海上風電立體運維體系的建立

摘 要：針對目前海上風電運維存在機組出海可達率過低的問題，本文明確了如何充分利用運維船、運維母船和直升機自身的優勢來實現海上空中立體運維，并進行海上風電立體運維體系建立研究。分析海上風電運維特點，構建海上風電運維船、運維母船和直升機運維評估系統模型。基于模型，對成本、時間和運維能力等指標進行分析，并提出相應優化策略，以期為提高海上風電機組出海可達率提供幫助。

關鍵詞：海上風電；直升機；數學模型評估

中圖分類號：TM 614" " " " 文獻標志碼：A

隨著全球能源、資源和環境問題出現，特別是全球氣候變化日趨明顯，可再生能源的大力發展已經成為推動國內能源結構轉型、實現“碳達峰、碳中和”目標的重大戰略決策之一。作為風電家族的“明珠”，與陸上風電相比，海上風電的風速更大，風向更穩定，更靠近傳統電力負荷中心，地球豐富的海洋資源也為海上風電的建立和開發提供了有利條件，還能帶動沿海地區海風產業鏈的發展。同時，隨著技術不斷進步，海上風電技術瓶頸正在被攻克，海風造價逐步降低，已經成為全球能源關注的熱點。

隨著海上風電技術快速發展，向深遠海域拓展成為海上風電發展的趨勢，海上風電運維也成為制約其發展的難題之一。不同地理位置對項目有不同要求，如何充分利用運維船、運維母船和直升機自身的優勢實現海上空中立體運維成為一項重要課題。

1 海上風電運維特點

海上風電就近消納，不需要特高壓傳輸和額外儲能，利用小時數遠高于陸上風電，但隨著海上風電向深海地區的逐步探索和發展，也面臨更高的挑戰。

首先，更高的技術難度。海上惡劣的氣候條件使海上風電機組長期處于高鹽、高濕、高腐蝕、臺風和雷電等環境[1]，因此設備的故障率明顯高于陸上風電。據統計，海上風電機組的年平均可用率只有70%～90%，遠低于陸上風電機組95%～99%的可用率[2-3]。

其次，受限的作業時間。海上風電場大部分位于大陸性氣候和海洋性氣候交替影響的海域，天氣變化和降水變化顯著，嚴重制約了運維作業時間，運維效率嚴重下降。

再次，惡劣的運維條件。海上風電機組的位置比較特殊，只有通過直升機、船舶等海上交通工具才能到達[4]，而且運維施工條件更惡劣。

從次，更高的運維費用。由于自然條件、氣候環境以及地理位置等多重因素的限制，海上風電的運維、交通以及停機成本較高，后期的運維費用占總成本的一半以上，遠超風電機組的設備成本。根據相關數據統計，海上風電運維成本接近陸上風電的2倍，在度電成本中占比高達25％～40％[5]。

最后，更高的安全風險。海上風電運維涉及機械、電力、航空、船舶和海洋等多個專業，安全風險管控難度更大。同時海上風電場獨特的地理位置也導致應急響應的及時性難以實現，應急救援機制和救援手段目前還未成形。

2 模型建立

2.1 影響因素選取

一般情況下，海上風電通過運維工作船、運維母船和直升機3種方式開展運維。由現場調研可知，直升機快速、機動且高效，受海況影響較小；運維船在自身體積和質量的限制下，抗風浪能力較弱，受氣候環境影響較大，出海作業時間嚴重受限；運維母船在其安全范圍內抗風能力較強。綜合考慮交通工具在實際運維中的影響因素，本文主要從風力大小來量化環境對交通工具的影響因素。

2.2 評估模型建立

海上風電運維船、運維母船、直升機運維評估系統模型建立分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

式中：Cost為總成本函數；li為實際路段的分段；C（li，x）為該路段的成本函數；參數i為一個組成元素為各環境因素的向量組；x為交通工具的參數。

（2）

式中：Time為總時間函數；li為實際路段的分段；T（li，x）為該路段的時間函數；參數i為一個組成元素為各環境因素的向量組；x為交通工具的參數。

為了分析各種交通工具的運維能力，本文采用構造法建立路段成本和時間函數，如公式（3）所示。

（3）

式中：Cost是基礎成本；Cwind是取決于風力的成本函數；Time是基礎時間；Twind是取決于風力的時間函數；e1代表海上風電運維船在運行中的運維系數；a、b和c分別代表海上風電運維船、運維母船和直升機；ucb代表直升機與運維母船聯用成本系數；uca代表直升機與海上風電運維船聯用成本系數；ucc代表直升機與直升機聯用的成本系數；utc代表單位時間t內使用直升機的獨立成本系數；vcc代表一臺直升機轉到另一臺直升機的轉換效率；vcb代表直升機到運維母船的轉換效率；vtb代表單位時間t內運維母船初始狀態轉到運維狀態的轉換效率。

