基于風(fēng)能可利用率的風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)方法

杜保華，王 曦，范 奇，王宏偉

基于風(fēng)能可利用率的風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)方法

杜保華1，王 曦2，范 奇1，王宏偉2

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能新能源股份有限公司，北京 100036）

針對傳統(tǒng)方法在評價(jià)風(fēng)電場運(yùn)維水平時(shí)僅考慮可利用率數(shù)量不注重品質(zhì)的問題，本文在《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備可靠性評價(jià)規(guī)程》定義的可利用率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)能隨時(shí)間變化的影響，提出風(fēng)能可利用率指標(biāo)和可利用率品質(zhì)指標(biāo)的定義和計(jì)算方法，綜合評估風(fēng)電場在檢修維護(hù)計(jì)劃制定、故障早期預(yù)警及處理、備品備件管理以及風(fēng)電場天氣跟蹤等方面的整體運(yùn)維效果，適應(yīng)了風(fēng)能不可控、不可調(diào)的特點(diǎn)。該評價(jià)方法已在華能新能源公司86個(gè)風(fēng)電場的在線運(yùn)維評估中應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明該方法快捷高效，可準(zhǔn)確評價(jià)風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場及區(qū)域公司的運(yùn)維水平。

風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電場；運(yùn)維水平；可利用率；風(fēng)能可利用率；評價(jià)方法

長期以來，可利用率一直是評價(jià)風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)水平的重要指標(biāo)，無論是中國電力企業(yè)聯(lián)合會制定的《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備可靠性評價(jià)規(guī)程》還是各發(fā)電集團(tuán)自己制定的風(fēng)電生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)體系，都將可利用率作為評價(jià)運(yùn)行維護(hù)水平的重要指標(biāo)[1-2]?？衫寐手笜?biāo)沿用了火電機(jī)組設(shè)備評價(jià)的基本原理：統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間范圍內(nèi)機(jī)組各種可用狀態(tài)的時(shí)長[3]，進(jìn)而計(jì)算可用狀態(tài)的總時(shí)長占比。

然而風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電在能量輸入方面有明顯差異，風(fēng)能作為一種特殊的自然資源，其供給的強(qiáng)度和時(shí)間均不可人為控制，與火力發(fā)電中能量輸入可控可調(diào)的特點(diǎn)完全不同。對風(fēng)力發(fā)電而言，機(jī)組狀態(tài)可用的時(shí)機(jī)非常重要，風(fēng)能資源好的時(shí)間段盡可能做到狀態(tài)可用多發(fā)電，需停機(jī)處理的檢修維護(hù)等工作應(yīng)安排在風(fēng)能資源較差的時(shí)段進(jìn)行[4-5]，因此風(fēng)電場運(yùn)維水平的評價(jià)要考慮風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)與風(fēng)能資源在時(shí)間維度分布的契合程度。為此，本文對能夠綜合表征可利用率大小和品質(zhì)的指標(biāo)展開研究，并提出風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)方法。

1 風(fēng)能可利用率模型

1.1 原理及定義

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)可利用率即時(shí)間可利用率，其定義為一定統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)處于可用狀態(tài)的時(shí)間占比，其公式表達(dá)為

式中，AF為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)風(fēng)機(jī)的可利用率，t為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)第個(gè)可用時(shí)間段，為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的風(fēng)機(jī)可用時(shí)段個(gè)數(shù)。

時(shí)間可利用率指標(biāo)可有效表征設(shè)備維護(hù)水平，但鑒于風(fēng)能不可控、不可調(diào)的特點(diǎn)，風(fēng)電運(yùn)維管理不僅關(guān)注其大小，還需注重其內(nèi)在品質(zhì)，即風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)是否與優(yōu)勢風(fēng)能資源在時(shí)間上有良好的匹配，是否可以帶來潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6-7]。

為準(zhǔn)確衡量風(fēng)電場運(yùn)維水平，本文提出風(fēng)能可利用率指標(biāo)，定義為統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)下對應(yīng)的風(fēng)能與總風(fēng)能的比值。風(fēng)能可利用率的原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)能可利用率原理示意

