陳軍，鄭大周

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

提升山地風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量的策略研究

陳軍，鄭大周

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

文章分析了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的各種指標(biāo)，提出了影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，針對如何提升山地風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵指標(biāo)提出了應(yīng)對策略，并對提升機(jī)組功率曲線、降低機(jī)組故障率進(jìn)行了應(yīng)用分析，對提升風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量有著重要的意義。

風(fēng)電機(jī)組，運(yùn)行質(zhì)量，功率曲線，故障率

0 引言

風(fēng)電作為應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)，已在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。截止2015年底，全球累計裝機(jī)432.4 GW，國內(nèi)累計裝機(jī)145.1 GW，裝機(jī)92 981臺。根據(jù)國家能源局制定的風(fēng)電發(fā)展 “十三五”規(guī)劃， “十三五”期間風(fēng)電新增裝機(jī)容量將超過80 GW。面對如此大的風(fēng)電裝機(jī)量，風(fēng)火同價的呼聲越來越高。如何評價風(fēng)機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，如何通過不斷的技術(shù)進(jìn)步來提高機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量、降低度電成本，是一個非常現(xiàn)實(shí)和緊迫的問題。

1 基本運(yùn)行指標(biāo)

在風(fēng)電發(fā)展初期，基于時間的可利用率（TBA）和功率曲線符合性（PCC）是風(fēng)電運(yùn)營商主要應(yīng)用的考核指標(biāo)。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于發(fā)電量的可利用率 （PBA）、平均檢修間隔時間（MTBI）和平均機(jī)組檢修總耗時（MTOTI）逐步替換前面兩個指標(biāo)成為評價風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量的主要考核指標(biāo)。按照中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會制定的 《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量綜合評價辦法》陸上風(fēng)電將根據(jù)3個指標(biāo)按照5∶2∶3的權(quán)重進(jìn)行評價排名。

1.1 基于發(fā)電量的風(fēng)電機(jī)組可利用率（PBA）

由于發(fā)電量是風(fēng)電場運(yùn)行的核心目標(biāo)，基于發(fā)電量的風(fēng)機(jī)可利用率更能反映風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能。計算方法如下：

PBA=[1-機(jī)組損失電量/（實(shí)際發(fā)電量+機(jī)組損失電量+非機(jī)組原因損失電量）]×100%

此時計算可利用率不僅僅考核故障時間，而且考核機(jī)組在故障時間下的損失電量，相當(dāng)于發(fā)電量損失按故障時間的風(fēng)速情況進(jìn)行加權(quán)處理，簡單來說大風(fēng)時故障比小風(fēng)時故障的損失嚴(yán)重得多。

為便于理解風(fēng)電機(jī)組各運(yùn)行狀態(tài)下的損失電量，國際電工委員會把風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分類分層[1]，如表1所示。

表1 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)

其中，根據(jù)合同要求P3、P4、P5、P6、P11一般各方約定為0。*是代表數(shù)據(jù)丟失或者無法量化情況下數(shù)值無法具體確定。目前認(rèn)為可以采用同風(fēng)場其他風(fēng)機(jī)的同時段統(tǒng)計數(shù)據(jù)代替。非正常性能可以進(jìn)一步劃分為由于機(jī)組原因造成的非正常性能和由于非機(jī)組原因造成的非正常性能。具體可用表2表示。

表2 機(jī)組非正常運(yùn)行工況

續(xù)表

計算潛在發(fā)電量的關(guān)鍵因素在于風(fēng)速和參考功率曲線。風(fēng)速可以采用機(jī)艙風(fēng)速、機(jī)艙前風(fēng)速或測風(fēng)塔折算風(fēng)速。由于機(jī)艙前風(fēng)速測量成本高，測風(fēng)塔折算風(fēng)速不確定度大，因此使用機(jī)艙風(fēng)速是最切實(shí)可行的方法。關(guān)于參考功率曲線可以采用投標(biāo)用的擔(dān)保功率曲線或機(jī)組運(yùn)行一段時間后SCADA記錄的功率曲線，由于SCADA記錄的實(shí)際運(yùn)行功率曲線有可能無法達(dá)到設(shè)計功率曲線，或者超出設(shè)計功率曲線，而機(jī)組是否能夠達(dá)到設(shè)計功率曲線是反映機(jī)組特性的重要指標(biāo)，因此用合同約定的擔(dān)保功率曲線作為計算潛在發(fā)電量的參考功率曲線最科學(xué)。

