作為海洋大國(guó)，我國(guó)具有廣泛的海洋戰(zhàn)略利益與戰(zhàn)略資源。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家海洋局在聯(lián)合印發(fā)《全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中首次指出，海洋經(jīng)濟(jì)是未來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。到2020年，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間將不斷拓展，綜合實(shí)力和質(zhì)量效益將進(jìn)一步提高，海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局將更趨合理，海洋科技支撐和保障能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，海洋生態(tài)文明建設(shè)將取得顯著成效，海洋經(jīng)濟(jì)國(guó)際合作將取得重大成果，海洋經(jīng)濟(jì)調(diào)控與公共服務(wù)能力將進(jìn)一步提升，形成陸海統(tǒng)籌、人海和諧的海洋發(fā)展新格局。因此，創(chuàng)新海洋工程技術(shù)，合理開(kāi)發(fā)和利用海洋資源具有重要的意義。

建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和發(fā)展海洋新能源是新時(shí)代的必然且迫切要求。作為海洋新能源的代表之一，海上風(fēng)力發(fā)電具有能量密度大、資源廣、穩(wěn)定性好、占地少、靠近東部沿海地區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電不僅可以充分利用海洋資源，還可以加快我國(guó)發(fā)展綠色能源的步伐。

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電不僅資源豐富，還具有對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較小、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、風(fēng)電機(jī)組距離海岸較遠(yuǎn)、視覺(jué)和噪聲干擾小、不占用土地資源、機(jī)組易大型化發(fā)展、風(fēng)電場(chǎng)易規(guī)?；_(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。另外，海上風(fēng)電場(chǎng)一般靠近傳統(tǒng)電力負(fù)荷中心，電網(wǎng)消納問(wèn)題易于解決，很大程度上減少了長(zhǎng)距離輸電問(wèn)題。然而海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本較高，合理的運(yùn)維已成為海上風(fēng)電規(guī)?；ㄔO(shè)以及實(shí)現(xiàn)全生命周期盈利的重要保障。

1 開(kāi)展海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的意義

近些年來(lái)我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展快速，市場(chǎng)正在逐步擴(kuò)大，大規(guī)模建設(shè)與投運(yùn)的海上風(fēng)電機(jī)組對(duì)機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性與維修性都提出了更高的要求。不同于陸上風(fēng)電設(shè)備，海上風(fēng)電機(jī)組面臨更加復(fù)雜的環(huán)境條件，例如高溫、高濕、鹽霧腐蝕、雷電、臺(tái)風(fēng)等惡劣氣候，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組事故頻發(fā)；可及性差、運(yùn)輸作業(yè)條件嚴(yán)苛等使得運(yùn)維成本高出陸上風(fēng)電1倍有余，且占總成本35%左右，高額的運(yùn)維成本已經(jīng)成為海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要限制因素。

同時(shí)，由于無(wú)法及時(shí)全面地了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備及關(guān)鍵部件運(yùn)行狀況，維修模式主要采用表現(xiàn)預(yù)防性基于時(shí)間的計(jì)劃維修和表現(xiàn)糾錯(cuò)性基于故障的事后維修的方式，一定程度上造成了設(shè)備“欠修”和“過(guò)修”的發(fā)生，進(jìn)而不僅造成了設(shè)備意外故障率的增加，也進(jìn)一步增大了運(yùn)維成本。

海上風(fēng)電機(jī)組是集機(jī)械、電氣設(shè)備于一體的復(fù)雜多部件系統(tǒng)。長(zhǎng)久以來(lái)，學(xué)者們針對(duì)葉輪系統(tǒng)、齒輪箱、主軸等關(guān)鍵機(jī)械部件的檢修工作開(kāi)展了大量研究，電氣設(shè)備受到的關(guān)注相對(duì)較少。然而常見(jiàn)機(jī)組故障中由發(fā)電機(jī)組故障、變頻器故障、箱式變壓器故障等為代表的電氣系統(tǒng)故障雖然停機(jī)時(shí)間占比較低，但故障率所占比例很高，風(fēng)機(jī)部件故障率與停機(jī)時(shí)間占比見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)部件故障率與停機(jī)時(shí)間占比