從圖1可以看出，風(fēng)能可利用率僅受到風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)時(shí)長（數(shù)量）、可用時(shí)機(jī)與風(fēng)能的時(shí)間契合度（品質(zhì)）的影響，物理意義清晰，并且不受各地電網(wǎng)限電、風(fēng)資源以及風(fēng)電場裝機(jī)等因素差異的影響，是評價(jià)風(fēng)電場運(yùn)維水平的理想指標(biāo)。

定義風(fēng)機(jī)可利用率的品質(zhì)指標(biāo)為統(tǒng)計(jì)時(shí)間周期內(nèi)風(fēng)能可利用率與時(shí)間可利用率的比值?？衫寐势焚|(zhì)為1，表明在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍，可用時(shí)間分布與風(fēng)資源分布的契合度達(dá)到均值水平；可利用率品質(zhì)小于1，表明在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍，風(fēng)機(jī)可用時(shí)間與風(fēng)資源分布契合度有待提高，該值越小品質(zhì)越差，這類情況下即使時(shí)間可利用率指標(biāo)良好，也僅說明設(shè)備健康度較好，潛在價(jià)值并不高；可利用率品質(zhì)大于1，表明風(fēng)機(jī)狀態(tài)可用的時(shí)機(jī)與優(yōu)勢風(fēng)資源分布匹配較好。

1.2 計(jì)算方法

風(fēng)能可利用率指標(biāo)的計(jì)算方法如下。

1）構(gòu)建風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)信息表

2）讀取統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)速、空氣密度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)

通過在線或離線的方式獲取上述數(shù)據(jù)，當(dāng)在線計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)按設(shè)定的時(shí)間間隔（如1 min）從生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中（風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）或區(qū)域集控系統(tǒng)）中讀取風(fēng)速數(shù)據(jù)；當(dāng)離線分析時(shí)，通過生產(chǎn)日志或報(bào)表人工讀取。由于計(jì)算過程較復(fù)雜，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線計(jì)算更適合工程應(yīng)用。

3）計(jì)算歷史風(fēng)功率

根據(jù)風(fēng)速和空氣密度歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積參數(shù)，計(jì)算獲得風(fēng)功率的歷史數(shù)據(jù)，

式中，為風(fēng)功率，為空氣密度，為風(fēng)機(jī)葉輪的掃風(fēng)面積，為風(fēng)機(jī)風(fēng)速。

4）記錄風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)的時(shí)間信息，包括開始時(shí)刻si和結(jié)束時(shí)刻ei

5）計(jì)算風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場的時(shí)間可利用率

風(fēng)機(jī)的時(shí)間可利用率計(jì)算見式(1)。風(fēng)電場的時(shí)間可利用率為

式中，AFs為風(fēng)電場的時(shí)間可利用率，()為風(fēng)電場第個(gè)風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量，為風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)數(shù)量。

6）計(jì)算風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)對應(yīng)的風(fēng)能（即可用風(fēng)能）

根據(jù)每次可用狀態(tài)的開始和結(jié)束時(shí)刻，截取風(fēng)功率歷史數(shù)據(jù)，積分計(jì)算每次可用狀態(tài)對應(yīng)的風(fēng)能，進(jìn)而匯總形成統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)總的可用風(fēng)能。

式中，為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)總的可用風(fēng)能，E為第個(gè)可用狀態(tài)對應(yīng)的可用風(fēng)能，si為第個(gè)可用狀態(tài)的開始時(shí)刻，ei為第個(gè)可用狀態(tài)的結(jié)束時(shí)刻。

7）計(jì)算風(fēng)能可利用率

風(fēng)機(jī)的風(fēng)能可利用率指標(biāo)是指統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)可用時(shí)段的風(fēng)能占總風(fēng)能的百分比。

對風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)的風(fēng)能可利用率進(jìn)行加權(quán)平均，得到風(fēng)電場能量可利用率指標(biāo)。

式中，T為統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)流向風(fēng)機(jī)的總風(fēng)能，AFS為風(fēng)電場的風(fēng)能可利用率，()為風(fēng)電場第個(gè)風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量，為風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)數(shù)量。

8）計(jì)算風(fēng)電場可利用率品質(zhì)

風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場的可利用率品質(zhì)計(jì)算公式分別為：

式中，為風(fēng)機(jī)的可利用率品質(zhì)，S為風(fēng)電場的可利用率品質(zhì)。

如果將場內(nèi)受累從風(fēng)機(jī)可用狀態(tài)中剔除，采用上述方法得到的風(fēng)電場風(fēng)能可利用率便是包含風(fēng)機(jī)、集電線路以及升壓站等完整風(fēng)電場設(shè)備的運(yùn)維評價(jià)指標(biāo)。

