海上風(fēng)力發(fā)電可靠性影響因素分析及提升方法

郭凱，張秀琦，曹斌，辛東昊，閆桂紅

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

全球氣候環(huán)境危機(jī)正在加速發(fā)展，給人類的健康和安全造成威脅，化石能源的過度使用是危機(jī)產(chǎn)生的主要原因。風(fēng)電是目前技術(shù)成熟且具有較大開發(fā)價(jià)值的可再生能源，大力發(fā)展風(fēng)電是實(shí)現(xiàn)能源清潔轉(zhuǎn)型的重要方式，隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟，海上風(fēng)電已進(jìn)入快速發(fā)展階段[1-2]。我國海上風(fēng)電規(guī)模自“十三五”以來保持高速發(fā)展，裝機(jī)容量年增長率均在30%以上，未來有望成為全球最大海上風(fēng)電市場。我國擁有較好的風(fēng)能資源，且海上風(fēng)電與“西電東送”的水電可以在出力上形成季節(jié)互補(bǔ)，同時(shí)，海上風(fēng)電自帶運(yùn)行效率高、不占用土地、適宜大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，因此，國家風(fēng)電發(fā)展政策逐漸向海上發(fā)電傾斜，市場前景廣闊。但是與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境更加惡劣，臺風(fēng)、雷暴以及大霧等惡劣氣象條件進(jìn)一步增加了海上風(fēng)電設(shè)備故障率，降低了故障維修效率，同時(shí)增加了設(shè)備修復(fù)時(shí)間[3-4]。因此，詳細(xì)分析海上風(fēng)力發(fā)電可靠性影響因素具有重要的意義[5-7]。

近年來，國內(nèi)外多位學(xué)者已對海上風(fēng)力發(fā)電可靠性展開了眾多研究，文獻(xiàn)[8]分析了風(fēng)電變流器對海上風(fēng)電場整體可靠性的影響因素，建立了考慮風(fēng)電變流器故障和集電系統(tǒng)故障的海上風(fēng)電場可靠性模型。文獻(xiàn)[9]介紹了海上風(fēng)電變流器的發(fā)展技術(shù)方向，并展望了提升風(fēng)電機(jī)組變流器可靠性的相關(guān)技術(shù)。文獻(xiàn)[10-12]均通過分析海上風(fēng)電集電系統(tǒng)的可靠性，提出了海上風(fēng)電集電系統(tǒng)可靠性的評估方法。文獻(xiàn)[13]從全壽命周期角度建立了海上風(fēng)電集電系統(tǒng)總成本模型，提出海上風(fēng)電集電系統(tǒng)全壽命周期成本計(jì)算方法。文獻(xiàn)[14]通過對海上風(fēng)電技術(shù)的分析，提出海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)中存在的可靠性問題。文獻(xiàn)[15]建立了海上風(fēng)電場升壓站內(nèi)設(shè)備的可靠性模型，提出海上升壓站可靠性的評估方法，并在考慮海上風(fēng)電發(fā)電指標(biāo)的條件下，從充裕性和供電連續(xù)性等角度評估了升壓站系統(tǒng)的可靠性。

由于海上環(huán)境復(fù)雜，維護(hù)作業(yè)容易受到天氣環(huán)境因素的影響，在海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行故障處理或檢修作業(yè)時(shí)，惡劣的天氣會(huì)產(chǎn)生更高的維護(hù)成本。目前，海上風(fēng)電運(yùn)維方式主要包括定期檢修、狀態(tài)檢修和故障檢修三種[16]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行維護(hù)成本約占海上風(fēng)電場總成本的20%～35%[17-18]。與陸上風(fēng)電機(jī)組不同，海上維護(hù)船的使用成本最高占到運(yùn)維總成本的73%左右[19-20]。文獻(xiàn)[21]通過對近些年國內(nèi)外海上風(fēng)電運(yùn)維策略的研究現(xiàn)狀進(jìn)行敘述，提出了我國海上風(fēng)電的發(fā)展及技術(shù)方向。文獻(xiàn)[22-23]分別從海上風(fēng)電可靠性、故障維修等方面進(jìn)行了策略研究。本文分析了海上風(fēng)力發(fā)電可靠性的影響因素，提出了可靠性的提升方法，并對未來研究工作進(jìn)行了展望。