1.2 平均檢修間隔時間（MTBI）

平均檢修間隔時間是在統(tǒng)計周期內(nèi)兩次定期或非定期維護(hù)之間間隔的平均值，檢修的次數(shù)是計算本指標(biāo)的核心。檢修次數(shù)需遵守以下原則：

（1）檢修事件包括：定期檢修、非定期檢修、計劃性改進(jìn)、強(qiáng)制停機(jī)、暫時停機(jī)等；

（2）每臺風(fēng)機(jī)現(xiàn)場維護(hù)開關(guān)切換至本地則計為一次檢修，相同事件多次將現(xiàn)場維護(hù)開關(guān)切換至本地定義為一次檢修。相同事件可以持續(xù)一天，也可以持續(xù)多天。

檢修次數(shù)的統(tǒng)計現(xiàn)階段主要采用以工作票記錄為依據(jù)，未來將以SCADA記錄的維護(hù)開關(guān)動作次數(shù)為依據(jù)。由于存在相同事件多次切換維護(hù)開關(guān)的可能性，這就要求風(fēng)機(jī)在主控界面有一個維護(hù)選擇項(xiàng)，每切換一次維護(hù)開關(guān)就要在主控中進(jìn)行選擇區(qū)分，定義本次維護(hù)切換與上次維護(hù)切換是否屬于同一事件，如果屬于同一事件則本次切換操作只上報但不計入MTBI的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。計算方法如下：

MTBI=（統(tǒng)計周期小時數(shù)×統(tǒng)計機(jī)組臺數(shù)）/檢修次數(shù)

1.3 平均檢修耗時（MTTI）

平均檢修耗時MTTI是指在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組的檢修總耗時 （即檢修停機(jī)時間總和）與風(fēng)電機(jī)組的檢修次數(shù)之比。計算方法如下：

MTTI=統(tǒng)計范圍內(nèi)檢修造成的機(jī)組停機(jī)時間總和/檢修次數(shù)

1.4 平均機(jī)組檢修總耗時（MTOTI）

平均機(jī)組檢修總耗時MTOTI定義為一定時期內(nèi)平均單臺機(jī)組檢修停機(jī)消耗的總時間，綜合反映風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量和維修服務(wù)團(tuán)隊響應(yīng)速度、故障診斷、修復(fù)效率和備件保障能力。計算方法如下：

MTOTI=Σ （統(tǒng)計周期內(nèi)每臺機(jī)組每次檢修停機(jī)時間）/統(tǒng)計機(jī)組臺數(shù)

以年為統(tǒng)計周期時，且在MTBI和MTTI已知的情況下，平均機(jī)組檢修總耗時可用式（1）計算：

2 提升運(yùn)行質(zhì)量的方法及應(yīng)用

2.1 提升功率曲線

按照PBA的定義公式，由于各種損失電量按照擔(dān)保功率曲線計算，因此，擔(dān)保功率曲線不能約定過高，應(yīng)是機(jī)組正常情況能夠達(dá)到值；擔(dān)保功率曲線也不能過低，過低在機(jī)組投標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計算時會提升度電成本，降低產(chǎn)品的競爭力。因此擔(dān)保功率曲線采用機(jī)組在型式認(rèn)證時的實(shí)測功率曲線是最佳選擇。

提升實(shí)際運(yùn)行功率曲線的目的是為了達(dá)到或者超過擔(dān)保功率曲線。提升功率曲線可以提高實(shí)際發(fā)電量，將分母值增大，有利于提升PBA的值。按表2，功率曲線超發(fā)，實(shí)際上損失電量是負(fù)值，也有利于提升PBA。

2.1.1 校正偏航誤差

當(dāng)風(fēng)向標(biāo)對風(fēng)不準(zhǔn)確時，會使機(jī)組偏離風(fēng)向，假如葉輪平面與風(fēng)向的夾角為φ，則垂直于葉輪平面的風(fēng)速分量為V'=Vsinφ，此時機(jī)組的輸入功率為：

式中：P為輸入風(fēng)機(jī)的能量，kW；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；A為風(fēng)輪葉片的掃掠面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3；V為風(fēng)速，m/s。

山地風(fēng)場除風(fēng)向變化頻繁外，還有山谷風(fēng)的影響，由于陸地和大氣比熱不一樣，加上熱脹冷縮和重力效應(yīng)就產(chǎn)生了山谷風(fēng)。在這種條件下，風(fēng)向標(biāo)有時無法真實(shí)反映葉輪風(fēng)速的主風(fēng)向。例如在某山地風(fēng)場通過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏航角度為正時風(fēng)電機(jī)組可以呈現(xiàn)更優(yōu)的功率曲線，如圖1所示。