2 風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)

2.1 風(fēng)電場運(yùn)維內(nèi)容

在風(fēng)電場建成投產(chǎn)后，包括風(fēng)電機(jī)組、控制系統(tǒng)及并網(wǎng)設(shè)施等在內(nèi)的整個(gè)風(fēng)電場均處于運(yùn)行狀態(tài)。作為風(fēng)電場的運(yùn)營方，需要對整個(gè)風(fēng)電場運(yùn)營環(huán)境、設(shè)備設(shè)施及軟件系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理，特別是對風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)。

風(fēng)電場運(yùn)維的目標(biāo)是不斷提高設(shè)備的可利用率，為增加發(fā)電量提供支持。風(fēng)電場的運(yùn)維工作主要包括備品備件管理、檢修維護(hù)計(jì)劃制定和執(zhí)行、故障早期預(yù)警及事后處理、物資供給效率、風(fēng)電場天氣預(yù)測、技能培訓(xùn)等。運(yùn)維工作是風(fēng)電場管理團(tuán)隊(duì)技能、工作責(zé)任心和協(xié)作能力的綜合反映。國內(nèi)風(fēng)電場目前的運(yùn)維水平差異較大，仍有較多風(fēng)電場存在被動運(yùn)維、間斷運(yùn)維、粗放運(yùn)維的情況[8]。

2.2 評價(jià)方法對比

2013年國家能源局發(fā)布《風(fēng)電場運(yùn)行指標(biāo)與評價(jià)導(dǎo)則》（NB/T 31045—2013），2014年中電聯(lián)發(fā)布《風(fēng)電場生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)體系》，這些指標(biāo)和方法對我國風(fēng)電行業(yè)指標(biāo)體系的規(guī)范起了重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中存在操作性差、指標(biāo)口徑不統(tǒng)一等問題[9]，在評價(jià)風(fēng)電場運(yùn)維水平時(shí)，維度單一或易受非運(yùn)維因素的影響，難以客觀公正。常用的評價(jià)方法對比見表1。

表1 風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)方法影響因素對比

Tab.1 Comparison of influencing factors of wind farm operation and maintenance level evaluation methods

從表1可見，采用發(fā)電量、利用小時(shí)數(shù)、能量利用率等指標(biāo)評價(jià)風(fēng)電場運(yùn)維水平時(shí)會受到非運(yùn)維因素的影響，如風(fēng)電場所在地風(fēng)資源的影響、電網(wǎng)限電的影響以及風(fēng)電場裝機(jī)不同的影響等，無法做到客觀評價(jià)各風(fēng)電場間運(yùn)維水平的差異。

可利用率指標(biāo)沿用了火電機(jī)組設(shè)備可靠性概念，僅從傳統(tǒng)基于時(shí)間的可靠性角度來評價(jià)風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)水平[10-11]，沒有考慮風(fēng)電設(shè)備可靠性應(yīng)契合風(fēng)能資源才有價(jià)值的特點(diǎn)，缺少對風(fēng)電場生產(chǎn)管理者在檢修維護(hù)時(shí)機(jī)把握、故障預(yù)警及處理時(shí)機(jī)導(dǎo)向、生產(chǎn)計(jì)劃安排等的評估。

3 基于風(fēng)能可利用率的評價(jià)方法

采用風(fēng)電場風(fēng)能可利用率指標(biāo)可以在線實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)。以云南公司2018年11月各風(fēng)電場的數(shù)據(jù)為例，基于風(fēng)能可利用率方法與基于時(shí)間可利用率方法的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 風(fēng)能可利用率與時(shí)間可利用率結(jié)果對比

