海上風力發電對人類生產生活的環境影響較小；易于大型化、規模化；接近用電負荷中心，接網條件好，易于消納^[1]；還具有不占用陸地資源的優點，倍受各國關注^[2]。在我國東南經濟發達地區，深遠海域的海上風能資源非常豐富，風的湍流強度和海面粗糙度小^[3]。但是，海上風電的開發和維護成本都遠遠高于陸上風電^[4]；遠離陸地,環境惡劣，海上風電場可及性差，海上作業耗費時間長；停機損失大，機組故障將嚴重影響發電效益 ^[1]。

因此，在設計海上風電機組時，必須把可靠性放在首位，應追求日常維護“少而簡”。海上風電機組均選用大容量機組，這樣可以減少塔筒和基礎個數，縮短電纜長度， 降低基礎施工、吊裝成本，節約工程造價^[5]。而隨著機組的容量增大，部件增多，結構越來越復雜，對現場運維人員的技能要求也越來越高^[6]。

為提高風電機組及部件的可靠性和運行質量，以科技進步為先導，提高現場運維人員的綜合素質，促進海上風電機組運維質量和水平的不斷提升^[7，機組達到最佳并網狀態，運行更安全、更穩定。

影響海上風電機組運維成本的主要因素有：機組及其各部件的可靠性、海上天氣條件、運維人員配置與輪班制度、交通工具、備件管理等^[8]。采取適當措施降低海上風電機組運維成本已成為海上風電發展面臨的一個極具現實意義又十分迫切的問題。在我國海上風電大規模開發的時間短、運行數據與經驗少。我國的海上風電亟待解決的問題主要有以下幾個方面：

第一， 海上風電機組狀態監測與健康診斷。海上風機的狀態監測，在狀態監測系統基礎上建立的健康診斷、異常監測以及壽命預測是后續進行合理運維的基礎。但是與風電機組狀態監測與健康診斷相關的技術卻還不夠成熟。

第二，海上風電機組運維策略優化研究。海上風電機組運行積累的經驗少、運維方式不規范、且費用高。為了降低運維費用、提高發電效率，如何科學合理安排海上風電機組的維護策略，盡量減少出海次數、提高每次出海的工作效率等是海上風電機組運維需要解決的關鍵問題。

第三，海上風電場運維后勤管理優化研究。海上風電場可及性差，風電場全年可進入的時間有限，導致海上風電場運維對海上風電場運維中的人員、備件、以及交通工具等維護資源管理提出了相應的要求。但是，一方面，目前大多數研究主要集中于單項運維資源優化，缺乏結論性意見；另一方面，還未有結合機組的可靠性數據與運維策略的綜合性研究成果。

第四，海上風電機組容錯運行研究。在海上風電機組故障幾乎無可避免的條件下，開發海上風電機組的容錯運行能力具有顯著的經濟價值，但海上風電機組故障容錯控制的實際可行性、運行效果及可持續時間等都有待進一步研究。

第五，海上風電場多機組多部件系統研究。目前，關于風電機組運維的研究大部分仍是基于單機單部件系統或單機多部件系統進行的，一方面，缺乏對風電機組多部件之間故障相關性、結構相關性及功能相關性的進一步分析；另一方面，海上風電場可進入性差的特點與維修資源不足兩者疊加對機組可靠性及運維策略的影響也缺乏研究^[8]。

海上風電機組維修和維護的好壞直接影響到發電量的多少和經濟效益的高低。本身性能優良的海上風電機組，也要需要通過維護檢修來進行保持，及時有效的維護工作可以發現故障隱患，減少故障和停機次數發生^[9]。因此，優良機組維修和定檢維護，對降低海上風電機組運維成本、備件消耗及提高發電量具有重要的意義。

2.1 事后維修策略

事后維護策略是指設備發生故障前，不對其進行預防性維護，直至設備發生故障后再安排相關人員進入海上進行維護。但由于故障的發生具有隨機性，因此沒有足夠的時間提前準備好相應的備件、船只以及人員，該措施只適用于重要程度低、維護成本低的設備。維護策略能否順利執行，還要取決于氣候、備件、船只等因素。海上風電的氣候條件特殊，可及性是海上風電維護必須考慮的因素。計劃到達機組的時間和維護所需的時間，必須等待合適的天氣狀況才可以安排維護。另外，風速、浪高等天氣因素還會影響船只的選擇^[10]。

