风力发电系统可靠性建模与优化检修策略

风力发电系统可靠性建模与优化检修策
略
摘要：随着风电机组装机容量的不断提高，风电机组的结构也越来越复杂，
伴随机组运行环境的恶劣，致使风力发电系统的故障率居高不下，因此在追求发
电容量的同时，必须考虑发电系统运行的可靠性。

本文分析了风力发电系统可靠
性建模与优化检修策略。

关键词：风力发电系统；可靠性建模；检修策略
一、发电系统主要结构及故障分析
1.风力发电系统结构复杂化，为便于研究分析和建模，选取对系统可靠性影
响较大的发电机、变流器、电刷滑环等主要部件作为研究对象。

由于风电机组通
常安装在偏远郊外或海岸，运行环境极为恶劣，此外风力发电设备本身设计不当
或者质量欠佳等问题，都会影响风机运行的可靠性，发电系统是机组中最常发生
故障的系统，也是引起风机停机时间的主要原因，其故障率高达23％。

双馈风力
发电系统的工作原理如图1所示，风轮通过升速齿轮箱与发电机的主轴相连，感
应电动机的定子端直接接入电网，转子端则通过电刷滑环连接变流器后接入电网，只有20％~30％的功率通过变流器经稳压后传入电网。

2.双馈异步发电机是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核
心部件，由于机组运行工况复杂、电网负荷持续变化，易使发电机温度过高、振
动过大而易损坏风力发电机的轴承及绕组的绝缘，因此，故障率明显高于其他发
电机，据统计异步发电机中最常发生故障的部位是轴承、定子、转子，三者的故
障率分别为40％、38％、10％。

变流器将风机发出的电能转换为电压和频率都稳
定的电能送入电网，采用变速恒频控制技术，使发电机的转速随风力大小而变化，在额定转速范围内维持最佳的叶尖速比，同时保证发电机输出电压幅值和频率与
电网相同，但高温发热、电磁干扰等恶劣因素均影响变流器的工作性能，极易导
致变流器故障，且故障主要发生在控制驱动单元、直流母线环节、逆变器等组件中。

发电机定子端直接接入电网，而转子绕组则通过电刷和滑环与变流器相连，
据统计在发电系统运行过程中，电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命，
其故障率较高，故障还将会引发电机转子侧与变流器连接故障，使部分功率无法
通过转子侧馈送到电网。

二、风力发电系统可靠性建模
1.马尔可夫过程
马尔可夫过程是一种基于概率统计的特殊随机过程，能够描述系统在开始运
行后状态之间相互转移过程，该过程具备无后效性，即只要系统前一个状态一经
决定，系统的下一个状态的概率即可确定，并与之前的状态无关。

由于风电机组
故障状态和修复状态之间的相互转移是一个随机过程，而马尔可夫过程能够很好
描述这种随机现象，是风电机组运行状态建模的有力工具。

为了应用马尔可夫过
程建立风力发电系统的可靠性模型，需要做出如下假设:一是系统部件处于正常
或故障状态，并且两种状态可以相互转换；二是系统中部件处于正常或故障状态
是互相独立的；三是系统部件的故障率和修复率均为常数，即状态转移均服从指
数分布；四是只考虑对硬件进行可靠性分析，不考虑软件和人为因素。

2.发电系统的可靠性数学模型
通过对双馈风力发电系统运行原理与故障机制进行分析，发电系统关键部件
之间的连接方式并不是简单的串联关系，但可以通过运用马尔可夫过程理论建立
发电系统的可靠性模型。

风电场对电量不足期望值贡献系数（WEENSB）。

它是指
风电场并网后电网电量不足期望值的减少量与风电场容量的比值。

它直接反映了
风电场并网后对发电系统可靠性的贡献，体现了可节约的用户停电损失成本。

式中：EENS—ExpectedEnergyNotSuppliedEENS0—表示风电机组并网前年电量不足期望值EENS1—表示风电机组并网后年电量不足期望值，把风电场加入到IEEERTS可靠性测试系统中计算有关可靠性指标。

