CN104484732B - 一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法，主要涉及风电场某个或某些部件出现故障或者进行定期维修时，捎带进行其他部件的维修，捎带维修的机械部件，按以下步骤确定：1)根据风电场各风电机组额定功率、历史有功功率、历史风速信息，各机组机械部件使用寿命、历史维修数据，计算各台机组各个机械部件的可靠性系数；2)根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率，结合各部件可靠性系数，确定各台机组各个部件维修的紧迫性；3)本次维修容量减去既定维修量，形成本次维修容量裕量，根据该裕量，按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象。本发明能降低风电场维修次数，降低维修费用。

Description

一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法

技术领域

本发明涉及风电场维修时机械部件的选取方法，具体地说，是涉及一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法。

背景技术

受风速的随机性和自身状态的动态性等影响，风电机组机械部件承受复杂的交变载荷，其内部缺陷不断形成、累积和发展，并导致材料性能逐渐劣化和损伤，需要及时维修。由于风电场一般地处偏远，甚至位于条件恶劣的海上，风电机组又位于高达数十米甚至百余米的塔架上，通常需要依靠大型吊车或吊船、直升机等大型的工程设施才能进行机械部件的维修，这些工程设施的租价昂贵，每天动辄数十万元，导致风电场维修费用居高不下。

目前，风电场实际采用较多的是定期维修与事后维修两种方式。定期维修是以时间为标准的定期维修，常见的维修周期有半年、一年、三年或五年。这种维修方式不考虑设备现实状态，可能造成在设备尚未到达故障或缺陷阈值时，就停机进行检修或者更换部件，造成浪费。事后维修一般是在设备发生故障后进行维修，一般用在预防性维修效果不好，故障带来的损失不大的场合。然而风电机组故障停机会带来的较大的维修支出和较大的发电损失，应尽量避免。

近年来，风电场机会维修研究不断深入。机会维修是指***中某个或某些部件出现故障或者需要进行定期维修时，其他部件的可靠性如果低于事先给定的控制限，那么这些部件将一起进行维修或者更换。

而现有风电场机会维修策略中，一般将机组部件可靠性作为选取参与维修对象的主要依据。当前，机组部件可靠性度量方面，一般通过多种假设，将机组部件可靠性简化为时间的函数，而不考虑风电机组有功功率、风电场风况等因素的作用。而事实上，国内外研究表明，对风电机组机械部件而言，其性能退化和故障，主要由机组的疲劳损伤引起，对确定的机组，一般而言，机组出力越大，其疲劳损伤越大，风电场紊流越大，其疲劳损伤也越大。另外一方面，风电机组能对某些故障容错运行，即使部件可靠性降低到一定程度，其维修紧迫性也并不突出。因此，需要一种更好的风电场维修部件选取方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能综合风电机组有功功率、风电场风况等因素，度量机组各机械部件的可靠性，进而根据各部件发生可容忍故障、不可容忍故障的概率，综合表达维修紧迫性，据此，结合维修容量，选取参与维修的机械部件的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)、根据风电场各风电机组额定功率、历史有功功率、历史风速信息，各机组机械部件使用寿命、历史维修数据，计算各台机组各个机械部件的可靠性系数

其中，B^j,k(t)是机组j的机械部件k在t时刻的平均损伤当量，是机组j在τ时刻的有功功率，是机组j的额定功率，是机组j的机械部件k的使用寿命标称值，t_j,k是机组j的机械部件k的更换时间，是机组j在τ时刻的有效紊流强度，D_dis是紊流损伤当量系数，是机组j的机械部件k更换后第m次维修产生的损伤补偿，具体取值由每次维修操作的重要性决定，按经验取值，I_ref是机组轮毂高度处风速为15m/s时的紊流强度基准值，v_j(t)是风电机组j风速传感器t时刻测量到的风速，S_j是风电机组j的叶轮扫风面积，是t时刻机组j的上风向机组中，离机组j最近的机组f的推力系数；

2)、根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率，结合各部件可靠性系数，确定各台机组各个部件维修的紧迫性；

①按下式估算各台机组各个部件t时刻发生可容忍故障、不可容忍故障的概率：

其中，L^j,k(t)表示t时刻机组j部件k发生不可容忍故障概率，M^j,k(t)表示t时刻机组j部件k发生可容忍故障概率，α_k是部件k在整个寿命周期内发生不可容忍故障的概率，β_k是部件k在整个寿命周期内发生可容忍故障的概率；