目前海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備的維修方式仍然以照搬陸上風(fēng)電以及電力行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)為主，采取傳統(tǒng)計(jì)劃維修和事后維修的方式。然而面對(duì)高頻發(fā)生、停機(jī)時(shí)間分散的電氣故障，采取傳統(tǒng)檢修模式弊端明顯，檢修模式亟需改進(jìn)。

體現(xiàn)預(yù)測(cè)性的基于設(shè)備狀態(tài)的狀態(tài)維修策略更加符合海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)獲得的各部件的信息進(jìn)行相應(yīng)處理及綜合分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，給出設(shè)備各部件運(yùn)行狀況報(bào)告或健康狀態(tài)報(bào)告，確定計(jì)劃維修和事后維修之間的最佳點(diǎn)，從而減少不必要的維修操作并節(jié)省非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。有學(xué)者通過(guò)數(shù)學(xué)模型得出采用狀態(tài)檢修模式，每年可降低25%~50%的設(shè)備維修費(fèi)用。因此，推行海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修工作很有必要。

2 海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前主流的海上風(fēng)電機(jī)組均為全功率變速恒頻（Variable Speed Constant Frequency, VSCF）發(fā)電系統(tǒng)，其中以高速齒輪箱+籠型異步發(fā)電機(jī)+全功率變頻器為技術(shù)路線的籠型異步發(fā)電系統(tǒng)與以永磁發(fā)電機(jī)+全功率變頻器為技術(shù)路線的永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)較為常見(jiàn)。

籠型異步發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)籠型型感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Squirrel Cage Induction Generator, SCIG）產(chǎn)生電能，利用全功率變頻器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化，而其所發(fā)出的電能頻率保持固定不變與電網(wǎng)同步，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

發(fā)電過(guò)程中，風(fēng)機(jī)的槳葉在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能資源轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過(guò)齒輪箱的增速作用實(shí)現(xiàn)與籠型異步電機(jī)連接，發(fā)電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，全功率變頻器將籠型異步電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)相位頻率相同的交流電，通過(guò)機(jī)組箱式變壓器升壓接入電網(wǎng)。

永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有負(fù)責(zé)變速的齒輪箱部分，風(fēng)輪機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）硬鏈接，轉(zhuǎn)速相同。風(fēng)能首先通過(guò)風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。最后通過(guò)全功率的變頻器，將系統(tǒng)定子發(fā)出不穩(wěn)定的三相交流電頻率穩(wěn)定在工頻，并通過(guò)機(jī)組箱式變壓器升壓接入電網(wǎng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

除了上述兩類(lèi)機(jī)型外，在永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的PMSG前端添加齒輪箱形成的永磁半直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)，與使用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（Electric Excitation Synchronous Generator, EESG）的電勵(lì)磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)也是海上風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)機(jī)型，如圖3、圖4所示。

不論何種發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)、全功率變頻器以及變壓器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的重要電力設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)與維修策略在很大程度上會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。在海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備推行狀態(tài)檢修模式，流程大致分為狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)價(jià)、檢修策略導(dǎo)向與執(zhí)行等步驟，本文將綜述這幾部分研究現(xiàn)狀。

圖3 永磁半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)機(jī)組當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，制定維修決策的前提。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中所表現(xiàn)出的各種外部征兆信息進(jìn)行感知，提取反映狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)，可以為評(píng)價(jià)設(shè)備健康狀態(tài)、故障診斷與決策提供依據(jù)，以此在事故發(fā)生前或需要時(shí)及時(shí)開(kāi)展維修作業(yè)。因此，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

2.1.1 發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對(duì)籠型異步發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量與傳統(tǒng)雙饋型機(jī)組相近，主要包括發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、定子線圈溫度、定子電壓、定子與轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機(jī)輸出功率等信號(hào)，之后再對(duì)監(jiān)測(cè)的參量信號(hào)進(jìn)行處理、挖掘、特征提取等手段實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，預(yù)警常見(jiàn)的電氣故障，例如線圈短路、絕緣損壞、三相不平衡、轉(zhuǎn)子偏心等。

