海上机组主轴承健康诊断预警模型应用

中国海上风能资源储量丰富、电能品质好,截止2021年12月底,我国海上风电总装机26380 MW,约占全部风电装机的8%海上风电装机容量跃居全球第一。随着平价时代的到来,通过诊断预警推动运维方式向预知维护转变是实现平准化度电成本的有效措施。文章研究了主轴轴温在不同工况下的变化情况,使用LSTM构建机组主轴健康运行的状态空间,将实际运行数据与健康状态空间进行比较,差异较大的机组给出报警。目前该方法已在多个风电场实现推广应用,经现场验证,该方法可为提升风电场运维人员的检修效率、管理水平及经济效益提供助力。

海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计研究

常规海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计模型的构建多采用粒子群优化算法。但该算法无法准确计算出海水与单桩基础之间的耦合力,估计准确率较低。对此,提出海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计研究。首先,根据海上风力发电机组与连接单桩基础的基本结构,将单桩基础结构进行断面划分,建立单桩基础结构动力学方程。然后,结合海水域、桩基区域和两者交界处这三个场域,求取海水与单桩基础之间的耦合力,并计算单桩基础的受力值。基于此,采用风力和海浪循环荷载作用下单桩基础的累积应变指数型经验式,构建单桩基础侧向位移估计模型。以某海域NREL 5 MW单桩基础海上风力发电机组为算例,对所提模型进行仿真对比试验。试验结果表明,所构建的模型具有更高的估计准确率,即准确率在98%以上。该模型能够更好地监测和评估海上风力发电机组的结构安全性,及时发现潜在的问题并进行修复或维护。

计及高风速和低风速影响的海上风电机组两阶段滚动优化维护策略

针对复杂天气变化影响下海上风电机组维护决策问题,提出了考虑高风速与低风速影响的海上风电机组两阶段滚动优化机会维护策略。首先,提出考虑高风速冲击影响的维护役龄回退模型,量化实际部件退化与及维护成本关系。其次,建立了考虑低风速停机事件维护机会影响的海上风电机组长短期两阶段预防性机会维护模型,滚动更新长期预防性机会维护阈值。最后仿真结果表明,本文所提模型能够有效降低海上风电机组停机成本以及故障损失,提高机组寿命周期内的维护效益。

不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响

基于ANSYS有限元软件对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模,在考虑土构耦合与叶轮旋转作用下,模拟分析不同风速对塔筒结构动态响应特性的影响。选取机组切入风速3 m/s与切出风速25 m/s区间内6种平均风速及与之对应的叶轮转速作为模拟工况,分析结果表明:随着风速和叶轮转速的增加,塔筒结构的模态频率逐渐增大,前两阶模态频率变化最为明显;塔筒位移量峰值增大,但增幅减小,位移量呈非线性增长趋势;塔筒等效应力值随之增大,但变化趋势与位移量不同,大致为线性增长;塔筒疲劳寿命急剧下降,但都远超实际工作时长,疲劳损伤与安全系数危险值主要分布在塔筒底部与单桩处,与最大等效应力分布位置吻合。

考虑故障关联不确定性的海上风电机组预防性维护策略优化方法

针对海上风电机组部件故障关联作用的不确定性量化及维护策略优化问题,提出了一种考虑故障关联不确定性的海上风电机组预防性维护策略优化方法。首先,采用区间分析方法对故障关联不确定性进行量化,引入区间故障关联系数描述故障关联的不确定性对机组部件可靠度的影响。其次,根据部件运行状态信息,利用神经网络捕捉故障关联图的时空特征,构建基于图注意力-门控循环单元神经网络(GAT-GRU)的故障关联预测模型,形成区间故障关联系数矩阵。最后,以维护费用最低为目标函数,部件可靠性指标为约束条件,构建了考虑故障关联不确定性的联合维护模型,优化各部件的预防性维护时间区间。算例仿真结果验证了所提方法的有效性和经济性。

海上风电机组安装施工方法现状、研究进展与展望

随着全球海上风电产业规模迅速扩大、风机单机容量不断增加以及风电场逐渐向深远海发展,海上风机在安装施工方面的难度与成本不断上升。为应对这一形势,需要深入研究和细化适用于大型风机(10 MW及以上)在较深水域和恶劣海况下的安装方法。因此,该文整理和介绍了目前海上风电机组的主要安装方法和海上风电安装船的特性以及在未来的发展需求;在此基础上,对现阶段海上风机安装难点进行总结。文中进一步回顾了海上风机安装数值模拟方面的研究工作进展,并详细讨论了将数值模拟与风机安装的计划阶段和现场施工阶段相结合的方案,以提高安装效率,保障安全施工。