因此，此種維修策略可以盡快排除故障，恢復機組的正常運行，同時也有利于減少維修費用。但是在事后維修時通常需要停機維修，維修時間比較長，耽誤機組運行和風電場生產運營^[11]。

2.2 預防維修策略

預防性維護是指在部件發生故障前對其進行相關維護，使機組能運行在正常狀態。此種維修策略就是結合機組運行中的常見故障，根據設備運行狀態所開展的維修活動，比如通過調整、潤滑、檢查、擦拭、定期拆修更換等維修策略來預防故障的發生。通過故障發生之前的補救措施來降低故障造成的危害，延長維修間隔時間。

因此，此種維修策略有助于降低故障發生概率和維修費用。但是此類維修策略在應用時需要有明顯的時間間隔，避免由于維修次數過多而影響生產效率^[10]。預防性維護又可以進一步細分為基于時間的維護(即：計劃維護)和基于狀態的維護(即：視情維護)^[11]。

2.3 計劃維修策略

計劃維護是指在對設備的故障規律有一定認識的基礎上，無論設備的狀態如何，按照預先規定的時間對其進行維護的方式，常用的計劃維護周期有半年、1年、2年或5年。計劃維護策略的優化研究，主要集中在優化計劃維護周期。計劃維護周期選擇不恰當，就會出現過度維護或維護不足的現象，最終造成維護成本過高或可靠性過低的后果。在實際維護過程中，隨著計劃維護次數的增加，設備的故障率也逐漸增加，采用等周期計劃維護時，過度維護和維護不足的問題會愈發嚴重^[10]。

此種維修策略就是在充分認識設備故障規律的基礎上、定期開展的維修工作，也就是對設備運行的耗損期等規律進行總結的基礎上，事先開展檢修工作，通過此種檢修方式改進設備狀態，降低同類故障的發生概率。但是在此維修策略應用中，容易由于設備故障概率掌握不夠準確而出現檢修不足或過度檢修的問題，前者會增加故障概率，后者會增加維修次數并降低生產效率，都會影響機組的高效運行^[11]。

2.4 視情維護策略

視情維護策略是指在設備中安裝數據采集裝置，根據其實際運行情況安排相關維護。計劃維護是根據理論上的設備故障規律安排維護的策略，但在實際情況中會出現一定的偏差．尤其是海上風電機組長時間運行在惡劣的環境中，風速過大、海浪過激甚至是閃電、雷暴、結冰等都會加速設備的惡化，因此僅采用計劃維護是遠遠不夠的，采用視情維護策略可降低運行維護成本并提高可靠性。

而安裝狀態監測設備的成本也是十分高昂的，并非所有部件都適合。因此，對于故障后果較嚴重、更換成本昂貴的重要部件(如葉輪、齒輪箱、發電機等)才適合安裝狀態監測設備。對不同部件安裝狀態監測設備后，應根據相應數據進行故障檢測和診斷并做出是否進行維護的決策。

目前，故障診斷技術主要針對單一故障，而海上風電機組是一個復雜的多部件系統，常常會發生混合故障，針對混合故障的診斷技術研究相對較少，這將會是未來的一個研究方向．對混合故障診斷技術的研究也會對具體運行維護策略的制定產生影響，在進入海上執行運行維護活動時，可以將具有故障相關性的部件統一維修，不僅可以分攤固定維護費用，還能降低短期內發生多次故障的可能性^[10]

2.5  機會維護策略

機會維護策略的基本思想是當某一部件發生故障時，其余部件獲得了提前進行預防性維護的機會，通過判斷部件是否滿足相應維護條件，做出維護決策。機會維護一方面可以將多種維護措施一并進行，分攤高額的固定維護費用；另一方面，通過“機會”這一概念將整個風電場的各個機組聯系在一起，便于對風電場這一整體進行維護策略的優化。

某機組的部件發生故障后，該機組的其余部件以及其他正常機組的各個部件都獲得了維護機會，并對故障機組和其他機組設置不同的機會維護閾值，從而實現對維護策略的優化。機會維護可以實現維護固定成本的分攤，