圖1 不同偏航角度實(shí)測功率曲線對比

通過上述研究可知，風(fēng)機(jī)實(shí)際偏航策略需要根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)況進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化，根據(jù)風(fēng)況綜合考慮偏航角度和偏航動作的靈敏度才能實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)電量。

2.1.2 消除葉片對零誤差

葉片對零角度出現(xiàn)偏差有兩種情況，情況一：三支葉片零位標(biāo)注錯誤，造成安裝時葉片的實(shí)際零位與安裝零位不一致，這會造成機(jī)組在變轉(zhuǎn)速段損失氣動性能無法達(dá)到設(shè)計值。情況二：某支葉片零位標(biāo)注或安裝存在偏差，此時不僅會損失氣動性能還會造成風(fēng)輪的不平衡，增大機(jī)組的振動值。為保證風(fēng)機(jī)按照設(shè)計功率曲線運(yùn)行，必須保證每支葉片的實(shí)際零位安裝在相應(yīng)位置上。

2.1.3 優(yōu)化控制參數(shù)應(yīng)對大湍流工況

湍流是非常復(fù)雜的過程，湍流強(qiáng)度體現(xiàn)的是10 min內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅值的大小，是10 min平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期平均風(fēng)速的比值。隨著湍流強(qiáng)度的增大風(fēng)電機(jī)組重要部件的極限載荷會隨之增大，疲勞載荷也會明顯增加，發(fā)電量會遞減[2-3]。大湍流需要風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)加快響應(yīng)速度，跟蹤最優(yōu)葉尖速比、或者采用激光雷達(dá)測風(fēng)的前饋控制技術(shù)，提前預(yù)判風(fēng)速變化，力爭在每一個風(fēng)速的瞬間都獲得最大的Cp。

2.2 提高機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)

2.2.1 提升機(jī)組PBA

提高風(fēng)電機(jī)組PBA最直接的手段是減少損失電量。即在機(jī)組無故障的情況下提高機(jī)組實(shí)際發(fā)電量，減少停機(jī)時間（尤其是大風(fēng)階段）以降低電量損失。從表1可知，降低非運(yùn)行狀態(tài)的潛在發(fā)電量的關(guān)鍵在于縮短檢修時間，以減小P7、P8、P9、P10。

在提高機(jī)組實(shí)際發(fā)電量方面，全面提升機(jī)組的功率曲線是根本，根據(jù)實(shí)際風(fēng)況進(jìn)行控制策略的修正也是必要手段。譬如每個山地風(fēng)電場甚至每臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)速概率分布都不盡相同，行業(yè)內(nèi)常用威布爾分布雙參數(shù)曲線來表達(dá)實(shí)際風(fēng)速的分布概率模型，見式（3）：

式中：V為風(fēng)速，m/s；k為形狀參數(shù)；c為尺度參數(shù)，m/s。圖2是在年平均風(fēng)速為6.3 m/s和形狀參數(shù)分別為2和2.3時風(fēng)速概率密度的分布情況。

圖2 風(fēng)速概率密度分布

由圖2可見，在形狀參數(shù)發(fā)生變化的情況下，不同風(fēng)速段的風(fēng)速概率發(fā)生了明顯變化。此時可修改最佳增益Kopt以提高風(fēng)機(jī)發(fā)電量，目的是通過促進(jìn)高頻風(fēng)段的風(fēng)能吸收提升總體發(fā)電量。某山地風(fēng)場根據(jù)風(fēng)概率密度分布調(diào)整最佳增益Kopt后功率曲線變化如圖3所示。

圖3 不同Kopt下實(shí)測功率曲線對比

由圖3可知，風(fēng)電機(jī)組在調(diào)整最佳增益后，風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段功率曲線變好，雖然額定風(fēng)速段功率曲線變差，但是總體發(fā)電量比調(diào)整前提高了1%。因此不同的風(fēng)頻分布總是存在一個最佳增益使機(jī)組的年發(fā)電量最大。風(fēng)電機(jī)組在此種情況下PBA可以獲得最佳結(jié)果。

