基于可靠度的风电机组预防性机会维修策略

基于可靠度的风电机组预防性机会维修策略

李彦军

内蒙古北方龙源风力发电有限责任公司辉腾锡勒风电场，内蒙古呼和浩特010030

摘要：风电机组的维护成本居高不下，维修策略是影响维护成本的主要原因之一。当前风电场通常在固定时间间隔采取预防性更换维修，这样的策略不够灵活，没有充分利用各部件间的经济相关性。本文将机会成组更换维修策略应用于风电机组中。首先使用威布尔分布描述机组部件的可靠性，然后提出了统一的维修成本计算公式并细化了维修成本的组成，最后依据机会成组更换维修策略的原理，得出更换维修计划。结合某风电场的历史故障数据及成本数据，给出了策略在部件级的具体实施案例。结果显示，与传统预防性更换维修策略相比，机会成组更换维修策略减少了总维修次数，节省了总维修成本，从而验证了机会成组更换维修策略在风电机组中应用的有效性。

关键词：风电机组；维修成本；预防性更换；机会成组更换；维修策略

前言：全球气候变暖及能源危机促使人们开始探索和使用可再生清洁能源。风能因其无污染且取之不尽而受到各国政府的重视，成为应用最广的可再生能源之一。风电机组是实现风能利用的主要设备，截至2017年底，全球的风电机组累计装机容量近540GW，贡献了电能生产总量的5.6%。然而，统计数据显示，陆上风电机组的运维成本占全寿命周期成本的12%，对于海上风电机组，这一比例将高达18-23%。导致风电机组运维成本高的原因很多，其中一个主要原因是维修策略选择的合理性，因此为降低风电机组的运维成本，有必要进行维修策略优化研究。

辉腾锡勒风电场是内蒙古北方龙源风力发电有限责任公司的一个主力风电场。风电场始建于1996年，是最早开发建设的并网型风力发电场之一。

目前运营两座变电站，装机容量239MW，12种机型，216台风电机，年发电量约4亿千瓦时。110KV变电站于1996年10月投运，装机台数96台，装机容量72.5MW，共九种机型：麦康M1500/600KW42台；麦康N52-900KW12台；麦康NM48-600KW1台；美国Z40-550KW10台；荷兰V42-600KW9台；德国N43-600KW9台；美国GE1500KW10台；中国万电600KW1台；海装2000KW2台。220KV变电站于2007年10月投运，装机台数120台，装机容量166.5MW，共四种机型：华锐FL1500KW27台；海装2000KW12台；瑞能2000KW1台；苏司兰1250KW80台。

风电机组是典型的复杂多部件系统，如果针对每个部件分别制定最优维修策略，设定各自的维修间隔，则需要不断的停机维护，从机组整体角度来看这并非最优。复杂多部件设备的各部件之间往往存在经济相关性、结构相关性以及故障相关性，在做维修决策时需要考虑这些相关性。当前风电场的维修策略通常是在固定时间间隔采取预防性更换维修，这样的策略不够灵活，没有充分利用各部件间的经济相关性。成组维修策略是解决多部件系统维修问题的一种策略，以系统的维修成本最低为目标，主要考虑部件间的经济相关性，将多个部件的维修任务组合起来，平摊固定维修成本，从系统层面上进行维修策略的优化。

1风电机组机会成组更换维修策略

1.1风电机组部件的可靠性描述

风电机组是典型的机电一体化设备，其部件的可靠性可由威布尔分布来描述。机组部件的失效率函数及可靠度函数如式(2-1)及式(2-2)所示。

其中，β和η分别为威布尔分布的形状参数及尺度参数。可以使用最小二乘或支持向量回归机等方法拟合所搜集到的历史故障数据，进而估计出各部件可靠度函数的形状及尺度参数。

1.2风电机组机会成组更换维修策略

在风电机组机会成组更换维修策略中，只考虑更换维修的机会成组问题，因而假设部件维修后的可靠度均能恢复如新，同时为简化维修计划的制定过程，假设对于随机故障均采用最小维修，保证部件恢复正常工作即可，维修前后可靠度无变化，忽略最小维修的维修成本。在此策略中，仅将预防性更换视为维修机会，考察其他部件在此机会下的维修方式，进而得到当前机会下的维修分组，组内部件同时进行维修。相比于各部件单独维修，机会成组更换维修策略可分摊人员、运输、吊装等带来的固定维修成本，从而降低总维修成本。以三个部件的更换维修为例，给出机会成组更换维修策略的原理。

1.3风电机组部件的维修成本分析

在风电机组机会成组更换维修策略中，根据机组部件维修活动的特点，提出了统一的维修成本计算公式，并细化了维修成本的组成。运行寿命周期Tt内的总维修成本Ct的计算公式，如下：

在风电机组机会成组更换维修策略中，只考虑预防性更换带来的维修机会，在采取维修措施之前机组仍处于运行状态，所以预防性更换及机会成组更换两种维修方式的维修等待时间及人员到场时间对电能损失无影响，均为0，即在维修等待阶段和人员到场阶段，不会产生与电能损失有关的维修成本；对于预防性更换，维修人员攀爬机组时间及固定维修成本不可忽略，需分别进行统计，对于机会成组更换，在一次维修中，其攀爬机组时间及固定成本可由预防性更换承担，可以忽略，相当于维修多个部件时只需攀爬一次机组，从而在攀爬机组阶段分摊了与电能损失相关的维修成本，产生一次人力及运输成本，从而分摊了各部件的固定维修成本；维修不同的部件需要吊装不同的设备，总的吊装时间等于各设备吊装时间之和，因此在设备吊装阶段，两种维修方式下与电能损失相关的维修成本不能相互分摊；同理，不同的部件需要不同的维修时间，在维修部件阶段，与电能损失相关的维修成本不能相互分摊；此外，不同的部件有不同的价格，总的直接维修成本等于各部件价格之和，即各部件的直接维修成本不可以相互分摊

1.4策略实施流程

机会成组更换维修策略在风电机组中的实施流程如图1所示。

1.5阈值优化

从图1中可以看出，机会成组更换可靠度阈值R(s)or的设定直接影响运行寿命周期Tt内的总维修成本Ct。以最小化维修成本Ct为目标函数，以可靠度阈值R(s)or为优化变量，建立如下优化模型：

在得到最优可靠度阈值R(s)or后，即可根据图1给出最优维修计划。

结束语

本文将机会成组更换维修策略应用于风电机组中。使用威布尔分布描述了机组部件的可靠性，提出了统一的维修成本计算公式并详细分析了维修成本组成，得出了风电机组多个部件的更换维修计划。结合张北地区某风电场的实际数据给出策略在风电机组部件级上的应用案例，并与预防性更换维修策略进行对比，结果显示：采用机会成组更换维修策略可以显著降低维修成本。

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