但是，在維護過程中，一次需攜帶的備件較多，對船只的要求更高，對維護成本的影響較大，目前，對機會維護策略的研究僅僅局限于考慮經濟相關性方面，忽略了維護相關性和隨機相關性，這將是進一步研究的方向^[10]。

3.1 海上風電機組的可靠性工程設計

可靠性工程（Reliability 、Availability 、Maintainability 、Safety ，簡稱RAMS）是包括設備可用性及其影響因素（可靠性、維修性、保障性以及安全性）的綜合表述^[12]。為充分保證機組及其部件的可靠性，還應深入貫徹實施“設備靠養不靠修”的思想理念^[13]。

在海上風電機組的設計過程中，應積極逐步地采用當前先進、成熟、高效實用的可靠性工程技術，以最快的速度、最低的成本實現機組可靠性、維修性、測試性水平的提升，大幅度減少停機維修時間和度電成本。將高效實用的可靠性工程技術與集成產品開發流程充分融合，可以在機組實際的研發各階段，根據需要選擇適用的方法。

RAMS 工作的總體框架，在故障信息系統數據的支持下結合機組運營經驗開展風險分析工作，確定排名前N位的故障及關鍵部件，并將其作為后續可靠性工作的重點對象；針對重點對象通過開展常規RAMS設計、測試性設計等工作，使機組具有較高的可靠性，降低故障影響及維修難度，最終達到降低度電成本的目標。

在實際設計應用過程中，主要是通過對設備的大量運行數據進行統計分析，并將其與設計值進行比對，找出兩者之間差異，為機組優化設計提供詳細輸入數據；另外，根據現場運維過程中記錄的維護數據，分析故障發生前后機組運行表現，在后續優化設計中充分考慮環境、機組部件可靠性、運維便捷性等因素。即通過大數據分析，促進海上風電機組可靠性設計向工程化、定制化、信息化方向發展^[12]。

3.2 建設海上風電場專用運維基地

海上風電場運維基地是運維人員、物資、交通工具等的集合地，既可以停靠海上風電專用運維船舶，運送人員和貨物到機位，又可以在后方陸域場地堆放風電機組及其附屬設備，同時其作為設備維修車間、備品備件倉庫、集中辦公場所和培訓基地等，對保障海上風電機組的可利用率起著至關重要的作用。

運維基地對大部件更換船舶、運維母船、運維交通船等安全進出港有較大的影響，因此，在運維基地選址時，需重點考慮運維基地、碼頭的水文氣象條件。歐洲國家大多把海上風電場運維基地設在主要港口附近。該類港口的主要功能是作為海上風電運維人員的生活基地，海上風電機組大部件及備品備件倉儲及維修基地，海上人員安全及風電機組維護技能培訓基地，大部件更換船與運維母船、運維交通船等停靠及補給基地，海上風電場運維直升機起降及維護保養基地。從而實現區域內運維交通、備件、人員等資源共享，整體降低區域內運維成本。

與國外成熟的海上風電場運維基地相比，目前，我國因海上風電的規模尚處于集中化、區域化的起步階段，還未形成類似于國外的區域化運維基地。當前，國內運維碼頭大部分為內河碼頭，少部分為海邊漁民專用碼頭或港口大型碼頭，但該類碼頭基本只能允許臨時停靠，長期停泊或避風仍需到內河碼頭。由于內河碼頭受閘口開關時間限制，對于航行距離超過25km風電場而言，人員及設備上船效率以及風電場的可達性都將受到影響，并且也存在一定的安全風險。隨著江蘇、廣東、福建等海域大批項目完成建設并進入運維階段，產生的集聚效應將有效促進區域化海上風電場運維基地的形成與應用。

3.3 加強現場人員業務技能及綜合素質的提升

現場人員的業務水平是影響機組維修和維護質量的重要因素^[14]。例如：大風期機組頻繁變槳時，在集控室通過后臺軟件就能觀察到同一機組三個變槳電機分別的溫度變化狀況，憑借現場經驗和之間的溫度比較，可以發現某個變槳電機的不正常溫升。在出海維修或機組定檢維護時，及時對機組不正常變槳電機溫升的變槳進行檢查，進而就發現變槳齒輪箱漏油、潤滑不足、或變槳軸承潤滑不良等問題，這不僅能減少停機次數，節省出海費用，還能避免變槳齒輪箱，或變槳軸承等重要部件損壞。但是，如現場人員的業務技能不夠高，缺乏實踐經驗，在故障初期就不能及時發現類似問題，勢必造成不必要的機組停機及運維費用的增加、備件和發電量損失。

