風力發(fā)電數(shù)字化發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新研究

周磊

摘要：近年來，國家對低碳環(huán)保的大力倡導(dǎo)，風電產(chǎn)業(yè)所迸發(fā)出來的發(fā)展前景越來越廣闊，未來的風電行業(yè)一定是與數(shù)字化技術(shù)相融合，發(fā)展大數(shù)據(jù)相互共享，同行業(yè)者相互協(xié)作的清潔能源行業(yè)。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電;數(shù)字化;技術(shù)創(chuàng)新;發(fā)展前景

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2019）13-0019-02

Abstract：in recent years， the country to the low-carbon environmental protection vigorously advocated， the wind power industry erupted out of the development prospects are more and more broad， the future wind power industry must be the integration of digital technology， the development of big data sharing， the industry cooperation of clean energy industry.

Key words：wind power generation; Digital; Technological innovation; Prospects for development

前言：就整個風電產(chǎn)業(yè)來說，此時正經(jīng)歷著一個個變革的時代，數(shù)字化、信息化以及大數(shù)據(jù)正在給風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展輸送巨大動力。但是，在面臨一些困擾風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的傳統(tǒng)頑疾上，數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新研究必不可少。

隨著社會的進步，各行業(yè)的全面發(fā)展，人們對新能源、可再生資源的需求和重視程度越來越大。風能作為其中的一種可再生資源，可以說是擁有著廣闊的發(fā)展前景。但是，由于風能的不穩(wěn)定性，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中必須不斷加強對風能發(fā)電設(shè)備的有效控制，這就要求從業(yè)者在面對風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中所遇到的各種問題時，要不斷的升級和改造風力發(fā)電控制系統(tǒng)，努力將更為信息化、數(shù)字化的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相融合，進而在未來巨大的風電產(chǎn)業(yè)市場中占據(jù)一席之地。

1 我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀

在發(fā)展風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)方面，我國具備明顯優(yōu)勢，因為我國不僅擁有幅員遼闊的國土面積，還擁有綿長的海岸線，控制著大面積海域，這些都為我國發(fā)展風能提供了基礎(chǔ)條件。同時，地形地貌豐富多樣，適合發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的地區(qū)遍布全國各地，為風電發(fā)展提供了廣闊的市場前景。如東南沿海及其各島嶼、內(nèi)蒙古和甘肅北部、黑龍江、吉林東部以及遼東半島沿海、青藏高原、三北地區(qū)的北部和沿海、云貴川、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西山區(qū)等等這些地區(qū)都擁有者豐富的風力資源。這種良好的基礎(chǔ)環(huán)境，成就了我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展所取得的好成績，從小規(guī)模的探索期到大規(guī)模推廣的成熟期，我國風電發(fā)展正迎來全面推廣的大發(fā)展局面，風電裝機容量、風電建設(shè)規(guī)模更是在全面過大，發(fā)展速度日新月異。

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息科技的不斷進步，我國在風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中正在不斷積極的推動著數(shù)字化、智能化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并出臺了如《積極推進“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》等系列文件和政策。這些政策和文件的出臺，對我國智能制造的未來發(fā)展指出了清晰的道路。在國家大力的政策支持下，如航空、高鐵等行業(yè)發(fā)展已經(jīng)逐漸改變的傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，正在向著更高水平的數(shù)字化水平發(fā)展。與航空、高鐵等產(chǎn)業(yè)相比，我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的數(shù)字化進程也在不斷加快。當前，已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)人員置身于控制中心，便能夠通過遠程監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測上百公里以外的風電場所發(fā)生的一切異常情況。而且，風電產(chǎn)業(yè)在很多環(huán)節(jié)上通過運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，呈現(xiàn)了數(shù)字化發(fā)展趨勢。如智能風機已經(jīng)具備了自我學習的能力，可以進行自由升級，實現(xiàn)風機之間的相互關(guān)聯(lián);通過監(jiān)測設(shè)備的反應(yīng)出來的大數(shù)據(jù)信息，人們可以通過數(shù)字化設(shè)備實現(xiàn)客戶電力需求量與發(fā)電量的實時配比，進而更加準確的判斷電力需求等等?？梢哉f，在目前國家大力發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的勢頭上，未來風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的勁頭會越來越足。

2 風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)字化的創(chuàng)新應(yīng)用

在風電產(chǎn)業(yè)與數(shù)字化相融合方面，一方面要看準風電產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，從而構(gòu)建以數(shù)字化為基礎(chǔ)的風電機組產(chǎn)品開發(fā)平臺;另一方面，搭建風電數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈，降低風電產(chǎn)業(yè)成本;再一方面，運用數(shù)字化技術(shù)增強風電產(chǎn)品的使用可靠性。

