論海上風力發電機組的運行維護及控制策略

廣東省能源集團有限公司 駱文波

風能尤其是海上風能資源的開發利用是緩解能源緊張的重要途徑。由于海上風電工作環境復雜，外界因素的影響導致海上風電機組運行可靠性低，維護成本高，這是造成海上風電機組運行成本居高不下的主要因素。隨著海上風力發電市場容量的日益增加，海上風電機組的運行維護也面臨新的標準和要求。

1 海上風力發電機組影響運維的安裝技術分析

海上風電機組運行中，風電場電纜設施、風電機組設備的結構基礎、風電機組設備等相關組件安裝對后續運維影響密切。做好技術交底工作，根據風力發電機組的安裝方案準備各項施工設備和物資，滿足發電機組現場施工要求。

在進行發電機組安裝時，利用GPS 技術進行準確定位，結合DP 動力裝置找準定位進點，保證發電機組安裝船舶進點距離準確。塔筒安裝前先對基礎環進行檢查，檢查塔筒、吊具，無誤后吊裝。塔筒分為下塔筒、中塔筒和上塔筒。塔筒保證沒有損傷后安排主輔吊機就位，啟動后注意控制速度，緩慢起升吊鉤，通過主輔吊機良好配合將中塔筒平穩吊起來。對塔筒內設置的爬梯做好位置確定，根據施工圖紙要求正確選擇爬梯方位，安裝好塔筒、緊固螺旋。上塔筒安裝要點與中塔筒的安裝技術要點相同。

安裝機艙和輪轂時，先進行吊裝準備，利用主副吊機進行配合，將葉片從運輸船舶上吊到甲板上的葉片支撐架上。安裝機艙和輪轂時，先進行吊裝準備，無誤后正式實施吊裝。然后再安裝葉片，利用主副吊機進行配合，將葉片從運輸船舶上吊到甲板上的葉片支撐架上。利用主吊機對葉片專用吊具進行掛設，系好纜風繩，然后將葉片緩慢吊起，拆除葉片支架。葉片吊裝到輪轂葉根軸承相應的法蘭接口處，調整輪轂軸承，緊固螺栓。

安裝機艙時應注意掛好所需吊具，系好安全纜風繩。注意卸下運輸機艙支架上的螺栓，然后將吊鉤緩慢吊起，將運輸支架卸下。做好機艙相應法蘭面的清理，起吊過程注意控制速度，調整機艙方向，引導定位銷法蘭孔準確對中，最后緊固螺栓。葉片起吊注意做好安全防護，利用泡沫板對輔助吊點位置進行鋪墊，防止安裝葉片后重心發生偏離。安裝好葉片后連接接地線[1]。吊裝葉輪時注意檢查吊具是否妥善到位，在主吊點兩側位置設置好纜風繩對葉片進行防護。

由于海上風電工作環境復雜，外界因素的影響導致海上風電機組運行可靠性低、維護成本高，這是造成海上風電機組運行成本居高不下的主要因素。大容量風電場，采用大容量機型可在一定程度上降低運維成本，但需要的運維傳播和運維人員數量也增加。且傳統運維方式對工作人員來說作業危險性高、能耗大，對海洋環境又不利影響。

應用水下機器人利用人工智能技術是解決上述問題的重要途徑。水下機器人使用3D 計算機視覺技術，利用機器學習技術可完成海上復雜危險環境各項作業。通過同步定位和映射技術識別關鍵特征和異常自動標記，并根據置信度進行分級。利用水下機器人及時發現海上風電機組運行異常，岸上維護管理人員可根據機器人標記的信息檢查工作并確認結果，提高了維護效率。隨著水下機器人技術的發展，各項功能的自主性越來越強，在機器人運行途中遇到導航障礙時更好地完成策略修正。運維人員在岸上進行遠程監控，使工作人員遠離危險環境，減少現場傳播尺寸和數量，更有利于保護海洋環境。

