可及性受限制的海上风电场发电可靠性评估方法

Utilization of offshore wind energy is an important part of energy strategy and maritime strategy in China. Currently, with the characteristics of low accessibility, the availability of offshore wind turbines and generation reliability of offshore wind farm are both affected by many uncertainties. However, there is few researches related to the limited accessibility systems in traditional reliability theories. The impact of accessibility on reliability is not clear. Based on the large offshore wind farm constituting plenty of wind turbines, scientific researches about influencing factors, impact mechanism, and evaluation method for limited accessibility multi-units repairable systems will be conducted in this project. It mainly includes: influencing factors of the large offshore wind farm generation reliability and their mathematical correlation, modeling and evaluation method for limited accessibility multi-units repairable systems considering two common maintenance strategies in offshore wind farm. This project aims to reveal the controllable and uncontrollable items in the offshore wind farm, and their mathematical relations with accessibilities, availability of wind turbines, and generation reliability of offshore wind farm. The successful implementation of this project will help to fill the gaps in reliability researches about limited accessible systems and provide theoretical basis for evaluating the generation reliability of offshore wind farm more accurate and optimizing the operation and maintenance strategy for offshore wind turbines.

海上风电开发与利用是我国能源战略与海洋战略的重要内容。由于海上可及性受限制的特点，海上风电机组与风电场发电可靠性受到诸多不确定因素影响，但是，传统可靠性理论对于可及问题的鲜少研究，使得海上风电场可及性受限的特点对其可靠性的影响机理尚不明确。本项目以大规模海上风电场多机组系统为研究对象，结合故障模式与危害性分析法（FMECA）、马尔可夫分析法等，对有限可及的多机组可修系统可靠性影响因素、影响机理、发电可靠性评估方法进行科学研究。主要包括：理论分析海上风电场发电可靠性的影响因素及其之间的数学相关性；研究目前常用的两种海上风电场维护策略下，有限可及的多机组可修系统机组平均可用率、发电可靠性评估模型与方法。本项目旨在揭示影响海上风电场可及性中的各项可控与不可控因素，及其与机组可用率、风电场发电可靠性之间的数学关系，为准确评估海上风电场发电可靠性、进行运维策略评估与优化奠定理论与技术基础。

我国海上风电发展迅猛，预计2025年将达到1.3亿千瓦，海上风电正逐渐成为东南沿海电网的重要本地电源。海上风电场的可靠运行不仅成为影响海上风电经济开发、实现平价上网的重要措施与保障，也逐渐成为影响我国东部受端电网安全稳定运行的重要因素之一。. 相比常规能源与陆上风电的可靠性评估，海上风电具有独特的可及性差的鲜明特点，即海上风电设备故障时，运维人员到达待维护设备、开展可就地维护受到诸多不确定因素影响而不可控且概率低。这一方面，使得海上风机设备的故障时间被显著延长、且故障停运时间表现出明显的不确定性；另一方面，使得海上风电场的发电量受到海上风速、浪高、故障及维护资源配置等多因素耦合影响。. 本项目以计及海上有限可及条件下的风电场发电可靠性评估模型与方法为主要研究内容，系统地探索了影响海上有限可及条件的关键因素、海上风电场时间可用率、能量可用率评估模型与方法等问题，取得了如下主要研究成果：.（1）海上风速、风功率特性分析方法：提出基于“改进M-bound”理论的波动率指标计算方法，凸显海上风速、风功率波动的细节特征；基于工程实际数据分析，提出基于t-location scale 分布的超短期海上风功率概率分布，表征海上风功率明显的对称分布与“尖峰肥尾”的特征，部分分析方法可推广到深远海域；.（2）计及可及性影响的海上风机时间可用率评估模型：提出适用于海上风机可靠性评估的三状态模型，简化海上可靠性数据的统计难度，解耦了海上天气因素与风电场维护资源配置的影响，是一个具有普遍适用性的海上风机可靠性模型。针对海上风电场多机组情况，构建了一个风电场“域”及相应的马尔科夫链，实现多机、有限可及条件下的海上风机时间可用率准确评估；.（3）计及可及性影响的海上风电场能量可用率评估模型：提出基于蒙特卡洛的海上风电场的能量可用率置信区间评估方法，验证了采用风速与风机可用率解耦的能量可用率计算方法的误差，同时，结合仿真分析概括了事后修复条件下，海上风电场能量可用率置信区间的概率分布特性。.（4）考虑可及性的海上风机状态维护与备件配置的联合优化方法：提出了一种海上风机状态维护与备件配置策略的联合优化方法，实现了对海上风机状态检测、预防性更换策略、及备件配置策略的联合优化。该方法不仅充分考虑了风电机组的状态信息，还将大型部件具有二次修复重新利用的特点引入优化模型。