目前最普遍的監(jiān)測(cè)方法是利用定子電流譜進(jìn)行發(fā)電機(jī)電流特征分析（Motor Current Signature Analysis, MCSA）。例如線圈短路中的匝間短路可通過(guò)提取定子電流諧波成分來(lái)監(jiān)測(cè)分析；有學(xué)者則通過(guò)負(fù)序電流作為特征量表征匝間短路。然而當(dāng)短路匝數(shù)較少時(shí)，定子電流變化量非常微小，諧波成分或負(fù)序電流較難被檢測(cè)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)定子三相電流Park矢量軌跡變化隨著短路故障的加重而明顯，可以作為表征參量。

除了利用定子電流譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，定子匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子平均瞬時(shí)功率譜中的2倍頻諧波變化最明顯，可以作為籠型異步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的故障特征量。也有學(xué)者在傳統(tǒng)電流分析的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，例如有學(xué)者根據(jù)多回路理論和發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，分析了電機(jī)的短路故障電流的諧波情況，并采用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform, HHT）方法和基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)的希爾伯特-黃變換（Ensemble Empirical Mode Decomposition-HHT, EEMD-HHT）方法對(duì)電流進(jìn)行分析處理，能夠做到對(duì)電機(jī)故障的發(fā)生進(jìn)行判別和對(duì)故障進(jìn)行“篩選”。

另一種常見(jiàn)的故障為相間短路，主要包括定子單相、多相短路。除了利用定子電流譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率譜比傳統(tǒng)的定子電流譜具有更多的相間短路相關(guān)信息，可以作為表征參量；同時(shí)，溫度在發(fā)電機(jī)發(fā)生相間短路時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的變化，故障特征會(huì)隨著短路時(shí)間的增加更加明顯，故而溫度也可作為表征量；此外，繞組故障時(shí)，磁場(chǎng)中通常存在不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，可通過(guò)提取特定故障頻率來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

定子三相不平衡也是發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的電氣故障，不平衡會(huì)引起發(fā)電機(jī)電流和功率輸出的變化，因而從電流信號(hào)諧波含量的變化可以檢測(cè)出不平衡。除了監(jiān)測(cè)電氣特性外，有學(xué)者應(yīng)用連續(xù)小波變換提取發(fā)電機(jī)有功功率特征信息，用于判斷轉(zhuǎn)子偏心或軸承損壞等機(jī)械故障。

針對(duì)永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)、半直驅(qū)和電勵(lì)磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量與籠型異步發(fā)電機(jī)大致相同，主要包括發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、定子線圈溫度、定子電壓、定子與轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機(jī)輸出功率等信號(hào)。不同于籠型異步發(fā)電機(jī)，永磁電機(jī)故障大致可以分為三類(lèi)：電氣故障、機(jī)械故障和永磁體故障。定子電流譜特征分析也是目前應(yīng)用最為廣泛的手段，通過(guò)采用傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析、Wigner-Ville分布等方法處理信號(hào)以獲取特征參量，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

例如有學(xué)者利用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）對(duì)q軸電流進(jìn)行頻譜分析來(lái)診斷匝間短路故障。有學(xué)者利用FFT對(duì)定子電流進(jìn)行頻譜分析來(lái)診斷匝間短路和轉(zhuǎn)子偏心故障。有學(xué)者采用小波變換和希爾伯特變換對(duì)定子電流進(jìn)行分析來(lái)診斷永磁體退磁故障。有學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與Wigner-Ville分布相結(jié)合的方法分析定子電流用于診斷匝間短路故障。

除了上述基于兩種發(fā)電機(jī)的特征信號(hào)監(jiān)測(cè)外，構(gòu)建發(fā)電機(jī)模型解析的方法也是目前較為常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)手段。例如有學(xué)者根據(jù)永磁電機(jī)匝間短路故障情況下的數(shù)學(xué)模型，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估算永磁電機(jī)匝間短路的故障匝數(shù)，作為故障特征量用于診斷匝間短路故障。也有學(xué)者構(gòu)建了發(fā)電機(jī)匝間短路情況的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障相電流遠(yuǎn)大于正常狀態(tài)時(shí)的相電流，三相電流之間的相位不再對(duì)稱(chēng)。