2.1風電產(chǎn)業(yè)數(shù)字化開發(fā)平臺。進入到新時代以來，國內(nèi)有關(guān)風電整機的各類產(chǎn)品層出不窮，更新?lián)Q代速度明顯加快，例如2MW產(chǎn)品平臺，從2013年以來，幾乎每年在行業(yè)內(nèi)都會有一款全新的產(chǎn)品誕生，最大風輪直徑從過去110m，逐漸增大至131m，風電塔筒的高度從過去的80m已經(jīng)上升為150m甚至更高的高度，與此同時，各風電場的特定差異化設(shè)計現(xiàn)在也已逐漸變成了業(yè)內(nèi)發(fā)展的一種趨勢。為了更好的適應(yīng)行業(yè)內(nèi)風電機組產(chǎn)品更新速度的快節(jié)奏，必須實現(xiàn)自主創(chuàng)新能力的有效提升，加強創(chuàng)新構(gòu)建高效且高質(zhì)量的風電機組產(chǎn)品開發(fā)平臺，并實現(xiàn)風電機組產(chǎn)品研發(fā)的周期優(yōu)化。因此，在這種大形勢的發(fā)展環(huán)境中，選擇走數(shù)字化道路，創(chuàng)新數(shù)字化研發(fā)體系是風電行業(yè)發(fā)展的必然選擇。

對于傳統(tǒng)的風電機組設(shè)計和數(shù)據(jù)分析而言，整個工作過程在每一個階段的狀態(tài)都存在碎片化的缺點。一種款式的風電機組產(chǎn)品從開發(fā)到使用需要經(jīng)歷很多環(huán)節(jié)。概念設(shè)計、計算負荷、控制設(shè)計、零部件校準、機樣測試等等很多個環(huán)節(jié)層層相疊。從而導(dǎo)致設(shè)計制造周期十分漫長，有的長達一年以上，這樣的產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏實在難以適應(yīng)新時代對風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。針對此，風電行業(yè)內(nèi)必須實現(xiàn)數(shù)字化創(chuàng)新研發(fā)體系的構(gòu)建，例如：可以構(gòu)建數(shù)字化仿真平臺，以虛擬仿真環(huán)境為基礎(chǔ)，進行風電樣機的制作、試驗、設(shè)計等步驟和環(huán)節(jié)。并且，數(shù)字化仿真平臺還可以實現(xiàn)多學科并行設(shè)計，多領(lǐng)域可以同時協(xié)作進行設(shè)計，從初期的方案設(shè)計到負荷計算分析，再到部件選型設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高效并行開發(fā)，實現(xiàn)各個設(shè)計化解更加模塊化。這種數(shù)字化仿真平臺可以實現(xiàn)產(chǎn)品和樣機的快速制作，從而提高了風電機組產(chǎn)品的制造成功率，更提高了風電機組產(chǎn)品的制造效率。

當然，風電機組產(chǎn)品的研發(fā)不能只看重效率，更要保證產(chǎn)品使用的可靠性。根據(jù)相關(guān)研究，行業(yè)內(nèi)為了實現(xiàn)風電機組產(chǎn)品的可靠性，在數(shù)字化創(chuàng)新研發(fā)體系中，可以考慮引入航天系統(tǒng)中雙歸零模型，這種技術(shù)是通過數(shù)字化仿真來真實的反應(yīng)產(chǎn)品中所反復(fù)出現(xiàn)的各種問題并準確定位出問題位置，挖掘出故障原因并進行故障分析。這也是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新點之一。在實際運行當中，風電機組會反應(yīng)出十分復(fù)雜的各種數(shù)據(jù)參數(shù)，而設(shè)備所安裝的數(shù)據(jù)傳感器十分有限，在某種程度上，無法保證機組的設(shè)計和運行狀態(tài)完全相同。比如，風電機組的任一葉片在安裝后出現(xiàn)了安裝角錯位，導(dǎo)致機組運行產(chǎn)生異常現(xiàn)象，而風電機組的實際反應(yīng)的震動數(shù)據(jù)依然在保護值內(nèi)，這種情況便無法通過常規(guī)的檢測手段來加以判定，導(dǎo)致故障無法第一時間進行定位和排除，致使機組長期處于亞健康運營狀態(tài)。因此，通過數(shù)字化信息技術(shù)的有效融合，當一些數(shù)值或數(shù)據(jù)的值出現(xiàn)波動時，通過數(shù)字化仿真，就可以迅速的定位哪一部位出現(xiàn)故障，并根據(jù)數(shù)據(jù)顯示對故障進行分析，并于實際參數(shù)相對照，進行智能化自我修復(fù)，從而第一時間糾正偏差，調(diào)整機器至健康運行狀態(tài)下工作。