在日常工作中，不僅要加強現場人員的業務技能的培訓，現場人員能及時辨別機組的運行狀態，并采取適當的應急處理措施，防止問題擴大，由小問題變為機組的停機故障。同時，還應促進現場運維人員綜合素質的提高，備較強的責任心及認真負責的工作態度。例如：在機組維護過程中，本應對機組的防雷接地碳刷和接地線逐個仔細檢查，看它們是否接觸良好，碳刷的長度是否合適等。但是，在維護過程中，如某個存在問題的防雷接地碳刷或接地線出現漏檢，存在的問題沒有及時檢查出來，則不僅可能造成機組的故障停機，還可能造成機組重要部件被雷擊損壞狀況的發生。

因此，對海上風電機組來說，現場運維人員的技能水平及綜合素質對降低機組度電成本顯得尤為重要。在機組日常運行時，運行人員能憑借工作經驗在集控室及時發現機組可能存在的問題；在機組維修時，維修人員能準確分析和判斷故障，一次性徹底地消除機組故障；在機組定檢維護時，維護人員能對機組的關鍵部位認真仔細檢查，維護到位，防患于未然，把可能的機組故障消滅在萌芽狀態。

3.4 智能故障預警系統

海上風電由于其特殊的地理條件，在設備運行的可靠性方面有較高的要求。與陸上風電場相比，海上風電場的運行維護更加困難，如遇風、浪、潮汐等，將更難靠近機組，不得不面臨更長時間的停機。因而，能減少停機次數，短停機時間的設備、設施顯得非常重要。風電機組的故障預警系統可提前預測設備可能存在的隱患，提前發現問題，提前組合天氣、出海保障、船只等條件，有計劃地執行設備預防性維護，提高海上風電機組運行檢修的安全性、可靠性、及時性。

海上風電機組故障預警系統與維護系統集成，還可以優化現有保養、巡檢任務流程，通過健康預警的隱患級別，自動形成優化的排查周期，使每次的設備保養、巡檢都帶著解決隱患的問題去，工作任務更加明確，達到真正的設備預防性維護效果。

通過數據分析與預警隱患排查，監測設備部件的運行狀態，當設備部件處于“亞健康”狀態， 可以及時發現隱患，并產生預警推送信息以及機組運行態評定并告知業主，業主根據風場工作安排、風況、海況等條件，依據預處理指導方案進行隱患排查，并將排查結果反饋錄入系統，問題處理過程中可以實現和專家團隊交互溝通，與用戶形成交互閉環，從而有效地進行專家知識庫的建立和對運維人員的指導，高效地進行運維管理工作計劃。海上風電機組故障智能預警系統通過對機組部件故障的提前預判，獲取部件的健康狀態，在部件失效前，提前計劃好維護方案，這對海上機組的運行檢修起到非常好的輔助作用。在未來海上運行檢修過程中，還需要結合海上天氣、海上運輸、船舶狀態等多種條件，對海上機組運行檢修的綜合智能調度提供充足的準備期。

如果風電機組設備的故障預警系統的結果與相應的排查知識庫相關聯，不但可以提前預報設備部件的隱患問題，同時，還可以直接關聯處理知識庫，預知各類設備潛在的故障，把設備隱患消除在萌芽狀態，真正做到“ 防患于未然”，從而切實可行地提高海上風電機組運行的可靠性，有效提高海上風電的投資回報率^[15]。

3.5 采用容錯運行提高海上風電機組利用率

海上風電機組具有：第一，故障維修，機組維護困難。海上風電場可進入性差，維護要通過船舶或直升飛機才能靠近，有時甚至2～3個月根本無法進行維護。如需更換大型設備，須租用逾1000萬/次的船只，受船只數量限制，維修、修護極其困難。第二，故障停機損失巨大。由于海上風電機組的單機容量越來越大，在豐富的海上風能資源下，長時間的故障停機將會造成嚴重的經濟損失。因此，海上風電機組容錯運行受到國內外工業界和學術界的廣泛關注。