2.1.2 變頻器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

變頻器是風(fēng)電機(jī)組重要的電氣設(shè)備，也是故障頻率最高的設(shè)備之一，陸上機(jī)組變頻器中不同元件的故障率分布如圖5所示。

圖5 變頻器中不同元件的故障率分布

電容器、印制電路板和功率半導(dǎo)體器件IGBT是三個(gè)故障率較高的關(guān)鍵部件，其故障通常是由溫度、振動(dòng)和濕度三個(gè)主要因素直接或間接引起的，其中溫度是最主要的因素，例如IGBT模塊中最常見(jiàn)的失效模式是由封裝材料經(jīng)歷的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力引起的封裝失效。

區(qū)別于陸上機(jī)組，大容量海上風(fēng)電機(jī)組變頻器采用全功率模式，發(fā)電功率經(jīng)變頻器全功率變換后接入電網(wǎng)，變頻器的容量與發(fā)電機(jī)容量相匹配，使得發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)完全解耦，提升了風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)適應(yīng)性。由于海上風(fēng)電功率波動(dòng)劇烈，面臨鹽霧濃度高、濕度大、災(zāi)害性天氣頻發(fā)等特點(diǎn)，變頻器的安全運(yùn)行和狀態(tài)監(jiān)測(cè)也區(qū)別于陸上機(jī)組，然而功率半導(dǎo)體器件依然是海上風(fēng)電機(jī)組變頻器中最為脆弱的部件，開(kāi)路故障為其主要故障類(lèi)型。

通常情況下變頻器功率器件的內(nèi)部熱阻增加20%可作為功率模塊基本失效的依據(jù)之一。然而，在海上高開(kāi)關(guān)頻率工況及復(fù)雜噪聲環(huán)境下，采用功率模塊內(nèi)部的傳感器很難監(jiān)測(cè)到這些微弱的特征量信號(hào)，需要采取其他手段。目前變頻器監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)主要有基于三相電流信號(hào)、基于三相電壓信號(hào)以及基于IGBT狀態(tài)參量信號(hào)三種類(lèi)型。

基于電流的監(jiān)測(cè)可以用來(lái)判斷變頻器中電力電子器件IGBT的開(kāi)路故障，通過(guò)利用時(shí)域分析、電流Park矢量法、歸一化直流法、負(fù)載電流分析法和電流模式識(shí)別法等手段進(jìn)行故障判斷。

相比電流監(jiān)測(cè)，基于三相電壓監(jiān)測(cè)的方法不受基波周期限制，具有較快的故障定位速度，有學(xué)者指出，當(dāng)電壓下降到同一水平時(shí)，較高基板溫度的IGBT下降沿需要更長(zhǎng)的時(shí)間，可以此作為特征參量；有學(xué)者也利用FFT等信號(hào)處理方法從逆變器系統(tǒng)輸出電壓中提取特征信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障診斷。

除電信號(hào)特征量之外，基于IGBT狀態(tài)參量信號(hào)也有應(yīng)用，例如在運(yùn)行過(guò)程中變流器功率模塊溫度監(jiān)測(cè)值可作為反映器件狀態(tài)的重要特征量。雖然目前直接在線測(cè)量功率器件的結(jié)溫可行性較低，但是由于結(jié)溫影響功率模塊內(nèi)部損耗，表征運(yùn)行狀態(tài)的溫度信號(hào)可從外部數(shù)據(jù)間接獲得。

有學(xué)者利用功率模塊外部的溫度測(cè)量值計(jì)算其功率損耗隨溫度變化的情況，通過(guò)電氣運(yùn)行點(diǎn)參數(shù)，如電壓、電流及功率因數(shù)等計(jì)算動(dòng)態(tài)功率損耗。有學(xué)者提出將柵極閥電壓、跨導(dǎo)和導(dǎo)通壓降這三個(gè)電參數(shù)作為IGBT模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)特征參量。除了對(duì)上述信號(hào)監(jiān)測(cè)的研究之外，也有學(xué)者選擇從機(jī)組變頻器的建模和控制策略入手提取表征參量。

