風(fēng)力機可靠性評估研究綜述

靳全1張衛(wèi)民2吳明1韓德斌1

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 211106)

摘要：闡述風(fēng)力機可靠性研究的現(xiàn)狀及存在的問題；分析風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境，分別從風(fēng)力資源評估、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性建模、風(fēng)力機關(guān)鍵零部件可靠性評估及風(fēng)電場運行維護與管理等方面分析其對風(fēng)力機可靠性的影響；指出風(fēng)電系統(tǒng)可靠性評估及風(fēng)電場維護優(yōu)化等方面存在的不足，展望值得進一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力機；可靠性評估

收稿日期：2015-06-25

作者簡介：靳全(1985—)，男，河南南陽人，工程師，研究方向：系統(tǒng)可靠性工程。

0引言

近年來，風(fēng)能以其儲量豐富、可以再生及環(huán)境友好等優(yōu)點受到人們高度關(guān)注，風(fēng)能的開發(fā)利用被視為解決全球能源短缺和減輕環(huán)境污染的有效途徑。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的最有效形式，在過去幾十年中得到了長足發(fā)展。

風(fēng)力機是風(fēng)電場及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，它的可靠性直接影響風(fēng)電場的可用度，并關(guān)系到風(fēng)電系統(tǒng)的運行與經(jīng)濟收益。

統(tǒng)計表明，在導(dǎo)致風(fēng)電場產(chǎn)能減少及經(jīng)濟損失的原因事件中，風(fēng)力機所占的比例達到了97%。

因此，保證風(fēng)力機在全生命周期中具有高可靠性水平始終是風(fēng)電領(lǐng)域的重要課題。

1風(fēng)力機結(jié)構(gòu)與特點

1.1風(fēng)力機結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)風(fēng)力機軸的空間位置可將風(fēng)力機分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。

目前，齒輪傳動型的水平軸風(fēng)力機技術(shù)上相對成熟，仍是大型風(fēng)力機的主流形式。它主要由風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機、電氣系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機艙及塔架等子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)又包括若干個零部件。

1.2風(fēng)力機及其運行環(huán)境分析

現(xiàn)代風(fēng)力機是典型的機電一體化產(chǎn)品，與其他機電產(chǎn)品相比，風(fēng)力機及其運行環(huán)境具有如下特點：

(1) 功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，制造和維護困難。

風(fēng)力機核心裝置(如齒輪箱、發(fā)電機、控制系統(tǒng)等)安裝在距地面幾十米的狹小機艙內(nèi)，檢測維護困難，若發(fā)生故障將會造成巨額的維修成本和停機損失。

為最大限度地利用風(fēng)能，風(fēng)力機不斷向大型化方向發(fā)展，尺寸和重量不斷增加，科技含量也逐步提高，隨之而來的是風(fēng)力機的設(shè)計制造、工程安裝及運行維護成本和難度持續(xù)加大。

(2) 設(shè)計壽命長、工作環(huán)境惡劣，要求產(chǎn)品具有高可靠性。

風(fēng)本身的隨機性和間歇性造成了風(fēng)速和風(fēng)向的不確定性，風(fēng)力機高空架設(shè)，在野外運行的風(fēng)力機承受著十分復(fù)雜惡劣的交變載荷。

風(fēng)力機常年工作于野外，需經(jīng)歷風(fēng)沙、溫差等各種極端氣候，海上風(fēng)電設(shè)備需在鹽霧、潮濕和臺風(fēng)等環(huán)境下工作。目前風(fēng)力機設(shè)計壽命是20年(海上為25年)，要求能經(jīng)受住60 m/s的暴風(fēng)襲擊，機組可利用率要達到95%以上。

(3) 風(fēng)力機是資金及技術(shù)密集型產(chǎn)品，風(fēng)電場的建設(shè)和運行維護成本巨大，具有較高的投資風(fēng)險。

計算表明，目前我國風(fēng)電的建設(shè)成本約為8 000～9 000元/kW，其中運行維護成本約占總成本的20%，且隨著風(fēng)力機運行時間的增加而逐年加大。

