#头号周刊#西安热工研究院有限公司、中国华能集团有限公司湖南分公司、西安交通大学、华能国际电力股份有限公司江苏清洁能源分公司的研究人员高晨、赵勇、汪德良、成永红、陈晓路，在2022年《电工技术学报》增刊1上撰文，阐述了海上风力发电机组主要电气设备运行状态检修技术研究现状，分别介绍了状态监测、状态评价以及检修决策等，对未来海上风力发电机组电气设备状态检修技术发展方向进行了概述。
蓝天海洋风能发电,wind energy power in ocean with blue sky作为海洋大国，我国具有广泛的海洋战略利益与战略资源。
国家发展改革委、国家海洋局在联合印发《全国海洋经济发展“十三五”规划》中首次指出，海洋经济是未来中国经济的新增长点。
到2020年，我国海洋经济发展空间将不断拓展，综合实力和质量效益将进一步提高，海洋产业结构和布局将更趋合理，海洋科技支撑和保障能力将进一步增强，海洋生态文明建设将取得显著成效，海洋经济国际合作将取得重大成果，海洋经济调控与公共服务能力将进一步提升，形成陆海统筹、人海和谐的海洋发展新格局。
因此，创新海洋工程技术，合理开发和利用海洋资源具有重要的意义。
建设海洋强国和发展海洋新能源是新时代的必然且迫切要求。
作为海洋新能源的代表之一，海上风力发电具有能量密度大、资源广、稳定性好、占地少、靠近东部沿海地区等优点。
发展海上风力发电不仅可以充分利用海洋资源，还可以加快我国发展绿色能源的步伐。
与陆上风电相比，海上风电不仅资源丰富，还具有对环境的负面影响较小、发电利用小时数高、风电机组距离海岸较远、视觉和噪声干扰小、不占用土地资源、机组易大型化发展、风电场易规模化开发等优点。
另外，海上风电场一般靠近传统电力负荷中心，电网消纳问题易于解决，很大程度上减少了长距离输电问题。
然而海上风电机组的运行维护成本较高，合理的运维已成为海上风电规模化建设以及实现全生命周期盈利的重要保障。
1 开展海上风电机组电气设备状态检修的意义近些年来我国海上风电事业发展快速，市场正在逐步扩大，大规模建设与投运的海上风电机组对机组设备的运行可靠性、经济性与维修性都提出了更高的要求。
不同于陆上风电设备，海上风电机组面临更加复杂的环境条件，例如高温、高湿、盐雾腐蚀、雷电、台风等恶劣气候，导致风电机组事故频发；可及性差、运输作业条件严苛等使得运维成本高出陆上风电1倍有余，且占总成本35%左右，高额的运维成本已经成为海上风力发电发展的主要限制因素。
同时，由于无法及时全面地了解风力发电机组设备及关键部件运行状况，维修模式主要采用表现预防性基于时间的计划维修和表现纠错性基于故障的事后维修的方式，一定程度上造成了设备“欠修”和“过修”的发生，进而不仅造成了设备意外故障率的增加，也进一步增大了运维成本。
海上风电机组是集机械、电气设备于一体的复杂多部件系统。
长久以来，学者们针对叶轮系统、齿轮箱、主轴等关键机械部件的检修工作开展了大量研究，电气设备受到的关注相对较少。
然而常见机组故障中由发电机组故障、变频器故障、箱式变压器故障等为代表的电气系统故障虽然停机时间占比较低，但故障率所占比例很高，风机部件故障率与停机时间占比见表1。
表1 风机部件故障率与停机时间占比目前海上风电机组电气设备的维修方式仍然以照搬陆上风电以及电力行业的经验为主，采取传统计划维修和事后维修的方式。
然而面对高频发生、停机时间分散的电气故障，采取传统检修模式弊端明显，检修模式亟需改进。
体现预测性的基于设备状态的状态维修策略更加符合海上风电机组电气设备的运行特点。
通过对设备关键部件进行实时监测，对获得的各部件的信息进行相应处理及综合分析，然后根据分析结果，给出设备各部件运行状况报告或健康状态报告，确定计划维修和事后维修之间的最佳点，从而减少不必要的维修操作并节省非计划停机时间。
有学者通过数学模型得出采用状态检修模式，每年可降低25%~50%的设备维修费用。
因此，推行海上风电机组电气设备状态检修工作很有必要。
2 海上风电机组电气设备状态检修技术研究现状目前主流的海上风电机组均为全功率变速恒频（Variable Speed Constant Frequency, VSCF）发电系统，其中以高速齿轮箱+笼型异步发电机+全功率变频器为技术路线的笼型异步发电系统与以永磁发电机+全功率变频器为技术路线的永磁直驱发电系统较为常见。
笼型异步发电系统通过笼型型感应发电机（Squirrel Cage Induction Generator, SCIG）产生电能，利用全功率变频器，实现转子转速实时变化，而其所发出的电能频率保持固定不变与电网同步，其系统结构简化图如图1所示。
图1 笼型异步风力发电系统拓扑结构发电过程中，风机的桨叶在风的作用下旋转，将风能资源转换成机械能，通过齿轮箱的增速作用实现与笼型异步电机连接，发电机通过旋转将机械能转换为电能，全功率变频器将笼型异步电机输出的交流电转换为与电网相位频率相同的交流电，通过机组箱式变压器升压接入电网。