②按下式计算t时刻第j台机组部件k的维修紧迫性Y^j,k(t)：

Y^j,k(t)＝ηL^j,k(t)+(1-η)M^j,k(t),(0≤η≤1)

其中，η表示不可容忍故障的优先权重，η取值在[0,1]之间，用1-η表示可容忍故障的优先权重，其默认值取0.7；

3)、本次维修容量减去既定维修量，形成本次维修容量裕量，根据该裕量，按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象；

①按下式计算本次维修容量裕量R_m：

R_m＝R_C-R_f

其中，R_C是本次维修容量，R_f是本次既定维修量，是指风电场机会维修策略下，必须处理的已发故障或必须进行的定期维修引起的维修量；

②令t为当前时刻，将Y^j,k(t)值从大到小排列，选出Y^j,k(t)超过阈值的机械部件；

③如果步骤②选出的部件维修量之和小于本次维修容量裕量R_m，则步骤②选出的部件均参与本次维修；如果步骤②选出的部件维修量之和大于本次维修容量裕量R_m，则按Y^j,k(t)从大到小顺序选定部件参与本次维修，直到用尽本次维修容量裕量。

本发明的有益效果是：本发明在风电场某个或某些部件出现故障或者进行定期维修时，捎带进行其他部件的维修。捎带维修的机械部件，优先将维修紧迫性高的多个部件的维修活动一起进行，分摊***拆装、调试等高额固定维修费用，并降低风电场维修次数，从总体上降低风电场维修成本。

附图说明

图1表示本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，机组机械部件的维修紧迫性与机械部件当前的可靠性系数有关，机械部件当前的可靠性系数又由各机组额定功率、各机组历史有功功率数据、各机组历史风速数据、各机组机械部件使用寿命和各机组历史维修数据决定，这些值又与疲劳损伤有关。

疲劳损伤是机组机械部件损伤的主要原因。根据疲劳的线性累积理论，疲劳损伤可以按其来源进行线性累加。风电机组机械部件疲劳损伤的来源可以分成两个部分，第一部分，源于机组发电相关的空气动力、重力、摩擦、动平衡等引起的应力应变等，称为工作损伤，机组输出的有功功率越大，工作损伤越大；第二部分，源于机组紊流有关的空气动力和空气弹性力导致引起的应力应变，称为紊流损伤，紊流强度越大，紊流损伤越大。另外，维修操作可以补偿机组的疲劳损伤。按照疲劳线性累积理论，计算总疲劳损伤时，忽略各种疲劳源之间的耦合作用。由此，可用式(1)估算风电机组机械部件的平均损伤当量：

其中，B^j,k(t)是机组j的机械部件k在t时刻的平均损伤当量；是机组j在τ时刻的有功功率；是机组j的额定功率；是机组j的机械部件k的使用寿命标称值；t_j,k是机组j的机械部件k的更换时间；是机组j在τ时刻的有效紊流强度；D_dis是紊流损伤当量系数；是机组j的机械部件k更换后第m次维修产生的损伤补偿，具体取值由每次维修操作的重要性决定，按经验取值。

式(1)右边第一部分分母是在额定功率作用下，部件标称使用寿命内形成的工作损伤当量，也就是部件最大工作疲劳损伤当量；分子表示在机组实际功率情况下，从部件更换开始到指定时间t，形成的工作损伤当量，也就是部件实际工作损伤当量。式(1)右边第一部分描述的是工作损伤对可靠性的影响。

式(1)右边第二部分分母表示，紊流强度为1的情况下，在部件标称使用寿命内形成的疲劳损伤当量；分子表示在机组紊流强度作用下，从部件更换开始到指定时间t，形成的紊流损伤当量。而D_dis表示紊流损伤折合成工作损伤的系数。式(1)右边第二部分描述紊流损伤对可靠性的影响。