隨著國產(chǎn)兆瓦級風(fēng)力機批量投入運營，部分國產(chǎn)風(fēng)力機設(shè)備質(zhì)量欠佳、產(chǎn)品可靠性、運行穩(wěn)定性、維修和售后服務(wù)等問題愈發(fā)突出，由設(shè)計制造等缺陷造成的葉片折斷、齒輪箱故障、主軸斷裂、電氣元件損壞、發(fā)電機故障等致使部分風(fēng)力機在運行過程中故障頻出，造成風(fēng)電場可利用率不高。

自2010年以來，我國多個風(fēng)電場出現(xiàn)因質(zhì)量及可靠性問題導(dǎo)致的風(fēng)力機倒塌和人員傷亡的重大事故，風(fēng)力機的質(zhì)量引起了社會各界的質(zhì)疑。質(zhì)量與可靠性赫然成為制約我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的因素和瓶頸之一。為了保證我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展，國家能源局已著手對風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量開展專項調(diào)查。

2風(fēng)力機可靠性研究概述

2.1可靠性定義

可靠性(Reliability)是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。其中，產(chǎn)品是指作為研究和試驗對象的任何零部件、設(shè)備或系統(tǒng)，也可以為產(chǎn)品的總體和樣本。

可靠性工程是對產(chǎn)品的失效及其發(fā)生的概率進行統(tǒng)計、分析，對產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計、預(yù)測、試驗、評估、檢驗、控制、維修及失效分析的一門工程學(xué)科。它運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)工具，分析產(chǎn)品故障，找出薄弱環(huán)節(jié)，以提高產(chǎn)品的可靠性水平?？煽啃怨こ毯w產(chǎn)品工作的全過程，包括從故障數(shù)據(jù)的收集與分析、失效機理研究、產(chǎn)品可靠性設(shè)計，到保障產(chǎn)品可靠性的制造工藝、質(zhì)量管理與檢驗、可靠性試驗、維修保養(yǎng)等。

2.2風(fēng)力機可靠性研究

近年來，風(fēng)力機及其零部件可靠性評估、風(fēng)電場維護與管理等問題受到企業(yè)和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，并開展了廣泛的研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：

2.2.1風(fēng)速分布對風(fēng)力資源評估及風(fēng)電系統(tǒng)可靠性的影響

風(fēng)速分布是風(fēng)電場建設(shè)的重要參數(shù)，它關(guān)系到風(fēng)電場風(fēng)力資源評估的準確性、發(fā)電量的預(yù)測及風(fēng)力發(fā)電的預(yù)期收益。研究表明：

Weibull分布能夠較準確地描述風(fēng)速的分布特征。

Weisser用極大似然估計法對Weibull分布的參數(shù)進行了估計，使用了以小時為單位采集的數(shù)據(jù)，同時考慮了旱季和雨季、晝夜交替等因素造成的影響，避免對風(fēng)能資源出現(xiàn)不合理的評估。

Kantar等首次將最小交叉熵的方法應(yīng)用于風(fēng)能領(lǐng)域，對不同地區(qū)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行分布擬合及風(fēng)能指標計算。

Balouktsis等在分析風(fēng)速概率分布的基礎(chǔ)上，提出并采用列線圖方法計算風(fēng)能密度及風(fēng)力機的容量系數(shù)等指標。

2.2.2風(fēng)力機組、風(fēng)電場及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性建模

風(fēng)力機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，其可靠性水平關(guān)系到風(fēng)電場及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可用度。

Spahic等以海上風(fēng)電場為對象建立了可靠性模型，考慮了技術(shù)缺陷等因素的影響，計算風(fēng)電場的可靠性，研究表明，由于較高的工程安裝成本和惡劣的維護條件等因素，與陸地風(fēng)電場相比，其具有更大的投資風(fēng)險，并且定性闡述了投資風(fēng)險與可靠度、收益和回收期之間的關(guān)系。

