風(fēng)力發(fā)電數(shù)字化發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

文 | 李東林

2011年，德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會上首次提出“工業(yè)4.0”國家戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略目標(biāo)是創(chuàng)建數(shù)字化與個性化相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)模式，這種靈活多變的模式，將會帶來價值創(chuàng)造的重大變化。在隨后的數(shù)年里，數(shù)字化的理念在引導(dǎo)世界各國的工業(yè)發(fā)生變革，數(shù)字化是當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展趨勢。實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化技術(shù)，就像實現(xiàn)生產(chǎn)流程的精益化和自動化，這是企業(yè)的核心競爭力。近年來，我國也在積極推動數(shù)字化、智能化工業(yè)發(fā)展，并出臺了一系列文件和政策，其中《積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動指導(dǎo)意見》《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》等指導(dǎo)文件中，對我國智能制造的未來發(fā)展做出詳細(xì)規(guī)劃。在各種政策支持下，我國智能制造水平在持續(xù)提升，其中以航空、高鐵為代表的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)已在逐步改變傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)模式。

風(fēng)電作為目前可再生能源中最重要的組成部分，近十年來同樣在我國實現(xiàn)了快速發(fā)展，截至2018年底，中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量達(dá)2.09億千瓦，占全球35.4%，穩(wěn)居全球第一。進(jìn)入“十三五”以來，一方面由于棄風(fēng)限電等因素的影響，風(fēng)電開發(fā)重心向風(fēng)能資源相對較差的中東南部區(qū)域轉(zhuǎn)移；另一方面，以“風(fēng)火同價”為目標(biāo)的風(fēng)電電價退坡機(jī)制的實施，給風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在此背景下，不斷降低風(fēng)電度電成本，提升產(chǎn)業(yè)的綜合競爭力，成為目前風(fēng)電中各技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，這其中最為引人關(guān)注的就是數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。

西門子風(fēng)電率先在市場上提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念，即實現(xiàn)基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實企業(yè)結(jié)合。GE風(fēng)電的數(shù)字化戰(zhàn)略則主要圍繞著它的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺Predix展開，提出了建設(shè)“數(shù)字化風(fēng)電場”的目標(biāo)。近年來，國內(nèi)一些風(fēng)電企業(yè)也提出數(shù)字化、智能化的概念，但更多還是停留在概念和淺層應(yīng)用層面，可以說我國風(fēng)電數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展仍然有一條漫長的路要走。

本文主要探討了數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中三個方面的應(yīng)用：一是隨著風(fēng)電產(chǎn)品迭代更新的加快，需要構(gòu)建基于數(shù)字化的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品開發(fā)平臺；二是需要通過構(gòu)建風(fēng)電數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈，從系統(tǒng)角度來實現(xiàn)風(fēng)電全生命周期度電成本的下降；三是為了滿足風(fēng)電工作壽命長、工作環(huán)境復(fù)雜的特點，需要通過數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，提升風(fēng)電產(chǎn)品全生命周期可靠性。結(jié)合工業(yè)數(shù)字化的理念，本文也提出了風(fēng)電運行形影系統(tǒng)平臺，通過該平臺實現(xiàn)虛擬仿真模型與現(xiàn)實風(fēng)電機(jī)組的有機(jī)融合。

風(fēng)電機(jī)組數(shù)字化開發(fā)平臺

近年來，國內(nèi)風(fēng)電整機(jī)產(chǎn)品更新非常迅速，以2MW產(chǎn)品平臺為例，自2012年開始，每年業(yè)內(nèi)都推出一款新產(chǎn)品，風(fēng)輪直徑從110m增大到131m，塔筒高度也從80m提升到140m乃至更高，同時特定風(fēng)電場的差異化設(shè)計已成為行業(yè)內(nèi)的一種趨勢。為了響應(yīng)產(chǎn)品的快速更新，需要構(gòu)建高效高質(zhì)的產(chǎn)品開發(fā)平臺、優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)周期，數(shù)字化創(chuàng)新研發(fā)體系則是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。

傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計和數(shù)據(jù)分析過程在每個階段都是碎片化的，一款整機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)要經(jīng)歷概念設(shè)計、載荷計算、控制設(shè)計、結(jié)構(gòu)校核、零部件校核、詳細(xì)設(shè)計、樣機(jī)測試等多次迭代過程，設(shè)計周期往往在一年以上，很難響應(yīng)目前市場的節(jié)奏。圖1給出了數(shù)字化創(chuàng)新研發(fā)體系，其構(gòu)建了數(shù)字化集成仿真平臺。該平臺基于虛擬仿真環(huán)境來實現(xiàn)樣機(jī)制作、測試、設(shè)計優(yōu)化等環(huán)節(jié)和循環(huán)過程。同時平臺支持多學(xué)科并行設(shè)計，通過多領(lǐng)域協(xié)同工作，實現(xiàn)從系統(tǒng)方案設(shè)計到載荷計算分析、部件設(shè)計選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高效并行開發(fā)，使得各個環(huán)節(jié)模塊化。最終實現(xiàn)產(chǎn)品輸出或少量物理樣機(jī)制作，大大提高產(chǎn)品的一次成功率，加速產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程，提升產(chǎn)品的研發(fā)效率。

圖1 數(shù)字化創(chuàng)新研發(fā)體系

圖2 葉片角度錯位（塔頂載荷）

圖3 葉片角度修復(fù)（塔頂載荷）

產(chǎn)品研發(fā)速度的加快還需力保產(chǎn)品可靠性。相關(guān)研究表明，為保證風(fēng)電產(chǎn)品的可靠性，數(shù)字化創(chuàng)新研發(fā)體系可以引入航天系統(tǒng)中雙歸零模型，其創(chuàng)新點體現(xiàn)在通過數(shù)字化仿真來科學(xué)地實現(xiàn)問題復(fù)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位和真正挖掘故障機(jī)理。風(fēng)電機(jī)組在實際運行過程中的各參數(shù)是非常復(fù)雜的，但設(shè)備所裝傳感器有限，很難保證風(fēng)電機(jī)組運行狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)完全一致。例如風(fēng)電機(jī)組某一葉片出現(xiàn)了安裝角錯位，導(dǎo)致機(jī)組存在一定的異常，但實際運行振動數(shù)據(jù)并未超過保護(hù)值，因此從常規(guī)檢測手段來看，該故障無法快速暴露和定位，機(jī)組長期處在亞健康運行狀態(tài)。圖2就給出了在此狀態(tài)下，機(jī)組仿真與實際塔筒頂部載荷信號對比，可以看出塔頂載荷出現(xiàn)了明顯的1P波動，這樣通過數(shù)字化仿真，就可以暴露該問題，并實現(xiàn)故障的快速定位。圖3為修復(fù)后機(jī)組仿真與實際運行數(shù)據(jù)結(jié)果的對比，當(dāng)葉片安裝角度修復(fù)后，兩者趨勢基本一致，可認(rèn)為機(jī)組是在設(shè)計的狀態(tài)下運行。

風(fēng)電數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈

受各種因素影響，目前國內(nèi)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源區(qū)域無法有效利用，而風(fēng)電平價上網(wǎng)已成為一種發(fā)展趨勢，因此，需要借助技術(shù)手段不斷降低風(fēng)電產(chǎn)業(yè)度電成本，全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化能從高效率、高精度、精益化和定制化角度來解決這個問題，全面提升風(fēng)電行業(yè)的競爭力。風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈包括前端的風(fēng)能資源、風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及部件、風(fēng)電場、電網(wǎng)和環(huán)境等一系列因素。要將風(fēng)電機(jī)組數(shù)字化擴(kuò)展為整個產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化，即從風(fēng)電場的選址開始到最終的運維全生命周期，將數(shù)字化融入到發(fā)展周期中。式（1）給出了風(fēng)電全生命周期度電成本（COE）的計算方法：

式中，I為項目初始投資；R為等額資金回收系數(shù)；CO&M為運行維護(hù)費用；PE為機(jī)組的總發(fā)電量。

從式（1）可以看出，為降低全生命周期的度電成本，需提升機(jī)組發(fā)電量、降低投資成本（包括初始投資及運維費用），以下將分別介紹數(shù)字化技術(shù)在其中的應(yīng)用。

一、數(shù)字化技術(shù)提升全生命周期發(fā)電量

提高風(fēng)電機(jī)組全生命周期的發(fā)電量是有效降低度電成本的首要解決方案。式（2）給出了機(jī)組發(fā)電量的計算方法：

式中，η為折減系數(shù)；ρ為風(fēng)電場空氣密度；V為風(fēng)速；f(V)為風(fēng)速分布；Cp為機(jī)組效率；A為掃風(fēng)面積。