海上风电机组变压器磁密设计影响因素探讨

本文笔者分析了海上风电机组变压器相较于常规电力变压器运行的特殊环境条件和电磁工作条件,介绍了变压器磁密设计及过励磁的相关概念,以及风电机组的运行条件和电网接入要求,探讨了风电机组变压器在磁密设计方面需要重点考虑的几个因素,最后结合IEC标准要求论述在实际设计中的应用,并进行了总结。

基于海上风力发电机组中虚拟飞轮储能系统的频率支撑协调控制策略

针对海上风力发电场并入电网导致电网等效惯量下降问题,提出基于海上风力发电机组(OWTs)中虚拟飞轮储能系统(VFESS)的频率支撑协调控制策略,并利用遗传算法优化VFESS吸收和释放功率的曲线。首先,OWTs采用宽转速运行控制方法形成VFESS,通过释放和吸收能量来短时支撑电网频率;然后,考虑负荷扰动、VFESS存储容量、同步发电机组一次调频时间等条件后,利用遗传算法优化VFESS释放和吸收能量的功率曲线,以实现电力系统频率跌落幅度最小、频率变化率最小的目标。最后,算例分析表明采用该方法的OWTs能提供短时频率支撑,减小电力系统低频减载装置动作次数。

海上单桩风力发电机组载荷-基础全工况一体化设计

海上风电机组受到的外力载荷较为复杂,如何考虑所有外载的相互耦合对于获得更为准确的结构内力和变形等动力响应起到了关键性作用,同时也是响应海上风力发电机组降本需求的重要手段。通过浙江某海上风电项目的单桩基础分析对比分离式设计和一体化设计的区别,结果表明:分离式设计相比于一体化设计在风力机载荷和波浪载荷上缺乏时间的一致性;因波浪作用产生的部分惯性效应被重复考虑以及载荷相关系数的规定上也更为保守;一体化设计无论是在极限还是疲劳分析上都更优于分离式设计,能较大节约海上风力机基础的成本。

海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析方法

为实现海上风电机组支撑结构抗疲劳设计,提出基于整体-局部方式建模的疲劳分析方法。利用该方法对热点局部区域进行详细有限元建模,基于IIW规范采用高精度六面体实体单元离散,其余非重点区域采用梁单元离散,可克服以往运用应力影响矩阵研究中忽略整体结构位移、边界条件不易施加等缺点。基于IEC61400规范进行整机动力学和载荷计算,对某海上风电机组三脚架支撑结构进行疲劳分析。对比分析不同载荷工况、波高和水深下的累积损伤值,结果验证了所提出的整体-局部建模方法在海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析中的可行性和优越性。

大型海上风电机组叶片故障图像识别方法

针对海上风电机组叶片故障诊断建模时缺乏大量实际故障图像训练样本的问题,文章提出了一种基于小数据集的海上风电机组叶片故障图像识别方法。该方法针对风机叶片图像的叶片及其故障的颜色与形状特征,改进K均值聚类算法以实现叶片分割,设计自适应算法调整Canny算子参数以实现叶片表面早期故障区域的分割,使用K均值聚类算法提取故障的颜色和形状特征并设计相应的分类器以实现故障分类。仿真算例表明,该方法对于叶片表面早期故障的识别是有效的,可以在少量故障样本的基础上为海上风电机组叶片故障识别提供准确的诊断模型,提高了海上风电场的运维效率。

海上风电机组支撑结构一体化设计方法

受设计工作范围分工和责任的制约,风电机组设备厂商和风电场建设单位分别设计塔筒和导管架,这种分离式设计通过塔筒底部载荷传递并反复迭代确定结构型式及尺寸。此外,现有的海上风电机组导管架设计参考海洋石油平台等规范,忽略了海上风电机组的受力特点。上述两层原因较大程度上制约了支撑结构的力学性能,且设计迭代次数较多,并无法准确获取整体结构的动态响应。为解决上述问题,提出基于拓扑优化的导管架结构设计方法,并通过改变塔筒和导管架分界面位置,即扩大拓扑优化设计空间进一步提高结构性能。选取NREL 5 MW海上风电机组为研究对象,分别对比参考结构、拓扑优化结构和一体化设计结构的固有频率和不同极限工况下的最大变形。结果证明了所提出支撑结构一体化设计方法的有效性和优越性。