2.1.3 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

箱式變壓器是大容量海上風(fēng)電機(jī)組中重要的電氣設(shè)備之一，主要功能為提升電壓等級(jí)便于能量傳輸。傳統(tǒng)大容量電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)多利用油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）方法中的三比值法以及改進(jìn)的DGA方法進(jìn)行，常見(jiàn)的變壓器故障基本可以通過(guò)此種方法識(shí)別，監(jiān)測(cè)技術(shù)與分析手段已經(jīng)比較成熟。

然而不同于傳統(tǒng)的電力行業(yè)中的變壓器采用油浸式，海上風(fēng)電機(jī)組所用的變壓器大部分為干式箱式變壓器，無(wú)法通過(guò)經(jīng)典的DGA方法實(shí)現(xiàn)變壓器的監(jiān)測(cè)與診斷，同時(shí)用以反映箱式變壓器狀態(tài)的參量也較少。

目前針對(duì)變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要依靠溫度監(jiān)測(cè)、局部放電分析和頻率響應(yīng)分析、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）數(shù)據(jù)的深度挖掘等手段。在此基礎(chǔ)上，實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組箱式變壓器主要依靠例行巡檢的方式進(jìn)行離線監(jiān)測(cè)，結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)變壓器進(jìn)行后續(xù)評(píng)價(jià)工作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員技術(shù)要求較高。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)見(jiàn)表2。整體而言，目前基于海上風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)以及變頻器的電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要還是集中在電流特征分析、電壓信號(hào)分析、功率分析等電氣信號(hào)分析手段。通過(guò)時(shí)域、傅里葉變換、小波變換等信號(hào)處理手段提取特征參量；基于箱式變壓器的電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比于陸上大型電力變壓器略顯不足，可用于監(jiān)測(cè)提取的狀態(tài)參量較少。

現(xiàn)有的海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可供分析的信號(hào)大部分源自于SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)，能夠完整反映設(shè)備狀態(tài)的信號(hào)來(lái)源較少，且部分信號(hào)采集精度不滿足分析要求。

如需對(duì)典型電氣設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，一方面需要加裝電氣信號(hào)采集裝置，彌補(bǔ)監(jiān)測(cè)信號(hào)來(lái)源不足以及精度低的問(wèn)題；一方面針對(duì)采集信號(hào)提取特征參量時(shí)采取的分析方法也需改進(jìn)，在傳統(tǒng)時(shí)域、頻域等分析方法基礎(chǔ)上采用新的融合類(lèi)分析方法；另一方面，海上風(fēng)電機(jī)組中電氣設(shè)備與葉輪系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等機(jī)械部件間存在比較強(qiáng)的聯(lián)系，狀態(tài)量轉(zhuǎn)移頻繁，因而基于多種不同部件的狀態(tài)參量共同表征，如利用葉片監(jiān)測(cè)信息結(jié)合發(fā)電機(jī)參量共同實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)有望成為未來(lái)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

表2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)

2.2 海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究現(xiàn)狀

海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)是在狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中反映狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)設(shè)備健康狀態(tài)，提供檢修策略導(dǎo)向。因此，狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要環(huán)節(jié)。早期風(fēng)電電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)主要有基于物理模型的評(píng)價(jià)方法（利用狀態(tài)方程、參數(shù)模型估計(jì)和辨識(shí)等方法產(chǎn)生殘差，然后基于某種準(zhǔn)則閾值對(duì)該殘差進(jìn)行評(píng)價(jià)）以及基于SCADA數(shù)據(jù)的狀態(tài)評(píng)價(jià)方法（采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多參數(shù)融合方法）。

然而兩種方法存在過(guò)度依賴(lài)模型準(zhǔn)確性和歷史數(shù)據(jù)的問(wèn)題，因此學(xué)者們?cè)诖嘶A(chǔ)上開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)及人工智能聚類(lèi)算法在信息相關(guān)性分析、推理、優(yōu)化決策方面擁有優(yōu)勢(shì)，可有效應(yīng)用于復(fù)雜非線性系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)價(jià)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是目前研究較多的一種狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。有學(xué)者采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障預(yù)警；有學(xué)者建立了一種運(yùn)行工況自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警模型，利用SCADA數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件的健康狀況；有學(xué)者采用基于Levenberg Marquadt梯度下降法和牛頓法的BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施狀態(tài)評(píng)價(jià)。