2 海上風力發電機組的運行安全及診斷

2.1 海上風力發電機組的運行安全分析

海上風力發電機組所處的環境波動性大，風力波動會對葉片造成影響，一旦控制不當容易給葉片造成嚴重損害，通過對海上風力發電機組運行安全情況進行分析，做好對缺陷故障的診斷，為發電機組運行安全高效提供保障。

2.1.1 對發電機組的電控系統進行安全分析

一般發電機組采用自動控制的運行方式，值守人員數量少，為避免機組發生嚴重故障，借助發電機組的電控系統對機組設備的運行情況進行監測和控制；對發電機組的安全鏈進行分析。一旦出現突發狀況時，發電機組是否可啟動緊急應對措施是保證機組設備壽命的重點。因此在對風力發電機組電控系統進行安全分析的同時，也要考慮到突發危險時應采取怎樣的暫停措施。如風機在遇到風速過大、震動、變槳超限的情況時，可通過啟動緊急暫停模式，及時制止整套發電裝置運行，保證發電機組設備安全。

2.1.2 對風機運行控制策略進行分析

采用變槳距控制技術能夠使發電機組在停機時的槳葉角度自動調整到最大位置，使機組設備處于安全狀態，從而減少發電機組整體設備承受的負載壓力，減少對設備的損害。在外界環境發生突變時，在一些較為極端的情況下，通過氣動剎車使葉片恢復到最大槳葉角，可以減少發電機組設備受到的壓力，對發電機組起到有效的保護；對發電機組的遠程監測系統進行分析。

海上風力發電機組采用現場無人值守模式，遠程監測系統是利用現代信息技術和控制技術對海上風電機組的運行情況進行監測，幫助管理人員獲取最新數據信息，及時掌握發電機組的運行情況。對發電機組遠程監測系統進行分析，保證系統運行工況安全，為海上風電機組提供保護。

2.2 海上風力發電智能診斷分析

海上風力發電機組的運行管理重點在于識別機組設備的缺陷異常，對故障進行準確診斷，從而妥善處理、消除故障。智能化故障診斷主要包括對故障特征進行提取、對故障進行診斷。故障特征的提取一般采用數據驅動技術對機組的運行數據進行采集、統計和分析，對機組設備運行的異常信號進行處理，結合人工智能技術對數據進行多元統計、變模式分解。通過對發電機組故障特征進行提取，對風電系統運行和故障狀況進行分析，降低信號特征向量中的噪音和異常值，為后續的故障診斷提供重要信息[2]。由于海上風力發電機組運行受到多種不確定性因素的影響，再加上系統的復雜性，故障特征信息提取的維度也在增加。

如何在復雜的非線性系統中避免特征信息維度的混亂，保證故障特征提取結果的準確性是十分重要的。提取的故障特征信息與正常特征信息的偏差較小，以及提取故障特征信息的方法存在局限性，這些是阻礙風力發電機組智能診斷技術發展的重要問題。

目前業內對風電機組故障特征進行提取的理論集中在隨機集理論、粗糙集理論、模糊集理論等，利用信息融合領域中的多種理論對機組數據進行處理，更好地提取故障特征屬性。對發電機組的故障診斷主要采用的方法是神經網絡技術、聚類分析計算。通過對算法的優化改進及人工智能深度學習技術的應用，自動編碼器和神經網絡技術在故障診斷中的應用越來越多。隨著故障診斷模型的不斷完善，將在海上風力發電智能診斷中發揮出越來越充分的積極作用。

3 海上風力發電機組運行維護及控制分析

3.1 海上風力發電機組運行維護策略

采用風力發電智能監控運行策略。智能監控運行策略中，根據風力發電機組運維的實際需求可采用如下技術：風電機組和風電場智能化傳感技術、風電場大數據采集技術、風電場數據分析計算、風電機組故障特征提取技術。根據不用風電機組間通信兼容性的不同，制定科學的通信兼容解決方案，建立風力發電機組運行監控系統信息模型。利用風電場集群遠程通信技術實現風電場之間通信協議和數據可視化平臺，實現風電場集群各部分信息的無縫集成。

