数，次数显然低于后一种情况。通过对备件费用进行优化可以有效地节省维修经费，降低支出。同时，在设备寿命周期内对重要系统进行预防性维护是非常有必要的。

　　四、结束语

　　风能作为一种可再生能源，具有非常大的吸引力，全球范围内离岸及海上风电场数量不断增加。由于风力资源具有随机性和间歇性的特点，使得在开发大型风电时需要花费大量资金。风电场的风力涡轮机规模大，季节性与位置特征不同，加大了风力发电系统运行与维护等生命周期成本。因此，对风力发电系统进行有效管理以减少其运行和维护费用具有十分重要的意义。

　　参考文献：

　　[1]杨淼森，周文.风力发电系统预防性维修决策技术分析[J].中国设备工程，2023，（04）：74-76.

　　[2]张慧平.风力发电系统的故障分析和设备维护策略研究[D].导师：敖银辉；贺云波.广东工业大学，2021.

　　[3]余达.基于深度学习的风力发电系统故障在线诊断研究[D].导师：李梦诗.华南理工大学，2018.