1 海上風(fēng)力發(fā)電可靠性影響因素

1.1 海洋環(huán)境

海上環(huán)境復(fù)雜多變，高濕度和高鹽度的環(huán)境會(huì)對海上電氣設(shè)備的防潮防腐帶來問題，在一定程度上影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。

1.1.1 濕度

遠(yuǎn)海一般為高濕度的環(huán)境，相對濕度大于80%，加速海上風(fēng)電場電氣設(shè)備的絕緣老化及金屬材料的腐蝕。風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)部及外部表面均有聚合樹脂和鍍鋅合成的防腐材料，高濕環(huán)境會(huì)加速防腐材料的老化，造成防腐材料的附著力減小，性能下降，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔筒底盤及其本身的金屬材料受到腐蝕。風(fēng)電機(jī)組葉片的材料多為玻璃鋼復(fù)合材料，高濕環(huán)境會(huì)使其本體內(nèi)部因?yàn)槲鼭穸a(chǎn)生溶脹，導(dǎo)致本體剛度降低。風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部易生霉菌，霉菌代謝過程分泌酸性物質(zhì)，與絕緣材料相互作用，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組部件絕緣性能下降，齒輪箱和發(fā)電機(jī)潤滑油油溫升高，黏度下降，機(jī)組發(fā)生故障。

1.1.2 鹽霧

沿海地區(qū)空氣濕度大、溫度高，海水中的鹽分易蒸發(fā)，使溶于空氣的水滴中形成鹽霧。在沿海地區(qū)空氣中，形成的鹽霧會(huì)電離出較多的氯離子，滲透進(jìn)金屬材料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬材料的設(shè)備部件嚴(yán)重腐蝕。由于海上風(fēng)電場長期處于高鹽霧、高濕度環(huán)境中，其電氣設(shè)備內(nèi)部的觸頭或者線圈被腐蝕后，發(fā)生短路或絕緣性能下降，特別是大氣中存在的某些顆粒物與海上鹽霧在風(fēng)機(jī)葉片表面上形成覆蓋層，對葉片的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，不利于風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.1.3 極端天氣

葉片是風(fēng)電機(jī)組在遭受臺風(fēng)時(shí)最容易損壞的零部件。當(dāng)臺風(fēng)來臨時(shí)，風(fēng)會(huì)從風(fēng)電機(jī)組的垂直葉面方向急速吹入，導(dǎo)致葉片的不確定性載荷增加，發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)使葉片產(chǎn)生裂紋或折斷。臺風(fēng)有可能導(dǎo)致連接風(fēng)機(jī)的主軸承座發(fā)生偏移，致使風(fēng)機(jī)地腳折斷。

隨著海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的持續(xù)增加，為了獲取更多的風(fēng)能，機(jī)組的輪載高度也需要不斷增加，這樣就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的可能性大大增加。在雷擊故障中最容易被擊中的部分是葉片尖部，雷電擊中葉片尖部后，瞬間釋放大量的能量，使葉片內(nèi)部膨脹，產(chǎn)生巨大的機(jī)械力，造成葉片開裂。

當(dāng)出現(xiàn)冰凍的極端天氣時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的葉片會(huì)覆冰，使載荷增加，嚴(yán)重影響葉片的壽命，同時(shí)由于每個(gè)葉片上的冰載不同，使機(jī)組的不平衡載荷增大。如果沒有及時(shí)采取應(yīng)對措施會(huì)對機(jī)組的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的危害，面臨脫網(wǎng)停機(jī)的可能，同時(shí)拉低全年的整體發(fā)電量，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的可靠性。