由圖2可見，云南公司各風(fēng)電場的風(fēng)能可利用率普遍高于時(shí)間可利用率，風(fēng)電場可用時(shí)段與優(yōu)勢風(fēng)資源的匹配較好，能夠主動跟蹤天氣并指導(dǎo)運(yùn)維工作。五子坡風(fēng)電場的時(shí)間可利用率為83.13%，低于漕澗梁風(fēng)電場(91.11%)，但其風(fēng)能可利用率為93.18%，高于漕澗梁風(fēng)電場(91.57%)，說明該風(fēng)電場11月份的時(shí)間可利用率品質(zhì)較高，運(yùn)維效果并非時(shí)間可利用率指標(biāo)所表現(xiàn)的水準(zhǔn)。這表明各風(fēng)電場的時(shí)間可利用率不僅大小有差異，而且品質(zhì)也有明顯不同，因此綜合2種因素的基于風(fēng)能可利用率的評價(jià)方法更科學(xué)有效。同時(shí)，要準(zhǔn)確評價(jià)風(fēng)電場的運(yùn)維水平，避免偶發(fā)因素的影響，需要在較長時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)跟蹤分析。

本文采用計(jì)算機(jī)和智能分析技術(shù)[12-16]開發(fā)了風(fēng)電場運(yùn)維水平在線評價(jià)系統(tǒng)，其功能如圖3所示。

圖3 風(fēng)電場運(yùn)維水平在線評價(jià)系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場運(yùn)維水平在時(shí)間維度（月-年）的趨勢分析和組織機(jī)構(gòu)維度（風(fēng)機(jī)-風(fēng)電場-區(qū)域公司）的對比排名，也支持風(fēng)機(jī)品牌維度的分析，并且可在風(fēng)能可利用率、時(shí)間可利用率以及時(shí)間可利用率品質(zhì)之間靈活切換和對比。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在華能新能源公司下屬86個(gè)風(fēng)電場應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了評價(jià)指標(biāo)的自動計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和排名，可準(zhǔn)確評價(jià)風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場及區(qū)域公司的整體運(yùn)維水平。

4 結(jié) 論

1）本文從風(fēng)電場運(yùn)維工作的目標(biāo)出發(fā)，針對風(fēng)能不可控的特點(diǎn)，提出了一種基于風(fēng)能可利用率的風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)方法，該方法排除了非運(yùn)維因素的干擾，綜合可利用率大小和品質(zhì)2個(gè)因素評估風(fēng)電場運(yùn)維水平，可有效評價(jià)運(yùn)維工作的效果。

2）提出了可利用率品質(zhì)指標(biāo)的定義和計(jì)算方法，可準(zhǔn)確表征風(fēng)機(jī)可用時(shí)間與優(yōu)勢風(fēng)資源的契合度，實(shí)現(xiàn)定量評價(jià)可利用率指標(biāo)的品質(zhì)。

3）風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用效果表明，該方法可滿足大規(guī)模工程應(yīng)用的需求，實(shí)現(xiàn)快速高效的評價(jià)風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場及區(qū)域公司的整體運(yùn)維水平。

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Evaluation method for operation and maintenance level of wind farm based on wind energy availability rate

DU Baohua1, WANG Xi2, FAN Qi1, WANG Hongwei2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Huaneng Renewables Corporation Limited, Beijing 100036, China)

When evaluating the operation and maintenance level of wind farm, the conventional method only considers the quantity of availability and pays no attention to the quality. To solve this problem, this paper proposes the definition and calculation method for the wind energy availability index and availability quality index, on the basis of the availability rate defined in Rules for Reliability Evaluation of Wind Power Equipment, and combining with the effect of wind energy distribution over time. This method comprehensively evaluates the overall operation and maintenance effect of the wind farm from the aspects of maintenance plan formulation, fault early warning and treatment, spare parts management and wind farm weather tracking, which adapts to the wind energy's characteristics of non-controllable. Moreover, this method has been applied in evaluation of operation and maintenance of 86 wind farms of Huaneng Renewables Corporation, and the results proved that it is accurate and efficient, which can accurately evaluate the operation and maintenance level of fans, wind farms and regional companies.

wind power generation, wind farm, operation and maintenance level, availability rate, availability rate of wind energy, evaluation method

TK89

B

10.19666/j.rlfd.201904084

杜保華, 王曦, 范奇, 等. 基于風(fēng)能可利用率的風(fēng)電場運(yùn)維水平評價(jià)方法[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 117-121. DU Baohua, WANG Xi, FAN Qi, et al. Evaluation method for operation and maintenance level of wind farm based on wind energy availability rate[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 117-121.

2019-04-13

杜保華(1979—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電系統(tǒng)性能監(jiān)測技術(shù)，dubaohua@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）