基于风速统计特性分析的风力机可靠性评估研究

摘要

能源是人类生存和发展的重要物质基础。随着人类对能源需求的不断增加,煤、石油和天然气等化石能源已经不能满足需求。此外,化石能源的生产和使用还是造成全球气候变暖、生存环境恶化的主要根源,严重威胁人类的健康和生存.风能因具有分布广泛、储量丰富、环境友好和可以再生等优点,受到世界各国的高度关注.近年来,全球风电装机容量持续、快速增长。
　　 风力机是风电系统的核心组成部分,复杂的功能结构和严酷的工作环境要求风力机应具有高的可靠性,以保证风电系统的经济收益。风的随机性、间歇性、不稳定性以及垂直风切变等特性不仅影响风力资源评估的准确性,还直接关系到风力机的可靠性。本文着重从风的统计特性出发,研究风速与风力机可靠性、故障率之间的相关性.论文的主要内容如下:
　　 (1)采用可靠性框图(RBD)、故障树分析(FTA)、故障模式及影响分析(FMEA)等方法分析风力机及其子系统的故障模式。综述系统可靠性建模方法；以齿轮传动系统及其润滑子系统为例完成系统的故障模式及影响分析、故障树分析,探求风力机系统可靠性的瓶颈环节,提出保障系统可靠性、延长使用寿命的预防及保障措施。
　　 (2)研究了垂直风切变环境下风电场的风速概率分布及其可用度评估。利用幂律过程描述风切变,根据10m标准高度观测的风速序列外推得到60m高度的风速序列:以两参数Weibull分布拟合两个高度上的风速分布,采用最小二乘法、极大似然估计法及改进极大似然估计法求解模型参数；计算两个高度上的风速分布和主要风能指标.基于实例,通过拟合优度分析及风能指标的对比,验证所提出方法的合理性和有效性.研究结果表明:极大似然估计法及改进极大似然估计法优于最小二乘法；风切变导致不同高度风速分布变化。
　　 (3)采用时间序列分析方法研究风电场的风速与风力机的故障率之间的相关性。以统计的历史风速数据为基础,建立风力机功率指数和故障率的时间序列。通过提取两个序列的自相关函数、互相关函数及功率谱密度函数等示性函数,从时域和频域两个角度分析两个时间序列的变化规律及其相关性。自相关函数和谱密度函数表明风力机功率指数和故障率序列之间具有相似的周期性和明显的季节性特征:两个时间序列的互相关函数显示出二者之间具有较高的一致性和较强的关联性。