2.2搭建風電產(chǎn)業(yè)數(shù)字化鏈條。風力發(fā)電受到各種因素的影響，雖然我國近年來在風電產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展可謂是日新月異，但是，仍然存在很多優(yōu)勢風能資源地區(qū)沒有得到有效利用的現(xiàn)象，現(xiàn)如今，風力發(fā)電平價上網(wǎng)現(xiàn)已經(jīng)成為了一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，所以，行業(yè)內(nèi)需要不斷創(chuàng)新改革，運用更新的技術(shù)手段不斷降低風電的度電成本。實現(xiàn)風電產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，可以更高效、更精準的解決這一問題，從而提升風電產(chǎn)業(yè)的行業(yè)競爭能力。我們所強調(diào)的風電產(chǎn)業(yè)鏈條是集風能資源、風電整機、風電機組部件、風電場、電網(wǎng)等于一體的各種因素的有效鏈接。必須從風電機組數(shù)字化擴展到整個產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化，這就好比在一個飯店內(nèi)，簡單的使用電子菜單點菜并不能算是數(shù)字化的實現(xiàn)，而應(yīng)該從最開始的前端資源到最后的信息評價反饋的整條鏈都實現(xiàn)了數(shù)字化才能被真正稱之為數(shù)字化。所以，風電行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈需要從風電場的選址開始，一直到最后的運維生命周期內(nèi)，都要融入數(shù)字化技術(shù)。

在風電場的選址和開發(fā)階段，通過大數(shù)據(jù)的精準分析，針對所要選址的風能資源、地貌地形特征進行詳細的數(shù)據(jù)分析和研究，可以更準確地提高風能資源的評估精準度，從而幫助人們選擇最適合最優(yōu)質(zhì)的風電機組機型和運營控制方案。同時，借助優(yōu)化平臺，可以實現(xiàn)微觀選址的自主識別評優(yōu)確優(yōu)功能，并以風電場的地貌地形及風能資源的特性，建立更為優(yōu)化的機組排列方案，從而實現(xiàn)大規(guī)模的定制化開發(fā)運營，最終在成本、時間、效率、集成度以及質(zhì)量方面贏得最強優(yōu)勢。

此外，還可以通過數(shù)字化技術(shù)的融合來提高風電全生命周期。傳統(tǒng)風電機組的設(shè)計使用周期壽命大約在20-25年，主要指的是陸上風電機組。這個理論值是以理想環(huán)境為基礎(chǔ)而進行的初期設(shè)計評估而得到的，然而，在實際當中，風電機組在運行過程中所處于的自然環(huán)境是不斷變化的，所以實際使用壽命未必能如理論值所述。針對此，數(shù)字化技術(shù)的滲透可以實現(xiàn)對反應(yīng)數(shù)據(jù)的科學化評估，然后判定風電機組的周期壽命達到了什么樣的程度，從而來進行方案調(diào)整，實現(xiàn)使用壽命的延長。在創(chuàng)新設(shè)計中，風電機組壽命預(yù)測數(shù)字化模型，可以載荷計算器為核心，在風電機組自運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用整機模型分析法及載荷傳遞機理，將二者之間建立起映射函數(shù)關(guān)系，做到對葉根、塔筒頂部荷載時序數(shù)據(jù)的實時獲取，從而給變槳以及偏航系統(tǒng)承載提供基礎(chǔ)的分析數(shù)據(jù)。此外，對于轉(zhuǎn)動的零部件而言，有一點是明確的，那就是轉(zhuǎn)速部件在風電機組設(shè)計壽命周期的轉(zhuǎn)動次數(shù)，這一方面可以通過數(shù)據(jù)記錄，對部件耗損度進行評估分析。在結(jié)構(gòu)部件方面，實時記錄和統(tǒng)計耗損數(shù)據(jù)，以評估和預(yù)測剩余周期壽命。最終提高整個風電機組系統(tǒng)的使用周期。