采用風力發電智能運維策略。隨著風電智能化運維技術的發展，信息化、集群化的特點日益凸顯。在傳感技術、智能控制技術、高速數據傳輸技術的支持下，多種技術的融合對分析風電機組運行狀態和工況條件提供支持，實現對風電機組運行參數的及時調整，保證風電機組設備配合度更高，機組整體運行更加可靠高效。風電智能運維目標的實現建立在信息的深度融合基礎上，具體包括風電機運行數據、氣象數據、物聯網數據信息、電網信息等，通過構建數據分析平臺，對單一風電場和集群風電場進行系統分析和協同控制，提高風電機組運行整體銷量，使發電功率優化。

風力發電智能運維以減少維修資源消耗為原則，兼顧到機組設備固有可靠性和運行安全性，通過應用邏輯決斷方法對機組設備進行預防性維護，減少機組發生故障的概率[3]。利用云計算平臺對風電場設備運行數據進行挖掘，結合發電機組診斷技術，將數據分析范圍覆蓋到風電場建設、運行的全過程中，發揮出大數據的積極效用。

3.2 海上風力發電機組的控制措施

對風電機組設備的安裝質量進行控制。風電機組設備安裝過程中進行質量的嚴格把控，對安裝設備部件的材料質量、性能進行檢驗審查，保證機組設備部件的材料質量合格，性能符合風電場生產工藝技術要求。機組設備安裝過程中，制定嚴格的施工質量控制辦法，嚴格把控各個作業環節。通過嚴格把控機組設備的安裝質量，確保風電機組投入使用后安全可靠。

對風電機組的設備檢修加強控制。加強風電機組設備的巡查檢修，尤其是惡劣天氣來臨前加強對機組設備狀態的檢查，對周邊環境的風險隱患進行排查，消除風險隱患。根據發電機組的運行計劃做好定期檢修，做好檢修過程記錄，總結設備檢修工作中發現的問題，制定合理的應對策略。通過對風電機組設備檢修加強控制，為發電機組運行中硬件和軟件設施安全可靠奠定保障。

對風電機組運行數據加強監測分析。注重對風電機組運行數據的監測分析，包括風力變化狀態下的機組運行參數、機組運行功率、溫度變化情況等。結合現場監測到的數據信息，通過數據軟件提取有效信息，抓住特征數據，挖掘潛在規律。通過對數據的收集和分析，為遠程控制提供有力條件，為維護發電機組運行安全提供有力支持。

對風電機組運行加強維護管理。維護管理要采用動態靈活的機制，將傳統的被動管理轉變為主動管理。建立風電機組運行檔案，結合運行檔案中的數據，對發生故障率較高的設備部件和部位加強安全檢查和日常維護。根據機組設備部件的使用壽命情況，制定機組各個部位的養護計劃，提高對機組設備運行維護的科學性和精準性。通過科學制定機組運行維護方案，嚴格執行機組運行維護計劃，延長機組設備使用壽命，保證風電機組運行安全高效。

3.3 海上風力發電前景展望

海上風能是重要的再生型清潔型資源，在新能源戰略中得到國家的支持。隨著海上風力發電項目的建設和投產，海上風力發電項目也正在向著多元化的方式發展。電網友好型技術為風電接入形式提供了支持，風電接入形式從單一集中接入遠距離輸送方式向著多元化方式發展，未來分散式接入和微網應用將越來越多。隨著應用場景的多樣化發展，海上風力發電將更直接的面對用戶需求，以用戶為中心在風電電能品質方面建立更高的標準。分散式應用在能源市場中也將有較快的發展，根據電力市場的發展情況，風電能源和傳統電能、其他新能源、儲能、智能配電保護等方面將有越來越多的融合，在電力系統的運行控制、信息交互方面有廣闊的發展空間。

4 結語

海上風電產業已被納入到廣東省海洋經濟發展戰略體系中，立足于海上風電產業解決廣東能源消耗增大的問題。立足于海上風電開發的需求和特點，提升大型風電機組運行維護和控制技術研究水平，完善風電機組設備供應鏈，推動創新設計和智能制造的融合發展，為海上風電機組運行質量水平提供保障，以科技促進廣東加速形成海上風電完整產業鏈，推動海上風電產業蓬勃發展。