程明等對不同類型的風(fēng)力發(fā)電機的經(jīng)濟、技術(shù)性能進行評估，分析了風(fēng)力發(fā)電機的研究進展與發(fā)展趨勢。

Billinton利用蒙特卡洛仿真的方法進行風(fēng)電場可靠性評估并計算了電力不足時間期望(Loss of Load Expectation，LOLE)和能量損失期望(Loss of Energy Expectation，LOEE)等可靠性指標。

2.2.3風(fēng)力機組及其關(guān)鍵零部件的可靠性評估與優(yōu)化設(shè)計

失效機理和故障模式分析是可靠性評估的基礎(chǔ)?？煽啃栽u估建立在大量故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對樣本故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，推斷總體的分布特征，估計產(chǎn)品的可靠性指標。研究表明，風(fēng)力機的安裝高度在風(fēng)能評估過程中是一個重要參數(shù)，嚴重影響著風(fēng)力機的年有效運行時間。

Guo等在假定故障率、失效率恒定的前提下，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用極大似然估計法計算風(fēng)力機的故障率，預(yù)測風(fēng)力機瞬時和長期可用度。

Arabian等研究了采用直接驅(qū)動和齒輪驅(qū)動的風(fēng)力機的基本可靠性，指出可以通過改變發(fā)電機的類型等方法來提高系統(tǒng)的可用度。

Spinato和Tavner等人利用德國和丹麥數(shù)千臺風(fēng)力機的歷史失效數(shù)據(jù)，采用齊次泊松過程(Homogeneous Poisson Process，HPP)和冪律過程(Power-Law Process，PLP)分別計算了德國和丹麥風(fēng)力機及其子系統(tǒng)(如齒輪箱、發(fā)電機、轉(zhuǎn)換器等)的故障率分布等特性，發(fā)現(xiàn)齒輪箱傳動系統(tǒng)的故障率對整個風(fēng)力機系統(tǒng)的可用度具有嚴重影響。

2.2.4風(fēng)電場的運行維護與管理

風(fēng)電場的運行維護與管理在風(fēng)電項目中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

Joshi等基于風(fēng)電場的歷史統(tǒng)計風(fēng)力數(shù)據(jù)，提出了一種風(fēng)力機可靠性、失效率和運行維護成本(OMC)的預(yù)測方法，對風(fēng)電項目的經(jīng)濟可行性進行評估，并以印度一風(fēng)電場為例進行了驗證。

Nilsson等分析了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(CMS)的特點，并將其應(yīng)用于風(fēng)電場維修管理特點，提出壽命周期費用(LCC)分析方法以輔助優(yōu)化維修策略，以陸地風(fēng)電場和海上風(fēng)電場為例加以實施，并與其他維護策略進行比較。

Byon等考慮氣候狀況、提前期及生產(chǎn)損失等隨機因素的影響，采用部分馬爾科夫過程的方法優(yōu)化風(fēng)力機維修策略。

3風(fēng)電可靠性研究存在的問題

現(xiàn)有的研究工作從不同層面分析了風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性和維護等問題。但是，目前有關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)可靠性評估、風(fēng)電場維護優(yōu)化等方面的研究尚處于起步階段，研究內(nèi)容、方法、模型以及工程應(yīng)用等還不夠完善，尤其缺少針對國內(nèi)環(huán)境和國產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備的可用度評估等研究，嚴重制約了國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。在理論和方法層面，風(fēng)電系統(tǒng)及風(fēng)電場可靠性評估仍然面臨許多難題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 風(fēng)電系統(tǒng)可用度評估受多重不確定因素的影響，包括運行條件(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等)、材料特性和環(huán)境因素等。