3 模型分析

3.1 成本模型

由于運維船自身狀態不同，因此抗風能力也各有不同，如單體船比雙體船抗風浪能力弱。根據數據調研分析可知，在無風狀態下，運維船的運維成本遠低于直升機和運維母船，具有顯著的費用優勢。但是隨著風力增加，運維船的成本不斷提高。而直升機和運維母船的抗風性較好，成本變化不大。因此建立成本模型時以風力為主要參考指標，最終選取如公式（4）～公式（6）所示的成本函數表示風力對成本的影響。

直升機： （4）

運維船： （5）

運維母船： （6）

由上述公式分別得出不同風力條件下不同交通工具的成本曲線，如圖1所示。由圖1可知，運維母船本身造價較高，初期成本遠高于直升機和運維船，而直升機的基礎成本高于運維船。但是隨著風力增加，運維船的運維成本呈快速增長的態勢。當風力達到一定數值后，運維船的運維成本將超過直升機和運維母船。因此在未來計算運維成本的過程中，可以根據風力來選擇不同的交通工具，同時也能根據公式來計算運維成本。

在對成本模型進行深入分析后發現，天氣是影響風力的主要因素，因此需要根據天氣情況對成本進行具體分析。天氣的變化直接影響運維船和直升機的作業時間。在惡劣天氣條件下，出于安全考慮，運維船和直升機一般不會外出作業，但是運維母船基本不受天氣影響。由此可見，即使直升機的抗風能力很強[6-7]，對雨雪天氣的處理能力也遠低于運維母船。函數基本符合模型的預期。因此在海上風電場運維的過程中，需要根據不同天氣條件來選擇不同的方式和方法。

3.2 時間模型

與運維船、運維母船相比，直升機具有明顯的速度優勢，尤其是在風力增加的過程中，當風力等級小于一定水平時，直升機幾乎不受影響，不會呈現出特別高的增幅。而運維船和運維母船則恰恰相反。無風情況下，運維船和運維母船的運維時間要遠低于直升機，隨著風力增加，其運維時間也在不斷增長。因此在模型建立中最終選取如公式（7）～公式（9）所示的時間函數來表示風力對時間的影響。

直升機： （7）

運維船： （8）

運維母船： （9）

由上述公式分別得出不同風力條件下不同交通工具的時間曲線，如圖2所示。由圖2可知，理想狀態下，直升機巡檢時間遠小于運維船和運維母船。隨著風力逐漸增加，直升機、運維船和運維母船所需要消耗的巡檢時間都將增加。天氣對運維船和運維母船影響更大，直升機對天氣的抵抗能力明顯小于運維船和運維母船。這與實際調研情況相符，基本符合預期。

3.3 運維能力評估

上述數學模型建立是為了對運維船、運維母船和直升機在不同運維環境下的運維能力進行評估，以量化其運維能力，分別如公式（10）、公式（11）所示。

（10）

（11）

式中：li為實際路段的分段；x為交通工具的參數；ci為成本約束；ti為時間約束。

3.3.1 無人為約束運維能力評估

無人為約束時，設定ci=Ccon，即為可承受的最大成本，ti=Tcon為可接受的最長時間。

根據環境情況將一段運行路段分為4段，分別代表不同的環境參數，數字越大，代表相應的等級越高，環境越惡劣。將路段參數帶入數學模型，可得出不同路段的巡檢選擇方案，具體數據見表1。

從上述解決方案可知，雖然存在誤差，但誤差在允許范圍內，基本能達到預期效果。

3.3.2 有人為約束運維能力評估

在實際的作業過程中，往往存在一些特定的人為約束，本文引入成本約束cri和人為時間約束tri來代表人為時間約束，分別如公式（12）、公式（13）所示。

（12）

（13）

人工約束模型主要用于解決一些現實的問題。例如，當出現嚴重缺陷時，巡檢任務必須在較短時間內完成。在這種情況下，需要添加人工時間約束，以找到新的成本的最小值，時間成本是在允許的范圍內提供更多有用的參考方案。

以應急搶險為例，巡檢任務必須在短時間內完成，因此設置人為時間約束tri并使tri=ti/2，則得出的解決方案見表2。

比較表1和表2可知，在相同的作業環境下，添加人工約束后得到的解決方案不盡相同。

4 結語

從模型可知運維船、運維母船和直升機在不同作業條件下有各自的優缺點。從成本角度分析，理想情況下運維船優勢明顯，隨著風力等級增加，運維船的成本快速增加、安全性能快速下降，風力等級增加到一定程度時，直升機將成為更好的選擇。從時間角度分析，直升機具有明顯的效率優勢，但受天氣影響較大，當環境條件影響飛行安全時，運維母船可以作為有力補充。因此，不同海域、不同規模的區域化風電場應建立直升機與船舶有效協作的海上空中立體運維體系，以提高機組出海可達率，降低運維交通成本。

參考文獻

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[2]Chen G，Zhao Y，Wang D L，et al.Research status and prospect"of condition based maintenance technology for offshore wind turbine" electrical equipment[J].China electrotechnical society，2022（增刊1）：30-42.

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