永磁直驱发电系统没有负责变速的齿轮箱部分，风轮机和永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）硬链接，转速相同。
风能首先通过风轮叶片转换为动能，再带动电机转换为电能。
最后通过全功率的变频器，将系统定子发出不稳定的三相交流电频率稳定在工频，并通过机组箱式变压器升压接入电网，其系统结构简化图如图2所示。
图2 永磁直驱风力发电系统拓扑结构除了上述两类机型外，在永磁直驱发电系统的PMSG前端添加齿轮箱形成的永磁半直驱发电系统，与使用电励磁同步发电机（Electric Excitation Synchronous Generator, EESG）的电励磁直驱发电系统也是海上风电机组常见机型，如图3、图4所示。
不论何种发电系统，发电机、全功率变频器以及变压器是风力发电机组实现能量转换的重要电力设备，其运行状态与维修策略在很大程度上会影响风力发电机组的可靠性与经济性。
在海上风电机组电气设备推行状态检修模式，流程大致分为状态监测、状态评价、检修策略导向与执行等步骤，本文将综述这几部分研究现状。
图3 永磁半直驱风力发电系统拓扑结构图4 电励磁直驱风力发电系统拓扑结构2.1 海上风电机组电气设备状态监测技术研究现状对海上风电机组运行数据进行连续实时监测是评价机组当前时刻的运行状态，制定维修决策的前提。
通过对设备运行过程中所表现出的各种外部征兆信息进行感知，提取反映状态的有效数据，可以为评价设备健康状态、故障诊断与决策提供依据，以此在事故发生前或需要时及时开展维修作业。
因此，状态监测技术是实现状态检修的基础环节。
2.1.1 发电机状态监测技术研究现状针对笼型异步发电机的状态监测参量与传统双馈型机组相近，主要包括发电机的振动、转速、定子线圈温度、定子电压、定子与转子电流、发电机输出功率等信号，之后再对监测的参量信号进行处理、挖掘、特征提取等手段实现电机状态监测，预警常见的电气故障，例如线圈短路、绝缘损坏、三相不平衡、转子偏心等。
目前最普遍的监测方法是利用定子电流谱进行发电机电流特征分析（Motor Current Signature Analysis, MCSA）。
例如线圈短路中的匝间短路可通过提取定子电流谐波成分来监测分析；有学者则通过负序电流作为特征量表征匝间短路。
然而当短路匝数较少时，定子电流变化量非常微小，谐波成分或负序电流较难被检测，有学者发现，发电机定子三相电流Park矢量轨迹变化随着短路故障的加重而明显，可以作为表征参量。
除了利用定子电流谱进行监测外，有学者发现，定子匝间短路时，转子平均瞬时功率谱中的2倍频谐波变化最明显，可以作为笼型异步发电机定子绕组匝间短路的故障特征量。
也有学者在传统电流分析的基础上加以改进，例如有学者根据多回路理论和发电机的数学方程，分析了电机的短路故障电流的谐波情况，并采用希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform, HHT）方法和基于集合经验模态的希尔伯特-黄变换（Ensemble Empirical Mode Decomposition-HHT, EEMD-HHT）方法对电流进行分析处理，能够做到对电机故障的发生进行判别和对故障进行“筛选”。
另一种常见的故障为相间短路，主要包括定子单相、多相短路。
除了利用定子电流谱进行监测外，实验结果表明，发电机瞬时功率谱比传统的定子电流谱具有更多的相间短路相关信息，可以作为表征参量；同时，温度在发电机发生相间短路时会发生明显的变化，故障特征会随着短路时间的增加更加明显，故而温度也可作为表征量；此外，绕组故障时，磁场中通常存在不对称现象，可通过提取特定故障频率来进行监测。
定子三相不平衡也是发电机常见的电气故障，不平衡会引起发电机电流和功率输出的变化，因而从电流信号谐波含量的变化可以检测出不平衡。
除了监测电气特性外，有学者应用连续小波变换提取发电机有功功率特征信息，用于判断转子偏心或轴承损坏等机械故障。
针对永磁直驱发电机、半直驱和电励磁直驱发电机的状态监测参量与笼型异步发电机大致相同，主要包括发电机的振动、转速、定子线圈温度、定子电压、定子与转子电流、发电机输出功率等信号。
不同于笼型异步发电机，永磁电机故障大致可以分为三类：电气故障、机械故障和永磁体故障。
定子电流谱特征分析也是目前应用最为广泛的手段，通过采用傅里叶变换、小波变换、希尔伯特变换、经验模态分析、Wigner-Ville分布等方法处理信号以获取特征参量，进而对发电机状态进行监测。
例如有学者利用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）对q轴电流进行频谱分析来诊断匝间短路故障。
