風力發電數字化發展與技術創新

文 | 李東林

2011年，德國政府在漢諾威工業博覽會上首次提出“工業4.0”國家戰略，該戰略目標是創建數字化與個性化相結合的產業模式，這種靈活多變的模式，將會帶來價值創造的重大變化。在隨后的數年里，數字化的理念在引導世界各國的工業發生變革，數字化是當今工業的發展趨勢。實現企業數字化技術，就像實現生產流程的精益化和自動化，這是企業的核心競爭力。近年來，我國也在積極推動數字化、智能化工業發展，并出臺了一系列文件和政策，其中《積極推進“互聯網+”行動指導意見》《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》等指導文件中，對我國智能制造的未來發展做出詳細規劃。在各種政策支持下，我國智能制造水平在持續提升，其中以航空、高鐵為代表的數字化設計技術已在逐步改變傳統的產業模式。

風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了快速發展，截至2018年底，中國風電累計裝機容量達2.09億千瓦，占全球35.4%，穩居全球第一。進入“十三五”以來，一方面由于棄風限電等因素的影響，風電開發重心向風能資源相對較差的中東南部區域轉移；另一方面，以“風火同價”為目標的風電電價退坡機制的實施，給風電產業的發展帶來極為嚴峻的挑戰。在此背景下，不斷降低風電度電成本，提升產業的綜合競爭力，成為目前風電中各技術發展的目標，這其中最為引人關注的就是數字化技術在風電產業中的應用。

西門子風電率先在市場上提出“數字化雙胞胎”模型概念，即實現基于模型的虛擬企業和基于自動化技術的現實企業結合。GE風電的數字化戰略則主要圍繞著它的工業大數據平臺Predix展開，提出了建設“數字化風電場”的目標。近年來，國內一些風電企業也提出數字化、智能化的概念，但更多還是停留在概念和淺層應用層面，可以說我國風電數字化技術的發展仍然有一條漫長的路要走。

本文主要探討了數字化技術在風電產業發展中三個方面的應用：一是隨著風電產品迭代更新的加快，需要構建基于數字化的風電機組產品開發平臺；二是需要通過構建風電數字化產業鏈，從系統角度來實現風電全生命周期度電成本的下降；三是為了滿足風電工作壽命長、工作環境復雜的特點，需要通過數字化技術應用，提升風電產品全生命周期可靠性。結合工業數字化的理念，本文也提出了風電運行形影系統平臺，通過該平臺實現虛擬仿真模型與現實風電機組的有機融合。

風電機組數字化開發平臺

近年來，國內風電整機產品更新非常迅速，以2MW產品平臺為例，自2012年開始，每年業內都推出一款新產品，風輪直徑從110m增大到131m，塔筒高度也從80m提升到140m乃至更高，同時特定風電場的差異化設計已成為行業內的一種趨勢。為了響應產品的快速更新，需要構建高效高質的產品開發平臺、優化產品研發周期，數字化創新研發體系則是實現這一目標的有效途徑。

傳統的風電機組整機設計和數據分析過程在每個階段都是碎片化的，一款整機產品的開發要經歷概念設計、載荷計算、控制設計、結構校核、零部件校核、詳細設計、樣機測試等多次迭代過程，設計周期往往在一年以上，很難響應目前市場的節奏。圖1給出了數字化創新研發體系，其構建了數字化集成仿真平臺。該平臺基于虛擬仿真環境來實現樣機制作、測試、設計優化等環節和循環過程。同時平臺支持多學科并行設計，通過多領域協同工作，實現從系統方案設計到載荷計算分析、部件設計選型和結構優化的高效并行開發，使得各個環節模塊化。最終實現產品輸出或少量物理樣機制作，大大提高產品的一次成功率，加速產品的研發進程，提升產品的研發效率。

圖1 數字化創新研發體系

圖2 葉片角度錯位（塔頂載荷）

圖3 葉片角度修復（塔頂載荷）

產品研發速度的加快還需力保產品可靠性。相關研究表明，為保證風電產品的可靠性，數字化創新研發體系可以引入航天系統中雙歸零模型，其創新點體現在通過數字化仿真來科學地實現問題復現、準確定位和真正挖掘故障機理。風電機組在實際運行過程中的各參數是非常復雜的，但設備所裝傳感器有限，很難保證風電機組運行狀態與設計狀態完全一致。例如風電機組某一葉片出現了安裝角錯位，導致機組存在一定的異常，但實際運行振動數據并未超過保護值，因此從常規檢測手段來看，該故障無法快速暴露和定位，機組長期處在亞健康運行狀態。圖2就給出了在此狀態下，機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了明顯的1P波動，這樣通過數字化仿真，就可以暴露該問題，并實現故障的快速定位。圖3為修復后機組仿真與實際運行數據結果的對比，當葉片安裝角度修復后，兩者趨勢基本一致，可認為機組是在設計的狀態下運行。