從式（2）可以看出，影響發(fā)電量的因素包括：風(fēng)能資源（V、ρ）、風(fēng)電機(jī)組性能（A、Cp）以及風(fēng)電機(jī)組的運行時間 （∫）。

在風(fēng)電場開發(fā)階段，基于大數(shù)據(jù)和云計算，針對風(fēng)電場中的風(fēng)能資源、地形地貌進(jìn)行精細(xì)化分析研究，能夠有效提升風(fēng)能資源評估的準(zhǔn)確性，選取最優(yōu)機(jī)型及控制策略。圖4則給出了基于風(fēng)電場開發(fā)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計框架模型，借助該優(yōu)化平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)微觀選址的自動尋優(yōu)，根據(jù)風(fēng)電場的地形和風(fēng)能資源特性，制定最優(yōu)機(jī)組排列解決方案，實現(xiàn)大規(guī)模定制化開發(fā)，贏得成本、時間、質(zhì)量、可拓展性、集成度方面的優(yōu)勢。

另一項通過數(shù)字化技術(shù)提升風(fēng)電全生命周期發(fā)電效益的典型示例為風(fēng)電機(jī)組的壽命預(yù)測，從而實現(xiàn)延壽。傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計壽命大多為20年（也有25年的，以設(shè)計參數(shù)為準(zhǔn)）。這個壽命是基于設(shè)計中的理論環(huán)境模型評估得到的，但實際風(fēng)電機(jī)組在運行過程中所處的環(huán)境是變化的，風(fēng)電機(jī)組在實際運行中是否已達(dá)到該壽命，可以借助數(shù)字化的手段進(jìn)行科學(xué)的評估。圖5給出了風(fēng)電機(jī)組壽命預(yù)測數(shù)字化模型，其核心為載荷計算器。載荷計算器可以基于機(jī)組自運行數(shù)據(jù)，采用整機(jī)模型分析方法和載荷傳遞機(jī)理，構(gòu)建基于機(jī)組自運行數(shù)據(jù)到載荷的映射函數(shù)關(guān)系，實時獲取并記錄葉根、輪轂、塔筒頂部載荷時序，為變槳和偏航系統(tǒng)承載分析提供基礎(chǔ)。而對轉(zhuǎn)動的部件來說，轉(zhuǎn)速部件在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計壽命期的轉(zhuǎn)動次數(shù)是明確的，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速歷程進(jìn)行壽命耗損度預(yù)評，如通過雨流統(tǒng)計數(shù)據(jù)評估軸承結(jié)構(gòu)，通過載荷時間分布數(shù)據(jù)評估接觸單元的磨損率。對于結(jié)構(gòu)部件來說，可根據(jù)葉根、輪轂、塔頂載荷估算器構(gòu)建的時序，通過工程算法或有限元仿真提取結(jié)構(gòu)受力，結(jié)合材料的S-N曲線與Palmgren-Miner線性累積損傷理論，實時統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，評估目標(biāo)部件剩余壽命。

圖4 風(fēng)電場協(xié)同優(yōu)化設(shè)計框架模型

圖5 風(fēng)電機(jī)組壽命預(yù)測數(shù)字化模型

圖6 數(shù)字化風(fēng)電場解決方案

表1 風(fēng)電投資的靜態(tài)費用

二、數(shù)字化技術(shù)降低成本

風(fēng)電場工程投資由設(shè)備及安裝工程費用、建筑工程費用、其他費用、基本預(yù)備費、預(yù)備費和建設(shè)期利息等。其中設(shè)備及安裝工程費用、建筑工程費、其他費用明細(xì)如表1所示，這三方面費用作為初始投資成本可通過前期風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計介入，采用數(shù)字化風(fēng)電場解決方案來實現(xiàn)成本的有效降低。

如圖6所示，數(shù)字化風(fēng)電場解決方案將整合投資方（需求、優(yōu)化目標(biāo)、建設(shè)運行經(jīng)驗）、設(shè)計院（風(fēng)電場約束條件）、設(shè)備商（對風(fēng)電機(jī)組特性的把握）三方優(yōu)勢，融合選址與選型，依托高效的計算引擎，基于設(shè)計目標(biāo)和模型快速生成多套候選解決方案；更好地關(guān)注目標(biāo)，將繁瑣的優(yōu)化設(shè)計工作轉(zhuǎn)化為對目標(biāo)及約束條件的規(guī)劃設(shè)計。