2.3創(chuàng)新數(shù)字化技術(shù)降成本。風電產(chǎn)業(yè)與小規(guī)模投資不同，其一旦投入建設(shè)、運營便涉及到建設(shè)工程費、安裝費、人工費、機械成本費、運輸費等等種類繁多的各類費用十分巨大。其中，設(shè)備及安裝工程費、建設(shè)工程費、初期管理費用屬于初始投資期間的費用，還不涉及到風電場的運營管理內(nèi)容。而后期運營成本才是最大的支出和壓力，所以，采用數(shù)字化風電產(chǎn)業(yè)運營方案可以更為有效的降低成本。一方面，數(shù)字化風電場可以將投資方的需求、目標、經(jīng)驗和設(shè)計院方面對風電場提出的約束條件以及設(shè)備上對風電機組等特性的十足把握等三方面的優(yōu)勢進行整合，并通過選址和定型，以高效的計算引擎為依托，以設(shè)計目標、模塊生成為優(yōu)勢快速形成多套備選方案，從而更高效的注意設(shè)計目標，優(yōu)化繁瑣的設(shè)計工作變?yōu)閷δ繕思凹s束條件的規(guī)劃設(shè)計。

同時，對設(shè)備商來說，數(shù)字化的創(chuàng)新性融入能夠激活整個風電制造產(chǎn)業(yè)的價值鏈整合，風電企業(yè)可以從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、運營管理、生產(chǎn)制造、運輸銷售等多個環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字化，并進行無縫的數(shù)據(jù)平臺建模。最終，形成以虛擬風電機組模型和現(xiàn)實風電機組鏡像自動化為基礎(chǔ)，經(jīng)過對虛擬環(huán)境的仿真、優(yōu)化及測驗，進而實現(xiàn)整個設(shè)計流程或者企業(yè)流程的完美優(yōu)化，打造一個高效的柔性生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了風電產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速且創(chuàng)新。與此同時，借助數(shù)字化技術(shù)的進步，設(shè)備商應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實需要加強自身的自主創(chuàng)新能力，進行品牌設(shè)計研究。第一，就成熟的風電產(chǎn)業(yè)鏈為依托，實現(xiàn)整機與發(fā)電機、齒輪箱、變流器等零部件的數(shù)字化聯(lián)動設(shè)計;第二，還要懂得利用和整合社會中的多方資源，進行智能化設(shè)計、智能化制造和測試，實現(xiàn)核心的數(shù)字化風電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈。通過數(shù)字化技術(shù)的有效滲透，從設(shè)計、規(guī)劃初期的成本考慮，到后期數(shù)字化管理運營，成本得到極大的節(jié)約是未來風電產(chǎn)業(yè)市場競爭的核心優(yōu)勢。

風電機組運行環(huán)境非常復(fù)雜，所以，機組產(chǎn)品運營的可靠性有著高標準的要求，從而來保證風電機組在整個運行周期內(nèi)的安全性。在維修方面，傳統(tǒng)風電機組發(fā)生某些故障，導(dǎo)致機組停止工作以后，需要工作人員付出巨大努力對風電機組進行故障的排查、診斷、調(diào)試和維修，而且還需要承擔巨大的電量損失。而對于設(shè)備的運行維修來說，能夠預(yù)判出機械故障，從而減少維修工作，是數(shù)字化技術(shù)融入以來的創(chuàng)新發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。通過創(chuàng)新性的數(shù)字化風電機組邢影系統(tǒng)，可以在數(shù)字的世界里搭建一個風電機組運行模型，從而來實現(xiàn)傳感器與實際風電機組狀態(tài)的同步運行，實現(xiàn)了設(shè)備每運行一段時間，就可以傳輸出相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，然后進行評估分析是否需要進行維護。當設(shè)備即將出現(xiàn)故障，第一時間進行短時間的介入，來減少維修時間，降低相應(yīng)耗損，實現(xiàn)成本的有效控制。

3 結(jié)語

通過探討數(shù)字化技術(shù)在風電產(chǎn)業(yè)中的有效應(yīng)用，可以說，數(shù)字化技術(shù)在提高風電場發(fā)電量、降低風電成本方面大有可為，并通過該項技術(shù)的發(fā)展與滲透應(yīng)用，可以幫助風電在未來的社會發(fā)展中及市場競爭中占據(jù)主動地位。而最重要的就是無論是風電企業(yè)、運營商、設(shè)備商等等都應(yīng)該提高對數(shù)字化自主創(chuàng)新的重視程度，提高自己自主創(chuàng)新能力，以適應(yīng)未來產(chǎn)品更新?lián)Q代的快節(jié)奏步伐。

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