有学者利用FFT对定子电流进行频谱分析来诊断匝间短路和转子偏心故障。
有学者采用小波变换和希尔伯特变换对定子电流进行分析来诊断永磁体退磁故障。
有学者采用经验模态分析与Wigner-Ville分布相结合的方法分析定子电流用于诊断匝间短路故障。
除了上述基于两种发电机的特征信号监测外，构建发电机模型解析的方法也是目前较为常见的监测手段。
例如有学者根据永磁电机匝间短路故障情况下的数学模型，利用扩展卡尔曼滤波器估算永磁电机匝间短路的故障匝数，作为故障特征量用于诊断匝间短路故障。
也有学者构建了发电机匝间短路情况的数学模型，发现发电机故障相电流远大于正常状态时的相电流，三相电流之间的相位不再对称。
2.1.2 变频器状态监测技术研究现状变频器是风电机组重要的电气设备，也是故障频率最高的设备之一，陆上机组变频器中不同元件的故障率分布如图5所示。
图5 变频器中不同元件的故障率分布电容器、印制电路板和功率半导体器件IGBT是三个故障率较高的关键部件，其故障通常是由温度、振动和湿度三个主要因素直接或间接引起的，其中温度是最主要的因素，例如IGBT模块中最常见的失效模式是由封装材料经历的热机械疲劳应力引起的封装失效。
区别于陆上机组，大容量海上风电机组变频器采用全功率模式，发电功率经变频器全功率变换后接入电网，变频器的容量与发电机容量相匹配，使得发电机和电网完全解耦，提升了风电机组的电网适应性。
由于海上风电功率波动剧烈，面临盐雾浓度高、湿度大、灾害性天气频发等特点，变频器的安全运行和状态监测也区别于陆上机组，然而功率半导体器件依然是海上风电机组变频器中最为脆弱的部件，开路故障为其主要故障类型。
通常情况下变频器功率器件的内部热阻增加20%可作为功率模块基本失效的依据之一。
然而，在海上高开关频率工况及复杂噪声环境下，采用功率模块内部的传感器很难监测到这些微弱的特征量信号，需要采取其他手段。
目前变频器监测方法实现主要有基于三相电流信号、基于三相电压信号以及基于IGBT状态参量信号三种类型。
基于电流的监测可以用来判断变频器中电力电子器件IGBT的开路故障，通过利用时域分析、电流Park矢量法、归一化直流法、负载电流分析法和电流模式识别法等手段进行故障判断。
相比电流监测，基于三相电压监测的方法不受基波周期限制，具有较快的故障定位速度，有学者指出，当电压下降到同一水平时，较高基板温度的IGBT下降沿需要更长的时间，可以此作为特征参量；有学者也利用FFT等信号处理方法从逆变器系统输出电压中提取特征信号实现故障诊断。
除电信号特征量之外，基于IGBT状态参量信号也有应用，例如在运行过程中变流器功率模块温度监测值可作为反映器件状态的重要特征量。
虽然目前直接在线测量功率器件的结温可行性较低，但是由于结温影响功率模块内部损耗，表征运行状态的温度信号可从外部数据间接获得。
有学者利用功率模块外部的温度测量值计算其功率损耗随温度变化的情况，通过电气运行点参数，如电压、电流及功率因数等计算动态功率损耗。
有学者提出将栅极阀电压、跨导和导通压降这三个电参数作为IGBT模块的状态监测特征参量。
除了对上述信号监测的研究之外，也有学者选择从机组变频器的建模和控制策略入手提取表征参量。
2.1.3 变压器状态监测技术研究现状箱式变压器是大容量海上风电机组中重要的电气设备之一，主要功能为提升电压等级便于能量传输。
传统大容量电力变压器的状态监测多利用油中溶解气体分析（Dissolved Gas Analysis, DGA）方法中的三比值法以及改进的DGA方法进行，常见的变压器故障基本可以通过此种方法识别，监测技术与分析手段已经比较成熟。
然而不同于传统的电力行业中的变压器采用油浸式，海上风电机组所用的变压器大部分为干式箱式变压器，无法通过经典的DGA方法实现变压器的监测与诊断，同时用以反映箱式变压器状态的参量也较少。
目前针对变压器的状态监测主要依靠温度监测、局部放电分析和频率响应分析、数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）数据的深度挖掘等手段。
在此基础上，实际运行中机组箱式变压器主要依靠例行巡检的方式进行离线监测，结合专家经验对变压器进行后续评价工作，对现场运维人员技术要求较高。
状态监测技术研究现状小结见表2。
整体而言，目前基于海上风电机组中发电机以及变频器的电气状态监测技术主要还是集中在电流特征分析、电压信号分析、功率分析等电气信号分析手段。
通过时域、傅里叶变换、小波变换等信号处理手段提取特征参量；基于箱式变压器的电气状态监测技术相比于陆上大型电力变压器略显不足，可用于监测提取的状态参量较少。
现有的海上风电机组电气设备状态监测技术可供分析的信号大部分源自于SCADA系统数据，能够完整反映设备状态的信号