有學(xué)者從數(shù)據(jù)挖掘的角度分析對(duì)發(fā)電機(jī)軸承溫度影響最大的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)軸承溫度；有學(xué)者應(yīng)用離散小波變換、特征提取、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)空載和滿負(fù)荷工況下的電氣信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和預(yù)警。

另一種模糊狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，由于符合風(fēng)電機(jī)組存在大量的漸變性故障，且故障的發(fā)展通常要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)且具有模糊性的中間過(guò)渡過(guò)程的特性，得到了廣泛應(yīng)用。例如有學(xué)者提出一種海上風(fēng)電機(jī)組多層次模糊綜合狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，并改進(jìn)了指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法；有學(xué)者應(yīng)用變權(quán)理論解決了個(gè)別關(guān)鍵參數(shù)嚴(yán)重偏離正常值，導(dǎo)致人工判斷與模糊評(píng)價(jià)模型結(jié)果不一致的問(wèn)題；有學(xué)者引入灰色理論，改進(jìn)了模糊評(píng)價(jià)策略，提高了模糊評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確度；有學(xué)者根據(jù)風(fēng)電機(jī)組各部件的運(yùn)行狀態(tài)的相似云及模糊綜合評(píng)價(jià)建立模型，考慮風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于相應(yīng)部件劣化度的影響。

信息融合法也是傳統(tǒng)電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的方法之一，例如有學(xué)者基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)理論完成了變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建。然而信息融合法多用于大容量油浸式變壓器的評(píng)價(jià)，在海上風(fēng)電機(jī)組變壓器領(lǐng)域應(yīng)用較少。

狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)見(jiàn)表3。當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究還是著重在評(píng)價(jià)模型的建設(shè)與優(yōu)化，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與模糊評(píng)價(jià)為代表，學(xué)者們開(kāi)展了大量的研究工作。然而，目前業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的設(shè)備以及整機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維工作中針對(duì)設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)方式較為單一，主要依靠故障報(bào)警信號(hào)以及例行巡檢結(jié)果，缺乏細(xì)化的狀態(tài)分級(jí)與狀態(tài)劣化過(guò)程展現(xiàn)，使得依據(jù)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)而開(kāi)展的檢修工作難度較大。如需推行海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修工作，作為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的重要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵依據(jù)，制定可行的狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將成為關(guān)鍵。

未來(lái)全壽命周期管理體系有望成為全面管控海上風(fēng)電機(jī)組的主流技術(shù)、這其中，基于設(shè)備-整機(jī)健康指數(shù)編制健康檔案并進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，通過(guò)特征量的動(dòng)態(tài)變化分析獲取相應(yīng)的健康等級(jí)，再精準(zhǔn)定位病灶，給出警報(bào)信息將是發(fā)展方向。

表3 狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)

2.3 海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備檢修決策技術(shù)研究現(xiàn)狀

海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備檢修決策技術(shù)是在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，制定檢修策略與實(shí)施方案，是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的最終環(huán)節(jié)。主要內(nèi)容分為待修機(jī)組或設(shè)備維修方式?jīng)Q策和具體維修作業(yè)任務(wù)的排程優(yōu)化兩部分。

基于設(shè)備可靠性的檢修（Reliability Centered Maintenance, RCM）決策是較為常見(jiàn)的決策技術(shù)，可分為靜態(tài)可靠性（基于故障模式與故障樹(shù)等）與動(dòng)態(tài)可靠性分析（例如馬爾可夫過(guò)程）。