式(1)右边第三部分描述机械部件更换以来，历次维修对损伤的补偿，表达非更换性维修对部件可靠性的补偿。

机组j的有效紊流强度由机组j处的环境紊流和尾流紊流共同决定，可按式(2)-(4)计算：

其中，I_ref是机组轮毂高度处风速为15m/s时的紊流强度基准值；v_j(t)是风电机组j风速传感器t时刻测量到的风速；S_j是风电机组j的叶轮扫风面积；是t时刻机组j的上风向机组中，离机组j最近的机组f的推力系数。

一般而言，式(1)右边第二部分的值不超过第一部分的值。而式(1)右边第一部分的最大值为1，因此，式(1)右边最大值为2。机组j部件k在t时刻不可靠的平均概率为可按式(5)计算机组j部件k在t时刻的可靠性系数

根据式(1)和式(5)，可知，机组j部件k在t时刻的可靠性系数为：

参考图1，本发明基于机会维修策略的风电场维修部件选取方法，选取步骤如下：

1.计算风电场各机组各机械部件的可靠性系数。

根据式(1)-(6)计算各机组各机械部件的归一化可靠性系数。各参数可按如下方式取得：

风电场普遍具有监控***(SCADA***)，可从中取得式(1)-(5)计算所需要的历史有功功率(对应)，机组额定功率(对应)，风电机组风速(对应v_j(t))。另外，机组的推力系数(对应)可根据监控***中，风电场的布局和机组运行状态确定，即机组j的上风向机组中，离机组j最近的机组f的推力系数，机组f并网发电时可取值0.8，如果机组j处于风电场边沿，无上风向机组或者机组f停机，则令取值0。

机组叶轮扫风面积(对应S_j)可由机组叶轮半径计算得到，如果叶轮半径是r，则叶轮扫风面积为πr²，机组叶轮半径在出厂时确定。

由风电场地理位置可确定式(1)-(6)计算所需要的D_dis，I_ref；D_dis一般可取值0.7；I_ref取值与风电场地形地貌有关，山地风电场一般取0.16，平坦地形风电场和海上风电场一般取0.12，地形起伏不大的风电场，一般取值0.14。

部件更换时间(对应t_j,k)、更换的部件的使用寿命(对应)、非更换性维修操作时间和次数可由风电场运行维修管理记录获取。非更换性维修操作产生的损伤补偿值(对应)可按经验取得。

2.根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率，结合各部件可靠性系数，确定各台机组各个部件维修的紧迫性。

可容忍故障是指，发生该类故障后，机组可以带故障运行，继续发电；不可容忍故障是指，发生该类故障后，机组不能继续运行，需要停机待修。按以下步骤计算各个部件维修的紧迫性：

1)按式(7)估算各台机组各个部件t时刻发生可容忍故障、不可容忍故障的概率：

其中，L^j,k(t)表示t时刻机组j部件k发生不可容忍故障概率；M^j,k(t)表示t时刻机组j部件k发生可容忍故障概率；α_k是部件k在整个寿命周期内发生不可容忍故障的概率；β_k是部件k在整个寿命周期内发生可容忍故障的概率；

2)按式(8)计算t时刻第j台机组部件k的维修紧迫性Y^j,k(t)：

Y^j,k(t)＝ηL^j,k(t)+(1-η)M^j,k(t),(0≤η≤1) (8)

其中，η表示不可容忍故障的优先权重，η取值在[0,1]之间，用1-η表示可容忍故障的优先权重；η可根据用户需要设定，η越大，则越优先不可容忍故障部件的维修，用户未特别设定时，其默认值取0.7。

3.根据本次维修容量，按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象。具体操作步骤如下：

1)按式(9)计算本次维修容量裕量R_m：

R_m＝R_C-R_f (9)

其中，R_C是本次维修容量；R_f是本次既定维修量，是指风电场机会维修策略下，必须处理的已发故障或必须进行的定期维修引起的维修量。

2)令t为当前时刻，将Y^j,k(t)值从大到小排列，选出Y^j,k(t)超过阈值(典型值0.7)的机械部件；

3)如果步骤2)选出的部件维修量之和小于本次维修容量裕量R_m，则步骤2)选出的部件均参与本次维修；如果步骤2)选出的部件维修量之和大于本次维修容量裕量R_m，则按Y^j,k(t)从大到小顺序选定部件参与本次维修，直到用尽本次维修容量裕量。