在減少停機(jī)電量損失方面，尤其是要減少大風(fēng)階段的故障停機(jī)，這樣才能更好地減少發(fā)電量損失。這就需要提高故障預(yù)判能力，在小風(fēng)時段根據(jù)情況增加非定期檢修，從而減少大風(fēng)階段的故障檢修，使故障處于受控階段。提升功率曲線和降低故障率兩方面相互作用，才能更好地提升PBA指標(biāo)。

2.2.2 提升機(jī)組MTBI

MTBI指標(biāo)的提升將直接帶來運(yùn)維成本的降低和發(fā)電量的提升。提升MTBI的關(guān)鍵在于提高機(jī)組的部件質(zhì)量、設(shè)計水平和生產(chǎn)運(yùn)行質(zhì)量。可以從以下三方面著手：

（1）加強(qiáng)機(jī)組可靠性設(shè)計。在機(jī)組的設(shè)計過程中要充分考慮山地環(huán)境的特殊情況，在易損關(guān)鍵部位增加冗余環(huán)節(jié)，重視機(jī)組的可靠性和全生命周期運(yùn)行。在可靠性成本增加和維修成本降低之間尋找一個平衡點(diǎn)，使機(jī)組運(yùn)行總費(fèi)用降低，此時的機(jī)組故障次數(shù)處于最優(yōu)狀態(tài)。

（2）通過精益生產(chǎn)和精益調(diào)試控制機(jī)組的產(chǎn)出過程。風(fēng)電機(jī)組在生產(chǎn)過程中全程實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，將企業(yè)中最優(yōu)秀的做法固定下來，同時不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)，力求一次做好。機(jī)組產(chǎn)出后在樣機(jī)階段必須進(jìn)行嚴(yán)格的出廠試驗(yàn)：通過全功率試驗(yàn)和電網(wǎng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)組的電氣性能和電網(wǎng)適應(yīng)能力，通過控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試驗(yàn)證機(jī)組在各種運(yùn)行工況下的控制性能。在批量產(chǎn)出階段完善機(jī)組調(diào)試環(huán)節(jié)，在調(diào)試過程中嚴(yán)格按照 “調(diào)試作業(yè)工作指導(dǎo)書”和 “調(diào)試證明書”開展工作。在車間精益調(diào)試過程中，實(shí)現(xiàn)主控、變槳與SCADA一鍵自動化測試，按照項(xiàng)目定版控制程序；使用自主開發(fā)的輪轂、機(jī)艙自動化調(diào)試平臺，實(shí)現(xiàn)輪轂、機(jī)艙的智能化和自動化調(diào)試，消除調(diào)試過程中人為干預(yù)和操作失誤的影響；使用新開發(fā)的變槳控制盒完善輪轂調(diào)試內(nèi)容，增加電源相序、通訊接線、相關(guān)邏輯的自動判斷功能。在機(jī)艙調(diào)試內(nèi)容上增加偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)的調(diào)試工作，從而實(shí)現(xiàn)車間調(diào)試內(nèi)容的全覆蓋。通過車間的精益調(diào)試可以大大提高風(fēng)電機(jī)組的調(diào)試質(zhì)量，加快風(fēng)場調(diào)試速度，同時也會充分發(fā)現(xiàn)硬件和軟件問題，提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）嚴(yán)格管控機(jī)組的運(yùn)行過程。通過加強(qiáng)培訓(xùn)不斷提高風(fēng)場維護(hù)人員的專業(yè)素質(zhì)，不斷完善風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和檢修操作規(guī)范，以保證現(xiàn)場人員在風(fēng)機(jī)運(yùn)行和定期檢修過程中的工作質(zhì)量，同時加大風(fēng)場巡查力度保證風(fēng)機(jī)檢修到位、運(yùn)行狀態(tài)良好。

通過實(shí)施以上措施，東方風(fēng)電在山地風(fēng)場的機(jī)組運(yùn)行可靠性有了顯著提高。以四川某風(fēng)場為例，該風(fēng)場機(jī)組的MTBI指標(biāo)已經(jīng)逐步提升至1 000 h以上，遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平。

2.2.3 提升機(jī)組MTOTI

縮短機(jī)組故障的維修時間，關(guān)鍵在于快速鎖定故障類型、及時提供維修備件、制定標(biāo)準(zhǔn)化的檢修流程。通過以下三方面的工作可以提升機(jī)組的MTOTI指標(biāo)：