1.2 海上風(fēng)電機(jī)組

1.2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境與陸上風(fēng)電機(jī)組截然不同，技術(shù)更加復(fù)雜，在對海上風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造時(shí)，需對海上的惡劣自然條件和環(huán)境條件帶來的影響進(jìn)行深入分析。為承受海浪沖擊、強(qiáng)風(fēng)載荷、海水腐蝕等環(huán)境問題，對海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)技術(shù)要求更加嚴(yán)格。現(xiàn)階段，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要分為底部固定式和懸浮式。底部固定式基礎(chǔ)底端直接與深海剛性連接，不易發(fā)生大范圍的晃動(dòng)。但因?yàn)榛A(chǔ)結(jié)構(gòu)需要長期浸沒在海水中，所以要不斷受到海浪的沖洗和海水的腐蝕作用，因此易發(fā)生松動(dòng)，影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。懸浮式基礎(chǔ)基本上適用于深海區(qū)域，建設(shè)成本大大降低，但是在極端環(huán)境中，例如強(qiáng)風(fēng)下，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如底部固定式基礎(chǔ)。

1.2.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的重要部件，負(fù)責(zé)冷卻風(fēng)電機(jī)組的變流器、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等散熱部件，保證其運(yùn)行溫度正常。提高冷卻系統(tǒng)的可靠性有助于提高風(fēng)電機(jī)組效率和延長絕緣壽命。冷卻系統(tǒng)主要采用液冷和風(fēng)冷兩種方式，對于海上風(fēng)電機(jī)組，如果采用風(fēng)冷系統(tǒng)需要的風(fēng)量會(huì)很大，而且海風(fēng)有鹽霧，所以海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)采用液冷系統(tǒng)。同時(shí)，液冷系統(tǒng)可充分利用海洋優(yōu)勢，采用海水對機(jī)組進(jìn)行冷卻，達(dá)到穩(wěn)定的冷卻效果。

1.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組最重要的系統(tǒng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造以及安裝維護(hù)等方面對風(fēng)電機(jī)組可靠性有著重要的影響。風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用雙饋式和直驅(qū)式進(jìn)行布置。根據(jù)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，風(fēng)電機(jī)組主軸結(jié)構(gòu)方案有多種形式，其形式不僅僅對風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率有影響，還對主傳動(dòng)鏈的維護(hù)成本以及可靠性有著重要影響。

直驅(qū)式風(fēng)機(jī)永磁電機(jī)沒有滑環(huán)碳刷和勵(lì)磁繞組，可靠性和效率高且容易維護(hù)，但制造成本較高；而雙饋式風(fēng)機(jī)勵(lì)磁電機(jī)需要滑環(huán)和勵(lì)磁繞組，運(yùn)維成本高，且較永磁電機(jī)效率低，轉(zhuǎn)子部分的質(zhì)量較重，但制造成本低。因此，充分考慮到海上風(fēng)電機(jī)組需具備較高可靠性的要求，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)永磁電機(jī)更適合。

1.2.4 控制策略

風(fēng)電機(jī)組有功和無功控制技術(shù)均會(huì)影響海上風(fēng)電的可靠性。風(fēng)電機(jī)組的有功控制如超速減載、變槳、慣量響應(yīng)等會(huì)對機(jī)組的載荷產(chǎn)生影響，尤其風(fēng)電機(jī)組在無備用運(yùn)行方式下參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組需要釋放大量的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以支撐電網(wǎng)頻率，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速更容易越限而造成機(jī)組脫網(wǎng)。風(fēng)電機(jī)組的無功控制會(huì)影響變流器直流側(cè)母線電壓，進(jìn)而影響機(jī)組的故障穿越能力，使得風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓變化時(shí)不能穩(wěn)定的運(yùn)行。此外，風(fēng)電場的無功補(bǔ)償設(shè)備也會(huì)對風(fēng)電機(jī)組的變流設(shè)備產(chǎn)生影響。因此，風(fēng)電機(jī)組的無功控制需與無功設(shè)備相互協(xié)調(diào)配合，否則將會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性，甚至導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