本发明所述方法，在风电场某个或某些部件出现故障或者进行定期维修时，捎带进行其他部件的维修。捎带维修的机械部件，优先将维修紧迫性高的多个部件的维修活动一起进行，分摊***拆装、调试等高额固定维修费用，并降低风电场维修次数，从总体上降低风电场维修成本。

Claims (1)

1.基于机会维修策略的风电场维修部件选取方法，其特征在于，选取步骤如下：

1)、根据风电场各风电机组额定功率、历史有功功率、历史风速信息，各机组机械部件使用寿命、历史维修数据，计算各台机组各个机械部件的可靠性系数

$F_{norm}^{i,k}\left(t\right)=1-\frac{1}{2}{B}^{j,k}\left(t\right)$

$B^{j,k}\left(t\right)=\frac{{\∫}_{t_{j.k}}^t{p}_{out}^j\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}}{P_{rate}^j{T}_{life}^{j,k}}+D_{dis}\frac{{\∫}_{t_{j,k}}^t{I}_{eff}^j\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}}{T_{life}^{j,k}}-\underset{m}{\Σ}{B}_{repair}^{j,k}\left(m\right)$

$I_{eff}^j\left(t\right)=\sqrt{{\left(I_a^j\right(t\left)\right)}^2+{\left(I_w^j\right(t\left)\right)}^2}$

$I_a^j\left(t\right)=\frac{I_{ref}\[0.75v_j\left(t\right)+5.6\]}{v_j\left(t\right)}$

$I_w^j\left(t\right)=\frac{1}{S_j}\sqrt{1.2C_T^f\left(t\right)}$

其中，B^j,k(t)是机组j的机械部件k在t时刻的平均损伤当量，是机组j在τ时刻的有功功率，是机组j的额定功率，是机组j的机械部件k的使用寿命标称值，t_j,k是机组j的机械部件k的更换时间，是机组j在τ时刻的有效紊流强度，D_dis是紊流损伤当量系数，是机组j的机械部件k更换后第m次维修产生的损伤补偿，具体取值由每次维修操作的重要性决定，按经验取值，I_ref是机组轮毂高度处风速为15m/s时的紊流强度基准值，v_j(t)是风电机组j风速传感器t时刻测量到的风速，S_j是风电机组j的叶轮扫风面积，是t时刻机组j的上风向机组中，离机组j最近的机组f的推力系数；表示环境紊流；表示尾流紊流；

2)、根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率，结合各部件可靠性系数，确定各台机组各个部件维修的紧迫性；

①按下式估算各台机组各个部件t时刻发生可容忍故障、不可容忍故障的概率：

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{j,k}\left(t\right)=F_{norm}^{i,k}\left(t\right){\mathrm{\α}}_k\\ M^{j,k}\left(t\right)=F_{norm}^{i,k}\left(t\right){\mathrm{\β}}_k\end{array}\right.$

其中，L^j,k(t)表示t时刻机组j部件k发生不可容忍故障概率，M^j,k(t)表示t时刻机组j部件k发生可容忍故障概率，α_k是部件k在整个寿命周期内发生不可容忍故障的概率，β_k是部件k在整个寿命周期内发生可容忍故障的概率；

②按下式计算t时刻第j台机组部件k的维修紧迫性Y^j,k(t)：

Y^j,k(t)＝ηL^j,k(t)+(1-η)M^j,k(t),(0≤η≤1)

其中，η表示不可容忍故障的优先权重，η取值在[0,1]之间，用1-η表示可容忍故障的优先权重，η默认值取0.7；

3)、本次维修容量减去既定维修量，形成本次维修容量裕量，根据该裕量，按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象；

①按下式计算本次维修容量裕量R_m：

R_m＝R_C-R_f

其中，R_C是本次维修容量，R_f是本次既定维修量，是指风电场机会维修策略下，必须处理的已发故障或必须进行的定期维修引起的维修量；

②令t为当前时刻，将Y^j,k(t)值从大到小排列，选出Y^j,k(t)超过阈值的机械部件；

③如果步骤②选出的部件维修量之和小于本次维修容量裕量R_m，则步骤②选出的部件均参与本次维修；如果步骤②选出的部件维修量之和大于本次维修容量裕量R_m，则按Y^j,k(t)从大到小顺序选定部件参与本次维修，直到用尽本次维修容量裕量。