容錯，當一個或多個部件出現故障時，系統必須將發生故障的部件從系統中隔離開，然后采取相應措施維持其規定功能，或在可接受的性能指標變化下，繼續穩定可靠運行^[16]。可以通過修改主控參數、故障屏蔽和容錯技術（硬件容錯和軟件容錯）手段等實現風電機組的容錯運行^[17]。硬件容錯主要指故障后的硬件系統重構，著眼于風電機組本體的容錯設計和變流器的結構容錯等。軟件容錯主要考慮故障容錯控制，著眼于故障后的控制策略與算法優化^[16]。

考慮到在海上風電機組維護時間長，停機損失大、可達性差的特點。在冗余設計優化方面，研究信號檢測冗余、控制回路冗余、器件冗余等已成為熱點方向。并且，除了傳統的冗余設計之外，容錯控制也是許多電機設備容錯運行的主要方式。容錯控制是指當控制系統中的某些部件發生故障時，系統仍能按期望的性能指標或性能指標略有降低的情況下，還能安全地完成控制任務，發電機與變頻器的故障容錯是當前這方面研究的主要方向^[18]。

通過機組的主控參數控制，調整硬件設計與軟件容錯控制的方式實現機組故障的容錯運行，在幾乎不增加機組重量與成本的前提下，減少機組的停機時間，有效地提高海上風電機組的利用率。

海上風電機組發展前景廣闊，在未來，我國海上風力發電建設將會由近海轉向深海。而海上風電場可及性差，運行條件惡劣。風電機組故障的修復時間長，維護困難，一旦故障停運，經濟損失巨大。因此，科學實施海上風電機組運維策略和方法；通過切實可行的手段和方法，提高海上風電機組利用率將是降低海上風電機組度電成本的有效途徑。

參考文獻：

[1]林濤,楊欣,蔡睿琪,等.基于改進人工蜂群算法的El man 神經網絡風機故障診斷.可再生能源[J],2019.37(4):612-617

[2]李逸馳,孫國強,等.含經VSC-HVDC 并網海上風電場的交直流系統概率最優潮流.電力自動化設備[J].2015.35(9):136-142

[3]唐征歧,周彬,等.海上風電發展及其技術研究概述.太陽能.2018（6）：11-15

[4]朱義蘇，劉東哲，等.海上風電機組大型化技術路線分析.風能.2019 (6):50- 53

[5]周小麗.海上風電機組設備大容量趨勢分析.紅水河[J].2017.36(4):56-58

[6]楊學輝,王明軍,楊曉濤.淺談主控對現場運維的重要性.風能[J].2020(2)2:80-82

[7]梁宏.對風電場運維管理的探討.裝備制造技術[J].2013(5):296-298

[8]黃玲玲,曹家麟,等.海上風電機組運行維護現狀研究與展望.中國電機工程學報 [J].2016,36（3）:729-738

[9]盛九慶, 傅興元.風電機組運行維護后服務市場分析.風能[J].2012(10)：52-56

[10]符楊,許偉欣,劉璐潔.海上風電運行維護策略研究.上海電力學院學報[J].2015,31(3):219-222

[11]陳佳偉.風電機組的日常檢修維護與故障處理措施研究.理論前沿與綜合論壇[J].2020:295

[12]郭慧斌,包文峰,王九華.海上風電機組精益運維管理探討.風能.2019(9):82-90

[13]黃仁瀧,王笑笑.創新風電機組維護管理理念—基于工時制下的“DIS”維護.新能源[J].2019(4):76-78

[14]董魯川.對于風電場電氣設備中風力發電機的運行維護的措施.電子測試[J].2016(24):129-130

[15]周冰.海上風電機組智能故障預警系統研究.南方能源建設[J].2018.5(2):133-137

[16]魏書榮,何之倬,等.海上風電機組故障容錯運行研究現狀分析.電力系統保護與控制[J]. 2016,44(9):145-154

[17]王明軍.風電機組事故處理及容錯運行.風能[J].2018(9)：68-71

[18]謝魯冰,李帥,等.海上風電機組維修優化研究綜述.電力科學與工程[J].2018.34(4):57-65

作者：酒泉職業技術學院 王明軍

來源：《風能產業》2021.08