文 | 李東林

2011年，德國(guó)政府在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上首次提出“工業(yè)4.0”國(guó)家戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略目標(biāo)是創(chuàng)建數(shù)字化與個(gè)性化相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)模式，這種靈活多變的模式，將會(huì)帶來(lái)價(jià)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(guó)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(shì)。實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化技術(shù)，就像實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的精益化和自動(dòng)化，這是企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，我國(guó)也在積極推動(dòng)數(shù)字化、智能化工業(yè)發(fā)展，并出臺(tái)了一系列文件和政策，其中《積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)指導(dǎo)意見(jiàn)》《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(jiàn)》等指導(dǎo)文件中，對(duì)我國(guó)智能制造的未來(lái)發(fā)展做出詳細(xì)規(guī)劃。在各種政策支持下，我國(guó)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(jì)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(lái)同樣在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，截至2018年底，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)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(lái)，一方面由于棄風(fēng)限電等因素的影響，風(fēng)電開(kāi)發(fā)重心向風(fēng)能資源相對(duì)較差的中東南部區(qū)域轉(zhuǎn)移；另一方面，以“風(fēng)火同價(jià)”為目標(biāo)的風(fēng)電電價(jià)退坡機(jī)制的實(shí)施，給風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(mén)子風(fēng)電率先在市場(chǎng)上提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念，即實(shí)現(xiàn)基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)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(tái)Predix展開(kāi)，提出了建設(shè)“數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)”的目標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)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(shuō)我國(guó)風(fēng)電數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展仍然有一條漫長(zhǎng)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(gè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)；二是需要通過(guò)構(gòu)建風(fēng)電數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈，從系統(tǒng)角度來(lái)實(shí)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(zhǎng)、工作環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，需要通過(guò)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(yùn)行形影系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真模型與現(xiàn)實(shí)風(fēng)電機(jī)組的有機(jī)融合。

風(fēng)電機(jī)組數(shù)字化開(kāi)發(fā)平臺(tái)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電整機(jī)產(chǎn)品更新非常迅速，以2MW產(chǎn)品平臺(tái)為例，自2012年開(kāi)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(shí)特定風(fēng)電場(chǎng)的差異化設(shè)計(jì)已成為行業(yè)內(nèi)的一種趨勢(shì)。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(kāi)發(fā)平臺(tái)、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(shí)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(jì)和數(shù)據(jù)分析過(guò)程在每個(gè)階段都是碎片化的，一款整機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)要經(jīng)歷概念設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)校核、零部件校核、詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣機(jī)測(cè)試等多次迭代過(guò)程，設(shè)計(jì)周期往往在一年以上，很難響應(yīng)目前市場(chǎng)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(tái)。該平臺(tái)基于虛擬仿真環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)樣機(jī)制作、測(cè)試、設(shè)計(jì)優(yōu)化等環(huán)節(jié)和循環(huán)過(guò)程。同時(shí)平臺(tái)支持多學(xué)科并行設(shè)計(jì)，通過(guò)多領(lǐng)域協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)到載荷計(jì)算分析、部件設(shè)計(jì)選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高效并行開(kāi)發(fā)，使得各個(gè)環(huán)節(jié)模塊化。最終實(shí)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(cuò)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(diǎn)體現(xiàn)在通過(guò)數(shù)字化仿真來(lái)科學(xué)地實(shí)現(xiàn)問(wèn)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(shí)際運(yùn)行過(guò)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(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)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(cuò)位，導(dǎo)致機(jī)組存在一定的異常，但實(shí)際運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)并未超過(guò)保護(hù)值，因此從常規(guī)檢測(cè)手段來(lái)看，該故障無(wú)法快速暴露和定位，機(jī)組長(zhǎng)期處在亞健康運(yùn)行狀態(tài)。圖2就給出了在此狀態(tài)下，機(jī)組仿真與實(shí)際塔筒頂部載荷信號(hào)對(duì)比，可以看出塔頂載荷出現(xiàn)了明顯的1P波動(dòng)，這樣通過(guò)數(shù)字化仿真，就可以暴露該問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)故障的快速定位。圖3為修復(fù)后機(jī)組仿真與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比，當(dāng)葉片安裝角度修復(fù)后，兩者趨勢(shì)基本一致，可認(rèn)為機(jī)組是在設(shè)計(jì)的狀態(tài)下運(yùn)行。

風(fēng)電數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈

受各種因素影響，目前國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源區(qū)域無(wú)法有效利用，而風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，全面提升風(fēng)電行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)、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(gè)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化，即從風(fēng)電場(chǎng)的選址開(kāi)始到最終的運(yùn)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(jì)算方法：

式中，I為項(xiàng)目初始投資；R為等額資金回收系數(shù)；CO&M為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(yùn)維費(fèi)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(jì)算方法：

式中，η為折減系數(shù)；ρ為風(fēng)電場(chǎng)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(yùn)行時(shí)間 （∫）。