圖7 風(fēng)電企業(yè)數(shù)字化

圖8 風(fēng)電機(jī)組形影系統(tǒng)框架

對設(shè)備商而言，數(shù)字化可以帶來整個制造產(chǎn)業(yè)價值鏈的整合，風(fēng)電企業(yè)數(shù)字化是從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃管理、生產(chǎn)制造直至運行、服務(wù)各環(huán)節(jié)打造統(tǒng)一、無縫的數(shù)據(jù)平臺（如圖7）。形成基于數(shù)字模型的虛擬風(fēng)電機(jī)組模型和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實風(fēng)電機(jī)組鏡像，通過虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，可同步優(yōu)化整個設(shè)計流程甚至企業(yè)流程，最終打造高效的柔性生產(chǎn)，實現(xiàn)快速、創(chuàng)新的新產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程。作為設(shè)備商需要借助數(shù)字化技術(shù)的融合實現(xiàn)多方創(chuàng)新：首先，依托成熟的風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈布局，實現(xiàn)整機(jī)與葉片、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變流器、減震器件等關(guān)鍵零部件的數(shù)字化聯(lián)動設(shè)計；整合多方資源，打造以智能設(shè)計、智能制造、智能試驗為核心的全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化風(fēng)電機(jī)組。

風(fēng)電數(shù)字化形影系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境極其復(fù)雜，對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品運行可靠性要求非常嚴(yán)格，需要保證產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的運行可靠性。在傳統(tǒng)的運維方式中，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)以后，對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)試、故障診斷以及相應(yīng)的運維工作，往往需要付出巨大的努力，并承受發(fā)電量損失所帶來的時間上的壓力。從設(shè)備運維的角度來說，希望能夠預(yù)測和預(yù)防故障，減少或優(yōu)化維護(hù)和維修工作。

數(shù)字化技術(shù)能很好地解決這個問題，圖8給出了基于數(shù)字化的風(fēng)電機(jī)組形影系統(tǒng)構(gòu)建框架。我們可以想象在數(shù)字世界構(gòu)建一個風(fēng)電機(jī)組運行的模型，這個模型就像真實風(fēng)電機(jī)組的影子一樣，通過傳感器實現(xiàn)與真實風(fēng)電機(jī)組運行狀態(tài)的同步，如風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電狀態(tài)、振動情況、應(yīng)力以及應(yīng)變等。風(fēng)電機(jī)組每運行一段時間，就可以結(jié)合現(xiàn)有情況和歷史運行數(shù)據(jù)，及時分析評估機(jī)組是否需要維護(hù)以及能否承受繼續(xù)運行的載荷。同時這些設(shè)備的同步信息在一個集成化的數(shù)據(jù)平臺上，隨時可以進(jìn)行查閱、修改、測試和驗證。當(dāng)業(yè)主接收一臺風(fēng)電機(jī)組的同時，還將接收到一套該數(shù)字化模型，業(yè)主、售后服務(wù)人員、設(shè)計師們都可以通過它，查閱有關(guān)風(fēng)電機(jī)組運行的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有狀態(tài)，以保證運行安全，做到防范于未然。風(fēng)電機(jī)組形影系統(tǒng)的構(gòu)建將自動實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的檢測、診斷和預(yù)測，便于業(yè)主管理，能夠在設(shè)備發(fā)生故障之前提前預(yù)防或預(yù)測，大大減少因停機(jī)所造成的損失。

攝影：張偉

結(jié)語

本文主要探討了數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用，通過數(shù)字化技術(shù)提高風(fēng)電場發(fā)電量，降低風(fēng)電度電成本，從而使風(fēng)電在實現(xiàn)平價上網(wǎng)方面具有競爭優(yōu)勢?；跀?shù)字化理念，提出了風(fēng)電運行形影系統(tǒng)平臺，通過該平臺讓虛擬模型與現(xiàn)實風(fēng)電機(jī)組有機(jī)融合，提升風(fēng)電場的運維效率。數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用，會帶來傳統(tǒng)風(fēng)電設(shè)計、制造、運維方式的根本性變化，實現(xiàn)風(fēng)電行業(yè)跨越式發(fā)展，也為風(fēng)火同價提供有力的技術(shù)保障。