有學(xué)者選擇典型故障模式為研究對(duì)象，運(yùn)用RCM維修理論分析方法對(duì)其進(jìn)行故障模式失效影響分析和故障樹(shù)分析，在此基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的理論方法進(jìn)行維修方式和維修方案決策；在實(shí)際檢修中，由于系統(tǒng)時(shí)刻會(huì)發(fā)生狀態(tài)相互轉(zhuǎn)移，為應(yīng)對(duì)考慮持續(xù)時(shí)間的因素，有學(xué)者提出了半馬爾可夫決策過(guò)程。

有學(xué)者提出基于半馬爾可夫決策過(guò)程的風(fēng)機(jī)多狀態(tài)維修優(yōu)化模型，分析各退化狀態(tài)下的維修策略，用策略迭代法確立部件的最優(yōu)維修決策；有學(xué)者考慮了風(fēng)電機(jī)組在天氣以及季節(jié)影響下最優(yōu)的維修策略制定方式。有學(xué)者在對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理和故障機(jī)制分析基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變流器的可靠性概率數(shù)學(xué)模型，在考慮隨機(jī)故障和老化故障的情況下，提出基于半馬爾可夫過(guò)程的改進(jìn)型多劣化狀態(tài)維修模型。

考慮到海上風(fēng)電機(jī)組位置的分散性，除了傳統(tǒng)的基于時(shí)間和基于狀態(tài)的維修策略，在海上風(fēng)電維修決策中引入機(jī)會(huì)維修的概念受到了關(guān)注：有學(xué)者將機(jī)會(huì)維修的概念引入風(fēng)電機(jī)組預(yù)防性維修決策中，研究了在進(jìn)行定期維修、事后維修的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)施機(jī)會(huì)維修的可行性；有學(xué)者將狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和比例失效模型應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組維修決策，提出了狀態(tài)-機(jī)會(huì)維修策略；也有學(xué)者提出針對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)會(huì)維修優(yōu)化模型，采用傳統(tǒng)的機(jī)組檢修非線性整數(shù)規(guī)劃模型，引入機(jī)會(huì)維護(hù)約束，對(duì)某海上風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)時(shí)間做出安排。

此外，組合維修策略也因符合海上風(fēng)電場(chǎng)特性，受到了學(xué)者們的關(guān)注。有學(xué)者考慮時(shí)間窗口和維修需求等因素，應(yīng)用蟻群優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)組合維修優(yōu)化模型，提高了海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維效率；有學(xué)者利用混合整數(shù)規(guī)劃方法研究了適宜大型運(yùn)維公司對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)維修任務(wù)進(jìn)行組合優(yōu)化的算法；有學(xué)者采用蒙特卡洛仿真方法，建立面向組合維修的海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維模型；有學(xué)者在分析國(guó)內(nèi)外狀態(tài)檢修現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以狀態(tài)檢修理論和全面規(guī)范化生產(chǎn)維護(hù)（Total normalized Productive Maintenance，TnPM）理論為基礎(chǔ)，嘗試將TnPM維修體系應(yīng)用到風(fēng)電企業(yè)狀態(tài)檢修過(guò)程中，規(guī)范風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)和維修流程，提高作業(yè)安全性和生產(chǎn)效率。

檢修決策技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)見(jiàn)表4。海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備維修方式?jīng)Q策目前更多的還是依靠傳統(tǒng)的故障樹(shù)以及馬爾可夫、改進(jìn)馬爾可夫過(guò)程?；跔顟B(tài)的維修，機(jī)會(huì)維修和組合維修是維修決策中常見(jiàn)的幾類(lèi)決策結(jié)果；維修任務(wù)排程優(yōu)化研究中，學(xué)者們通過(guò)引入天氣、季節(jié)、風(fēng)浪等因素建立維修模型，可使運(yùn)維效率進(jìn)一步提高。然而，當(dāng)前研究重點(diǎn)仍在模型優(yōu)化階段，在檢修工作中實(shí)際應(yīng)用并取得良好反饋的實(shí)例較少。

表4 檢修決策技術(shù)研究現(xiàn)狀小結(jié)

3 結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)價(jià)、檢修策略制定的狀態(tài)檢修技術(shù)將成為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的方向之一。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)檢修相關(guān)工作開(kāi)展了大量的研究，從不同角度分析了設(shè)備狀態(tài)維護(hù)優(yōu)化模型，對(duì)于提高海上風(fēng)機(jī)可靠性、減少運(yùn)行維護(hù)成本有著重要的意義。