1.3 海上升壓平臺

1.3.1 基礎(chǔ)承載力

海上升壓站的地下基礎(chǔ)型式根據(jù)其地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)、深海環(huán)境等條件，可以選擇采用多樁基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)或?qū)Ч芗芑A(chǔ)等。對于上部組成質(zhì)量較輕、地質(zhì)和水深條件合適的區(qū)域，單樁基礎(chǔ)較為適用；對于上部組成質(zhì)量較重、地質(zhì)條件較好以及水深較淺的區(qū)域，多樁基礎(chǔ)較為適用；考慮到導(dǎo)管架基礎(chǔ)的范圍較廣，可以在深海區(qū)域采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。不管應(yīng)用哪種基礎(chǔ)型式，都要保證海上升壓站在地震、臺風(fēng)、海浪等環(huán)境下，具備足夠的承載力。同時(shí)，考慮到運(yùn)輸和就位中的搖晃和振動(dòng)問題，海上升壓站設(shè)備結(jié)構(gòu)需考慮合適的抗振措施。

1.3.2 船舶撞擊

海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)遭受船舶撞擊有兩種情況，一是運(yùn)維船正?？坎雌脚_，二是平臺附近作業(yè)的其他船只意外撞擊平臺。設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，運(yùn)維船靠泊會(huì)造成平臺護(hù)弦失效使得主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。設(shè)計(jì)未考慮其他船只的撞擊或者未對撞擊船只的排水量評估，可能引起平臺主體結(jié)構(gòu)失效甚至是平臺傾覆。

1.3.3 海水腐蝕

海上平臺鋼結(jié)構(gòu)長期處于海水、鹽霧等惡劣環(huán)境中，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，腐蝕后維護(hù)困難、費(fèi)用高。海洋環(huán)境在垂直空間上可以劃分為海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、淹沒區(qū)和泥下區(qū)等，鋼材在不同區(qū)域的腐蝕情況不同，浪濺區(qū)腐蝕最為嚴(yán)重，泥下區(qū)腐蝕最輕。不同區(qū)域所采用的防腐措施不同，大氣區(qū)采用防腐涂層，淹沒區(qū)采用犧牲陽極塊，泥下區(qū)一般不做防腐措施，浪濺區(qū)由于干濕交替嚴(yán)重且受到海水的沖擊，涂層和陽極塊均無法采用，只能考慮增厚鋼板，提供一定的腐蝕裕量。防腐措施的設(shè)計(jì)使用壽命一般低于風(fēng)電場的設(shè)計(jì)壽命，因此，需定期更換防腐材料，確保結(jié)構(gòu)的可靠性不因腐蝕而降低。

1.4 電氣系統(tǒng)

海上風(fēng)電場場址環(huán)境有一些共性的特點(diǎn)，如濕度大、易凝露、鹽霧重，因此海上風(fēng)電的電氣設(shè)備都應(yīng)該具有“三防”要求，即要防濕熱、防生物霉菌和防鹽霧，同時(shí)還要可以抗擊狂浪、臺風(fēng)等惡劣天氣和應(yīng)對高紫外線輻射。強(qiáng)風(fēng)、海浪、地震等自然因素會(huì)引起海上設(shè)備平臺的變壓器等設(shè)備器身振動(dòng)，要求設(shè)備具備抗傾、抗震能力。防腐、密封與散熱也成為電氣設(shè)備面臨的主要問題。為便于施工盡量減少海上電氣設(shè)備尺寸和質(zhì)量，需要進(jìn)一步降低造價(jià)，在滿足運(yùn)行和檢修等基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮緊湊化和模塊化布置設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，海上風(fēng)電傳輸?shù)闹饕绞绞鞘褂煤５纂娎|，高電壓、長距離、大容量的海底電纜是未來發(fā)展的主要技術(shù)方向。與陸地電纜直線敷設(shè)方式相比，海底電纜由于受海底地形起伏、地貌變化等因素的影響，海底電纜走向是呈彎曲變化的曲線，所以在對海底電纜故障預(yù)定位時(shí)，通過波反射計(jì)算得出的直線距離與實(shí)際故障點(diǎn)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生差距。海纜故障的原因有內(nèi)因和外因，內(nèi)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、洋流沖刷、海水腐蝕等）和人為因素（錨害、捕魚作業(yè)、海洋工程破壞等）。惡劣的運(yùn)行環(huán)境和較高的故障維修費(fèi)用，要求海纜廠家必須提高海纜可靠性。因此，海纜制造質(zhì)量好、可靠性高，對提升海上風(fēng)力發(fā)電可靠性具有重要意義。