Joshi指出，風(fēng)電系統(tǒng)可靠性評估是一個復(fù)雜過程，需要較為準確的風(fēng)速等數(shù)據(jù)，目前風(fēng)力機設(shè)計、制造、風(fēng)電場選址和維護有待進一步完善；風(fēng)力機要達到較高的可用度，需要經(jīng)常對其進行維護，在此過程中風(fēng)力機的故障時間和退化速率是不確定的；風(fēng)力機故障模式和失效機理具有明顯的不確定性，使得可靠性評估和維護過程存在較大的難度。

Kwon指出，風(fēng)能評估中的不確定性不可避免，并提出了基于不確定性分析的風(fēng)能評估框架，采用概率論模型和蒙特卡洛仿真方法定義空氣密度、風(fēng)速等，建立了出力特性曲線的經(jīng)驗概率模型。

(2) 可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完整。

故障和維修數(shù)據(jù)是進行可靠性評估和制定維修策略的基礎(chǔ)。一般風(fēng)電場位于偏遠地區(qū)，機組故障的隨機性以及故障模式的復(fù)雜性使得故障數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計相當(dāng)困難，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，積累的故障數(shù)據(jù)非常有限，加大了風(fēng)電場可靠性評估和維護策略制定的難度。

事實上，故障數(shù)據(jù)不完整是進行可靠性評估和制定維護策略面臨的共性問題，業(yè)已引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。純粹的故障數(shù)據(jù)往往難以得到，取而代之的是各種刪失數(shù)據(jù)；風(fēng)電系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)源包括壽命測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)較少且不完整，現(xiàn)場采集的故障數(shù)據(jù)存在缺陷或不完整，這就需要較為準確的模型和先進的算法來處理數(shù)據(jù)；Zio等以風(fēng)電系統(tǒng)為例，提出基于相似性方法的系統(tǒng)剩余壽命評估方法，利用已知類似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)建立參考數(shù)據(jù)庫和演化參考模式，根據(jù)模糊相似性來匹配預(yù)測系統(tǒng)的剩余壽命和故障時間，建立系統(tǒng)的預(yù)防性維修策略。

(3) 風(fēng)力機品種繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障模式眾多。

風(fēng)電場多位于偏遠地區(qū)，且風(fēng)力機設(shè)計壽命較長，機組故障的隨機性、故障模式的復(fù)雜性使得故障數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計困難。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，積累的故障數(shù)據(jù)有限。葉片、齒輪箱、發(fā)電機等大型部件故障時間占故障總停機時間的比例較大，目前的研究工作主要是對失效事件的被動分析與判斷，難以及時發(fā)現(xiàn)潛在的隱患，影響了風(fēng)力機維修策略的制定。

4結(jié)論

本文在綜述當(dāng)前風(fēng)電系統(tǒng)可靠性研究工作的基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)有的研究工作中存在的不足，對研究難點進行了探討。目前的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及機組運行時間的增加，仍然存在一些值得進一步研究的問題：

(1) 風(fēng)力資源評估以及發(fā)電量預(yù)測需進一步考慮地形、氣候狀況、拓撲結(jié)構(gòu)等因素的影響，以便輔助風(fēng)電場微觀選址與風(fēng)力機選型。

(2) 隨著國內(nèi)風(fēng)力機運行時間的增加，收集可靠性數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行可靠性建模與評估，分析可靠性影響因素，為制造商在風(fēng)力機設(shè)計、制造過程中提高系統(tǒng)可靠性提供理論參考。

(3) 目前的研究主要集中于系統(tǒng)層面，可以加強風(fēng)力機關(guān)鍵零部件的可靠性增長技術(shù)的研究，通過可靠性試驗及退化失效建模等方法進行壽命預(yù)測。

(4) 利用動態(tài)可靠性建模理論與方法(比如動態(tài)故障樹、隨機petri網(wǎng)等)研究風(fēng)力機的可靠性，尋找影響風(fēng)力機可靠性的瓶頸環(huán)節(jié)，優(yōu)化維修策略。

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張衛(wèi)民(1971—)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。