在風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)階段，基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(píng)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(chǎng)開(kāi)發(fā)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)框架模型，借助該優(yōu)化平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)微觀選址的自動(dòng)尋優(yōu)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化開(kāi)發(fā)，贏得成本、時(shí)間、質(zhì)量、可拓展性、集成度方面的優(yōu)勢(shì)。

另一項(xiàng)通過(guò)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(cè)，從而實(shí)現(xiàn)延壽。傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命大多為20年（也有25年的，以設(shè)計(jì)參數(shù)為準(zhǔn)）。這個(gè)壽命是基于設(shè)計(jì)中的理論環(huán)境模型評(píng)估得到的，但實(shí)際風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中所處的環(huán)境是變化的，風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)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(píng)估。圖5給出了風(fēng)電機(jī)組壽命預(yù)測(cè)數(shù)字化模型，其核心為載荷計(jì)算器。載荷計(jì)算器可以基于機(jī)組自運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)到載荷的映射函數(shù)關(guān)系，實(shí)時(shí)獲取并記錄葉根、輪轂、塔筒頂部載荷時(shí)序，為變槳和偏航系統(tǒng)承載分析提供基礎(chǔ)。而對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的部件來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速部件在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命期的轉(zhuǎn)動(dòng)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(píng)，如通過(guò)雨流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估軸承結(jié)構(gòu)，通過(guò)載荷時(shí)間分布數(shù)據(jù)評(píng)估接觸單元的磨損率。對(duì)于結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō)，可根據(jù)葉根、輪轂、塔頂載荷估算器構(gòu)建的時(shí)序，通過(guò)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(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，評(píng)估目標(biāo)部件剩余壽命。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)框架模型

圖5 風(fēng)電機(jī)組壽命預(yù)測(cè)數(shù)字化模型

圖6 數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)解決方案

表1 風(fēng)電投資的靜態(tài)費(fèi)用

二、數(shù)字化技術(shù)降低成本

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

如圖6所示，數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)解決方案將整合投資方（需求、優(yōu)化目標(biāo)、建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)）、設(shè)計(jì)院（風(fēng)電場(chǎng)約束條件）、設(shè)備商（對(duì)風(fēng)電機(jī)組特性的把握）三方優(yōu)勢(shì)，融合選址與選型，依托高效的計(jì)算引擎，基于設(shè)計(jì)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(jì)工作轉(zhuǎn)化為對(duì)目標(biāo)及約束條件的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

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(duì)設(shè)備商而言，數(shù)字化可以帶來(lái)整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的整合，風(fēng)電企業(yè)數(shù)字化是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃管理、生產(chǎn)制造直至運(yùn)行、服務(wù)各環(huán)節(jié)打造統(tǒng)一、無(wú)縫的數(shù)據(jù)平臺(tái)（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(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)風(fēng)電機(jī)組鏡像，通過(guò)虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試，可同步優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)流程甚至企業(yè)流程，最終打造高效的柔性生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)快速、創(chuàng)新的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程。作為設(shè)備商需要借助數(shù)字化技術(shù)的融合實(shí)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(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)；整合多方資源，打造以智能設(shè)計(jì)、智能制造、智能試驗(yàn)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(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品運(yùn)行可靠性要求非常嚴(yán)格，需要保證產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的運(yùn)行可靠性。在傳統(tǒng)的運(yùn)維方式中，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)以后，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)試、故障診斷以及相應(yīng)的運(yùn)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(lái)的時(shí)間上的壓力。從設(shè)備運(yùn)維的角度來(lái)說(shuō)，希望能夠預(yù)測(cè)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(gè)問(wèn)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(gè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的模型，這個(gè)模型就像真實(shí)風(fēng)電機(jī)組的影子一樣，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與真實(shí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的同步，如風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電狀態(tài)、振動(dòng)情況、應(yīng)力以及應(yīng)變等。風(fēng)電機(jī)組每運(yùn)行一段時(shí)間，就可以結(jié)合現(xiàn)有情況和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)分析評(píng)估機(jī)組是否需要維護(hù)以及能否承受繼續(xù)運(yùn)行的載荷。同時(shí)這些設(shè)備的同步信息在一個(gè)集成化的數(shù)據(jù)平臺(tái)上，隨時(shí)可以進(jìn)行查閱、修改、測(cè)試和驗(yàn)證。當(dāng)業(yè)主接收一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的同時(shí)，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(jì)師們都可以通過(guò)它，查閱有關(guān)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有狀態(tài)，以保證運(yùn)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(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的檢測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)，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(cè)，大大減少因停機(jī)所造成的損失。

攝影：張偉

結(jié)語(yǔ)

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(guò)數(shù)字化技術(shù)提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量，降低風(fēng)電度電成本，從而使風(fēng)電在實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。基于數(shù)字化理念，提出了風(fēng)電運(yùn)行形影系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)讓虛擬模型與現(xiàn)實(shí)風(fēng)電機(jī)組有機(jī)融合，提升風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維效率。數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用，會(huì)帶來(lái)傳統(tǒng)風(fēng)電設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維方式的根本性變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電行業(yè)跨越式發(fā)展，也為風(fēng)火同價(jià)提供有力的技術(shù)保障。