1.5 運(yùn)維策略

我國海上風(fēng)電場的維修主要借鑒陸地模式，尚未形成系統(tǒng)的海上風(fēng)電運(yùn)維體系。目前，常用的運(yùn)維技術(shù)一般分為預(yù)防性維修策略和機(jī)會(huì)性維修策略，預(yù)防性維修需要提前感知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對傳感器的要求較高，主要包括定期檢修和狀態(tài)檢修。機(jī)會(huì)性維修策略是指在預(yù)防性維修策略的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)各部件之間的相關(guān)性進(jìn)行有效結(jié)合，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行維修的一種維修策略。

1.5.1 定期檢修

定期維修主要是針對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，主要通過外觀檢查和電氣機(jī)械測試等手段發(fā)現(xiàn)潛在故障，對電氣機(jī)械測試固有的缺陷暴露項(xiàng)目和明顯的缺陷點(diǎn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。定期維修策略是目前海上風(fēng)電采取的最簡單有效的維護(hù)方式之一。雖然開展定期維護(hù)是保證風(fēng)電機(jī)組可靠性的重要手段，可以直觀發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)無法在線監(jiān)測到的缺陷點(diǎn)，但也存在隱蔽缺陷維修不到位、非故障項(xiàng)目重復(fù)維修等問題，最終導(dǎo)致維修深度不夠、維修資源浪費(fèi)和維修不及時(shí)。

1.5.2 狀態(tài)檢修

狀態(tài)檢修的數(shù)據(jù)為海上風(fēng)電機(jī)組部件上的各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)反映風(fēng)電機(jī)組內(nèi)被監(jiān)測部件的運(yùn)行狀態(tài)。兆瓦級以上風(fēng)機(jī)故障主要分布在傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、風(fēng)輪系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，通過對海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測、溫度監(jiān)測、油液監(jiān)測等數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制，來確定海上風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件物理特征是否正常，預(yù)估出故障發(fā)展趨勢，為后續(xù)的維修提供依據(jù)。狀態(tài)檢修策略的可靠性主要體現(xiàn)在傳感器上，若傳感器出現(xiàn)故障，無法準(zhǔn)確及時(shí)采集風(fēng)電機(jī)組的各類故障數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法做出及時(shí)應(yīng)對，可能就會(huì)使故障進(jìn)一步加大，影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性。

1.5.3 機(jī)會(huì)性維修

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，需要機(jī)組停機(jī)進(jìn)行故障維修，但此種維修方式會(huì)增加較多的維修成本。所以，當(dāng)對海上風(fēng)機(jī)某部件采用機(jī)會(huì)性維修時(shí)，需要查看風(fēng)機(jī)其余部件能否進(jìn)入設(shè)定機(jī)會(huì)維修區(qū)間，如果進(jìn)入了設(shè)定機(jī)會(huì)維修區(qū)間可同時(shí)進(jìn)行維修，有利于節(jié)省機(jī)組的維修時(shí)間，降低整個(gè)機(jī)組的維修成本，提升海上風(fēng)電可靠性。

2 海上風(fēng)電可靠性提升方法

2.1 提高狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性

狀態(tài)監(jiān)測所需數(shù)據(jù)主要來自于運(yùn)行設(shè)備上的傳感器。傳感器采集到的信號經(jīng)過處理后，提取出特征量為分析、診斷提供素材。應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)時(shí)，應(yīng)先對運(yùn)行設(shè)備故障機(jī)理進(jìn)行深入分析，得出所需監(jiān)測的對象，然后采用相應(yīng)傳感器檢測出所需物理量。應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要有加速度及振動(dòng)監(jiān)測、溫度監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、油液監(jiān)測等。

當(dāng)前，海上風(fēng)電運(yùn)維數(shù)據(jù)來源主要依賴于內(nèi)容管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等，由于這些運(yùn)維數(shù)據(jù)的共享性和開放性不足，同時(shí)有較大的滯后性且監(jiān)測范圍有限，導(dǎo)致無法為風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)評價(jià)提供充分的判斷依據(jù)。所以進(jìn)一步提高狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)首先提升海上風(fēng)機(jī)的監(jiān)測水平，為海上風(fēng)電運(yùn)維管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 提高故障診斷與管理技術(shù)的先進(jìn)性