（1）通過遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺提高故障的預(yù)判能力，加強(qiáng)基于大數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測技術(shù)和故障分析能力。由于遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺兼顧數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、專家診斷和服務(wù)管理功能，通過它可以消除早期隱患以避免大部件的損壞。通過平臺建立風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù) “一機(jī)一檔”管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期跟蹤，并通過多維度分析提早發(fā)現(xiàn)問題，盡早地進(jìn)行備件準(zhǔn)備及預(yù)防性維護(hù)。通過故障處理流程、故障樹及解決方案推薦機(jī)制來整體提高質(zhì)保期內(nèi)故障處理的單位效率及降低現(xiàn)場工程師的人數(shù)配比。通過WEB端網(wǎng)頁、手機(jī)APP等形式，統(tǒng)一服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和體系，提升不同人員工作的一致性和服務(wù)質(zhì)量。遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺的系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。

（2）加強(qiáng)備件管控。風(fēng)電場的備件供應(yīng)速度直接影響故障處理時間，尤其是大部件出現(xiàn)故障需要更換，絕大部分故障修復(fù)時間都消耗在備件的采購與調(diào)度上。這就需要根據(jù)備件的易損情況、重要程度建立需求預(yù)測模型和分類模型，保證備件供應(yīng)平穩(wěn)。同時建立一套完善的備件準(zhǔn)入質(zhì)量保證、備件修復(fù)、備件報廢制度，以保證備件的產(chǎn)品質(zhì)量、二次利用和備件庫的充分利用。

（3）打造戰(zhàn)略供應(yīng)鏈。戰(zhàn)略供應(yīng)鏈就是公司與各供應(yīng)商之間建立合作共贏、協(xié)同運(yùn)作、快速響應(yīng)的戰(zhàn)略關(guān)系。在資金有限的情況下，僅靠公司自身儲備備件已經(jīng)無法充分滿足行業(yè)要求，必須借助供應(yīng)商的備件儲備。戰(zhàn)略供應(yīng)鏈在減輕備件資金壓力的同時還避免了備件長期不使用導(dǎo)致失效的風(fēng)險。另外，戰(zhàn)略供應(yīng)鏈還可以在故障修復(fù)的人員和技術(shù)支持上給予公司很大的支撐，通過協(xié)同調(diào)配資源可以大大提升備件供應(yīng)速度，縮短故障修復(fù)時間。

從上述分析可知，PBA主要考核風(fēng)電機(jī)組的功率曲線和故障停機(jī)時間內(nèi)的電量損失，MTBI主要考核檢修次數(shù)，MTOTI主要考核檢修總時間。抓住了問題的核心，不斷針對問題去優(yōu)化改進(jìn)才能提高運(yùn)行質(zhì)量。

3 結(jié)論

全面提升風(fēng)電機(jī)組的功率曲線、降低風(fēng)電機(jī)組故障率是提高運(yùn)行質(zhì)量的根本。在山地風(fēng)場要根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)況制定有針對性的控制策略和合適的檢修策略，以提高風(fēng)電機(jī)組基于發(fā)電量的可利用率和平均檢修間隔時間、降低風(fēng)電機(jī)組的平均檢修總耗時。其中，以故障預(yù)判為基礎(chǔ)合理安排小風(fēng)階段的非定期檢修是提高風(fēng)電機(jī)組綜合評價指標(biāo)的重要手段。

提升風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量考驗(yàn)著一個公司的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、故障響應(yīng)速度、備件供應(yīng)能力、服務(wù)操作能力。需要各方面緊密配合，提升綜合管理水平才能獲得風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行指標(biāo)。

[1]IEC TS 61400-26-2,Production-based availability for wind turbines[S].UK：BSI Standards Limited，2014.

[2]廖明夫,Gasch R,Twele J.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[3]歐陽華,巫發(fā)明,王靛,等.湍流強(qiáng)度對兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的影響[J].大功率變流技術(shù),2013,（3）：82-86.

Research on Improving Running Quality of Wind Turbine on Mountainous Region

Chen Jun，Zheng Dazhou

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Some important indicators of the wind turbine were analyzed.And the key indicators which can affect the operation of the wind turbine were proposed.In addition,the coping strategy for improve the key indicators of the wind turbine were planned. Raising the power curve and reducing the failure rate were analyzed based on the actual application.Therefore,it was very meaningful of this paper to improve the running quality of wind turbine.

wind turbine,running quality,power curve,failure rate

TK89

A

1674-9987（2017）01-072-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.015

陳軍 （1968-），男，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)的系統(tǒng)管理工作。