该测试系统由32台机组组成，总装机容量为3405MW，峰荷为2850MW。

风电机组的切入风速，切出风速，额定风速均相同，分别为3m/s，25m/s，13.5m/s。

正常工作期间风电机组的强迫停运率均是0.05.风电场在早期的可靠性指标，假设风电场装机容量为60MW，有100台600kW的风电机组组成，风速Weibull分布的尺度参数8.0，形状参数2.0。

在寿命早期和正常工作期下分别计算得到的可靠性指标见表1。

新增风电场对系统可靠性的贡献。

在测试系统中加入装机容量为240MW的风电场，分3期增加，每次新增风电机组80台，单机容量1.0MW，风速的Weibull分布的尺度参数c=8.0，形状参数k=2.0。

通过各种算例比较结果得知，风力发电机组可靠性贡献要比常规发电系统低很多，但对整个发电系统可靠性贡献仍较明显。

三、优化检修策略
1.预防维修
预防维修主要发生在设备发生故障之前，使设备在规定的状态下进行的一种维修活动。

这种维修活动通常有润滑、擦拭、调整、检查、拆修、更换等。

是保证设备能够在故障发生之前就有时间采取一定的补救措施，将设备发生故障的风险防患于未然。

而预防性的维修主要适用于故障在发生危险时，在设备的工作任务完成后，能够减少较大的经济损失。

预防性的维修策略被广泛的认为是系统发生故障、降低维修费用的有效解决措施。

增加预防性维修的次数就会使生产效率降低，反之则会增加。

所以，预防性的检修时间必须有一个明显的时间间隔。

设备故障规律在充分认识的基础上应根据规定的时间间隔或积累工作时间进行事先的时间计划检修，不管是设备当时在某种状态，其实行计划检修的条件是设备已经明显的分析出有规律的耗损期，在设备故障使用的过程中有明确的关系，而且大部分的设备部件能够工作到一个预期的时间。

在故障发生时，能够采用计划维修的方式进行及时的改进，有效的减少了工作的重复性。

2.状态维修
在很多情况下，设备的实际工作状态时安排设备检修的一系列检修策略。

其
中一个最基本的事实就是很多设备发生故障的时间不是突然性的，而是成一定的
时间曲线。

这种状态下的维修一定是状态检修的特征，在这种情况下应采取一定
的状态监测技术队设备进行各项功能故障的检测、分析、诊断，综合性的推断设
备的运行状态，同时要根据设备故障的发展状态进行合理性的预防维修。

如果设
备在维修时出现适合于损耗故障的特征，应根据监测技术的标准来进行及时上报。

对设备状态的检修要建立在对设备状态实时或周期性的评估基础上进行维修，这
也将是未来维修策略的一个必然发展趋势。

另外一个基本事实就是有针对性的对
部件采取综合的计划检修、事后维修、状态检修这三种维修方式，其维修的时机
和相对应的状态应进行及时的比较。

对于事后维修来说，部件的故障是进行维修
的主要原因，这就容易产生维修不足问题。

而从计划检修的角度去判断部件运行
的状态就会导致维修过剩。

这二者就都没有发挥出最大的经济效益。

因此状态检
修针对于部件的运行状态而言就是性能低下的一个维修措施，从另一方面来说是
不能直接发挥部件作用的。

结束语
风力发电机组是集机械、电气多部件的复杂系统，故障模式及运行状态复杂
多样，运用马尔可夫过程简化了修复模型的分析，但是忽略了不同状态之间的持
续时间，考虑系统多种状态模式，深入分析部件故障间的关系，建立涵盖多个风
电机组的综合状态模型，实行联合检修的优化策略，待进一步研究。

参考文献：
[1]中国国家发展改革委员会．可再生能源中长期发展规划［Z］.2015-08-31．
[2]陈树勇,戴慧珠,白晓民等.风电场的发电可靠性模型及其应用[J].中国电
机工程学报,2015,3.。