考虑台风影响的海上风电机组部件剩余寿命预测方法

针对台风天气影响下海上风电机组剩余寿命预测问题,提出了考虑退化状态与台风冲击相依的海上风电机组部件剩余寿命预测方法。基于台风冲击模型及部件状态对部件退化过程的影响分析,构建了考虑退化状态与冲击相依的海上风电机组部件剩余寿命可靠度模型。利用实际监测数据对部件可靠度模型进行修正更新,建立了剩余寿命动态预测模型。采用fmincon函数对离散化处理后的部件可靠度模型进行参数估计,结合运行监测数据修正参数,进而动态预测剩余寿命。以某海上风电机组齿轮箱部件为例进行仿真,验证了所提方法的有效性。

基于离散数值分析技术的海上风电机组安装施工规划模拟研究

海上风电机组安装主要包括多船舶联合施工、单船自运输安装施工两种方式。海上风电场建设中,风电机组安装施工费用占有较大比重,进行整体施工规划分析可以为宏观决策提供量化依据。鉴于此,采用离散数值分析模拟技术,以实际工程项目施工限制条件和风浪流数据为计算参数,对项目总工期和怠机时长等进行数值模拟,以比较上述两种模式的施工效率优劣。结果表明,相对航行距离在359.26 km前,单船模式施工累计耗时高于多船模式,超过该距离后,多船模式逐渐高于单船模式;多船模式怠机抵抗性能整体上优于单船模式。

考虑疲劳载荷分布的海上风电机组出力优化控制

为提高海上风电机组的能源产出效率。延长风电机组运行寿命,研究着重考虑了疲劳载荷分布影响。采用集成气象数据与疲劳载荷模拟方法,设计了一种出力优化控制模型。并通过优化算法选择与参数调优来提升控制模型功能,旨在全方位提升能源产出效率,减轻疲劳载荷对设备的潜在损害,研究结果显示,出力优化控制模型能提高海上风电场的整体效率,有效延长风电机组使用寿命,可为提升海上风能的经济性与可持续性贡献了新方法。

漂浮式海上风电机组全生命周期成本分析

针对国内漂浮式风电全生命周期成本研究尚不足的问题,提出一种评估漂浮式海上风电机组全生命周期成本细分的方法。该方法将漂浮式海上风电机组全生命周期划分为前期调研、设计、制造、安装、运行维护和拆解等6个阶段,涉及每个阶段的阶段成本,并将各阶段成本细分为不同的子成本,得到全生命周期多层次成本构成,并据此分析获得影响全生命周期总成本的关键变量。以某半潜式浮式风机为例,分析其全生命周期每个阶段的成本构成,从而获得最重要的成本,并将其最小化以提高浮式风机经济效应。研究结果表明,控制制造成本和安装成本是提高浮式风机经济性的关键。

考虑疲劳载荷分布的海上风电机组出力优化控制

针对海上风电场疲劳载荷分布不均衡、各机组维护频次不同步而导致运维成本高的问题,提出了一种考虑疲劳载荷分布的海上风电机组出力优化控制策略。基于风机最小推力系数控制策略有效降低风电场的尾流效应,以疲劳载荷分布均衡为目标优化各机组的疲劳载荷,使各机组维护频次同步,进而降低运维成本。仿真结果表明:与风机最大功率点跟踪控制策略相比,所提策略在实现风电场疲劳载荷均衡分布的同时,使得风电场年发电量提高4.20%。

海上风电机组雷电在线监测系统设计研究

雷电作为海上风电场的主要威胁之一,对风电场的运行效率和安全性造成了严重影响。该文阐述了海上风电机组雷击监测现状及问题,重点分析了风电机组叶片雷电在线监测方案的设计,包括数据采集、监测模块、数据传输和转换、电源模块和中央监控系统的设计,并提出通过加强设备研发、数据采集、预警系统建设及国际合作,提高海上风电场的运行效率和安全性。

基于海上风电机组电气设备状态检修技术分析

海上环境的恶劣条件和设备的复杂性使得风电机组电气设备容易出现故障,因此进行定期的状态检修具有重要意义。状态监测技术包括风电机组运行状态监测和变频器状态监测,可以实时监测设备参数并预警潜在故障。维护方法主要包括预防性维护和条件导向的维护,可以延长风电机组设备使用寿命并降低维护成本。

基于SCADA数据驱动的海上风电机组运行状态诊断方法

传统海上风电机组运行状态诊断方法直接对异常数据进行判定,未对海上风电机组运行数据进行预处理,造成传统方法诊断精准度较低。提出基于SCADA数据驱动的海上风电机组运行状态诊断方法。实验结果表明该研究方法相比于传统方法诊断精准度更高,具有更好的诊断效果。