故障診斷就是通過對傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，得出風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況分析表?？杀O(jiān)測的信號包括電信號、振動(dòng)信號和溫度信號等，針對不同的監(jiān)測信號，提出不同的故障診斷技術(shù)，其分析方法主要采用時(shí)域分析、頻譜分析、時(shí)頻分析等。由于故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)水平有限，當(dāng)前海上風(fēng)電運(yùn)維仍然采用定期檢修和事后故障維護(hù)的處理方式，無法實(shí)現(xiàn)有效的狀態(tài)維修。為了盡量保證海上風(fēng)機(jī)的安全，更早的發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)不斷提升機(jī)組的故障診斷及管理技術(shù)水平。

2.3 提升運(yùn)維方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)水平

目前，海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)依然參考陸上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)，具體實(shí)際運(yùn)維方案存在可優(yōu)化空間，例如運(yùn)維資源配置因缺乏正確的設(shè)計(jì)而顯得過于保守，運(yùn)維調(diào)度因未進(jìn)行精益分析，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的運(yùn)維成本。因此，應(yīng)對海上風(fēng)電的運(yùn)維方案進(jìn)行精益化分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)維調(diào)度方案、資源配置方案等。隨著未來海上風(fēng)電的快速發(fā)展，其離岸距離和安裝海水深度不斷增加，因此運(yùn)行維護(hù)成本也會(huì)進(jìn)一步提高?？筛鶕?jù)不同風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，通過離岸距離、水深、風(fēng)電場規(guī)模、風(fēng)/浪等氣候條件因素建立海上風(fēng)電場運(yùn)維成本模型，用于優(yōu)化運(yùn)維方案，減少海上風(fēng)電運(yùn)維成本。

3 展望

海上風(fēng)電由于其安裝、運(yùn)維環(huán)境的特殊性，必須時(shí)刻承受腐蝕、鹽霧、強(qiáng)風(fēng)以及海浪的沖擊，要求海上風(fēng)電必須具備更高的可靠性。因此，在海上風(fēng)電設(shè)計(jì)、安裝以及運(yùn)維等方面，必須充分考慮海洋特殊環(huán)境下的可靠性問題。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，仍然存在一些值得進(jìn)一步研究的問題。

（1）大葉片和輕質(zhì)化是海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢。風(fēng)機(jī)葉片對于提升風(fēng)能利用率至關(guān)重要，直接影響風(fēng)機(jī)的性能和效率。在材料方面，風(fēng)機(jī)葉片主要由熱固性基體樹脂、玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料復(fù)合而成，復(fù)合材料占整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的比例高達(dá)90%。隨著海上風(fēng)電機(jī)組容量的逐步增大，60～70 m的葉片占比將逐步提升。從質(zhì)量上來看，隨著葉片尺寸的增加，葉片的質(zhì)量也顯著增大，輕量化材質(zhì)將是重要的研究方向。目前，碳纖維具備技術(shù)潛質(zhì)，但價(jià)格昂貴，未來能否大批量應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

（2）運(yùn)維船作為海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)的重要交通工具，對我國海上風(fēng)電的發(fā)展具有重要意義，目前全球僅投入使用400余艘風(fēng)電運(yùn)維船。運(yùn)維船的智能化調(diào)度和合理化配備是海上風(fēng)電運(yùn)維的必備條件。海上風(fēng)電運(yùn)維的目標(biāo)是降低運(yùn)維成本，減小發(fā)電量損失，從而提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性。海上風(fēng)電比陸上風(fēng)電運(yùn)維可達(dá)性差，進(jìn)一步造成了運(yùn)維難度和成本的加大。在以安全為前提的條件下降低運(yùn)維成本，提升海上風(fēng)電可靠性，增加運(yùn)維船運(yùn)行數(shù)量，創(chuàng)新海上風(fēng)電運(yùn)維模式，圍繞運(yùn)維船服務(wù)調(diào)度展開研究工作，形成全面的海上風(fēng)電運(yùn)維方案，對提升海上風(fēng)電運(yùn)維的可靠性具有十分重要的意義。