風電數字化產業鏈

受各種因素影響，目前國內優質風能資源區域無法有效利用，而風電平價上網已成為一種發展趨勢，因此，需要借助技術手段不斷降低風電產業度電成本，全產業鏈的數字化能從高效率、高精度、精益化和定制化角度來解決這個問題，全面提升風電行業的競爭力。風電全產業鏈包括前端的風能資源、風電機組整機及部件、風電場、電網和環境等一系列因素。要將風電機組數字化擴展為整個產業的數字化，即從風電場的選址開始到最終的運維全生命周期，將數字化融入到發展周期中。式（1）給出了風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；CO&M為運行維護費用；PE為機組的總發電量。

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

一、數字化技術提升全生命周期發電量

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

式中，η為折減系數；ρ為風電場空氣密度；V為風速；f(V)為風速分布；Cp為機組效率；A為掃風面積。

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

在風電場開發階段，基于大數據和云計算，針對風電場中的風能資源、地形地貌進行精細化分析研究，能夠有效提升風能資源評估的準確性，選取最優機型及控制策略。圖4則給出了基于風電場開發的協同優化設計框架模型，借助該優化平臺，能夠實現微觀選址的自動尋優，根據風電場的地形和風能資源特性，制定最優機組排列解決方案，實現大規模定制化開發，贏得成本、時間、質量、可拓展性、集成度方面的優勢。

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

圖4 風電場協同優化設計框架模型

圖5 風電機組壽命預測數字化模型

圖6 數字化風電場解決方案

表1 風電投資的靜態費用

二、數字化技術降低成本

風電場工程投資由設備及安裝工程費用、建筑工程費用、其他費用、基本預備費、預備費和建設期利息等。其中設備及安裝工程費用、建筑工程費、其他費用明細如表1所示，這三方面費用作為初始投資成本可通過前期風電場的規劃設計介入，采用數字化風電場解決方案來實現成本的有效降低。

如圖6所示，數字化風電場解決方案將整合投資方（需求、優化目標、建設運行經驗）、設計院（風電場約束條件）、設備商（對風電機組特性的把握）三方優勢，融合選址與選型，依托高效的計算引擎，基于設計目標和模型快速生成多套候選解決方案；更好地關注目標，將繁瑣的優化設計工作轉化為對目標及約束條件的規劃設計。

圖7 風電企業數字化

圖8 風電機組形影系統框架

對設備商而言，數字化可以帶來整個制造產業價值鏈的整合，風電企業數字化是從產品設計、生產規劃管理、生產制造直至運行、服務各環節打造統一、無縫的數據平臺（如圖7）。形成基于數字模型的虛擬風電機組模型和基于自動化技術的現實風電機組鏡像，通過虛擬環境中優化、仿真和測試，可同步優化整個設計流程甚至企業流程，最終打造高效的柔性生產，實現快速、創新的新產品設計研發過程。作為設備商需要借助數字化技術的融合實現多方創新：首先，依托成熟的風電全產業鏈布局，實現整機與葉片、發電機、齒輪箱、變流器、減震器件等關鍵零部件的數字化聯動設計；整合多方資源，打造以智能設計、智能制造、智能試驗為核心的全產業鏈數字化風電機組。

風電數字化形影系統

風電機組的工作環境極其復雜，對風電機組產品運行可靠性要求非常嚴格，需要保證產品在整個生命周期內的運行可靠性。在傳統的運維方式中，當風電機組發生故障停機以后，對風電機組進行調試、故障診斷以及相應的運維工作，往往需要付出巨大的努力，并承受發電量損失所帶來的時間上的壓力。從設備運維的角度來說，希望能夠預測和預防故障，減少或優化維護和維修工作。

數字化技術能很好地解決這個問題，圖8給出了基于數字化的風電機組形影系統構建框架。我們可以想象在數字世界構建一個風電機組運行的模型，這個模型就像真實風電機組的影子一樣，通過傳感器實現與真實風電機組運行狀態的同步，如風電機組的發電狀態、振動情況、應力以及應變等。風電機組每運行一段時間，就可以結合現有情況和歷史運行數據，及時分析評估機組是否需要維護以及能否承受繼續運行的載荷。同時這些設備的同步信息在一個集成化的數據平臺上，隨時可以進行查閱、修改、測試和驗證。當業主接收一臺風電機組的同時，還將接收到一套該數字化模型，業主、售后服務人員、設計師們都可以通過它，查閱有關風電機組運行的歷史數據和現有狀態，以保證運行安全，做到防范于未然。風電機組形影系統的構建將自動實現風電機組的檢測、診斷和預測，便于業主管理，能夠在設備發生故障之前提前預防或預測，大大減少因停機所造成的損失。

攝影：張偉

結語

本文主要探討了數字化技術在風電中的應用，通過數字化技術提高風電場發電量，降低風電度電成本，從而使風電在實現平價上網方面具有競爭優勢。基于數字化理念，提出了風電運行形影系統平臺，通過該平臺讓虛擬模型與現實風電機組有機融合，提升風電場的運維效率。數字化技術在風電中的應用，會帶來傳統風電設計、制造、運維方式的根本性變化，實現風電行業跨越式發展，也為風火同價提供有力的技術保障。