然而海上風(fēng)電機(jī)組是集機(jī)械、電氣于一體的復(fù)雜多部件系統(tǒng)，電氣設(shè)備不是孤立的系統(tǒng)，其故障模式及運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜多樣。要在海上風(fēng)電場(chǎng)推行電氣設(shè)備狀態(tài)檢修模式，還存在很多問(wèn)題亟待解決，未來(lái)的研究方向?qū)?huì)向以下幾方面傾斜。

1）海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備多參量狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于電氣設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)仍有待進(jìn)一步發(fā)展。相比于風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)部件，例如葉片、齒輪箱等，發(fā)電機(jī)、變頻器和變壓器的在線可獲取狀態(tài)參量較少，例如對(duì)于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)主要集中在定子電流分析，變壓器的監(jiān)測(cè)參量缺乏等；另一方面，部分可提供判斷設(shè)備健康狀態(tài)的參量提取難度較大，例如用于進(jìn)行頻譜分析的電流信號(hào)對(duì)采樣頻率要求較高，同時(shí)對(duì)信號(hào)性噪比以及衰減率也均有較高的依賴(lài)。

除此之外，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要依賴(lài)于對(duì)自身特征參量的提取，并未與機(jī)組其他部件以及設(shè)備形成完整的狀態(tài)傳遞鏈，即通過(guò)對(duì)典型機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)量提取推演電氣設(shè)備的狀態(tài)，反之亦可。未來(lái)基于多參量的狀態(tài)監(jiān)測(cè)將成為這部分研究工作的發(fā)展方向，利用多部件多狀態(tài)參量表征單一設(shè)備狀態(tài)將成為研究的熱點(diǎn)。

2）海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

基于電氣設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前海上風(fēng)電電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)更多的依靠專(zhuān)家系統(tǒng)、故障模式與歷史故障數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)模型等方式給予設(shè)備健康程度評(píng)價(jià)，對(duì)專(zhuān)家、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)以及模型的準(zhǔn)確度均有較高的要求，且普適性較差。行業(yè)內(nèi)缺乏可執(zhí)行度高的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)工作，并未形成完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。

未來(lái)運(yùn)維人員以及研究學(xué)者們應(yīng)著重致力于開(kāi)展此方面研究工作，結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等，建立部件-系統(tǒng)-整機(jī)的完善評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系將成為成功推行海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)檢修的重中之重。

3）海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備檢修工作應(yīng)用

基于電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修工作缺乏實(shí)際應(yīng)用。目前大多數(shù)研究工作重點(diǎn)關(guān)注狀態(tài)監(jiān)測(cè)，狀態(tài)評(píng)價(jià)以及維修決策。雖然已有對(duì)檢修實(shí)施以及檢修流程優(yōu)化的研究，然而大部分仍然停留在模型研究與部分優(yōu)化階段。狀態(tài)檢修工作最終必然是設(shè)備的檢修以及跟蹤反饋，實(shí)際檢修工作面臨的作業(yè)環(huán)境與邊界條件遠(yuǎn)比優(yōu)化模型復(fù)雜，如何根據(jù)實(shí)際問(wèn)題改進(jìn)、調(diào)整檢修實(shí)施模型，使其更加符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求將成為專(zhuān)家學(xué)者們研究的核心問(wèn)題之一。

4）直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組研究

未來(lái)大容量海上風(fēng)電機(jī)組中，風(fēng)電的全功率變換和超大容量化是發(fā)展趨勢(shì)，容量將進(jìn)入10MW級(jí)，永磁直驅(qū)型發(fā)電系統(tǒng)將成為主流。伴隨著容量的進(jìn)一步提升和高壓大電流寬禁帶器件的技術(shù)突破，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究以及采用模塊化多電平或級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)涞暮Ｉ巷L(fēng)電變頻器開(kāi)發(fā)將成為研究熱點(diǎn)。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望”。本課題得到了中國(guó)華能集團(tuán)總部科技項(xiàng)目的支持。