风力发电数字化发展及技术创新研究

2019-10-20周磊

数码设计 2019年13期

周磊

摘要：近年来，国家对低碳环保的大力倡导，风电产业所迸发出来的发展前景越来越广阔，未来的风电行业一定是与数字化技术相融合，发展大数据相互共享，同行业者相互协作的清洁能源行业。

关键词：风力发电;数字化;技术创新;发展前景

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：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：就整個风电产业来说，此时正经历着一个个变革的时代，数字化、信息化以及大数据正在给风电产业发展输送巨大动力。但是，在面临一些困扰风力发电产业发展的传统顽疾上，数字化技术的创新研究必不可少。

随着社会的进步，各行业的全面发展，人们对新能源、可再生资源的需求和重视程度越来越大。风能作为其中的一种可再生资源，可以说是拥有着广阔的发展前景。但是，由于风能的不稳定性，风电产业发展过程中必须不断加强对风能发电设备的有效控制，这就要求从业者在面对风电产业发展过程中所遇到的各种问题时，要不断的升级和改造风力发电控制系统，努力将更为信息化、数字化的技术与产业发展相融合，进而在未来巨大的风电产业市场中占据一席之地。

1 我国风电产业发展的现状

在发展风力发电产业方面，我国具备明显优势，因为我国不仅拥有幅员辽阔的国土面积，还拥有绵长的海岸线，控制着大面积海域，这些都为我国发展风能提供了基础条件。同时，地形地貌丰富多样，适合发展风电产业的地区遍布全国各地，为风电发展提供了广阔的市场前景。如东南沿海及其各岛屿、内蒙古和甘肃北部、黑龙江、吉林东部以及辽东半岛沿海、青藏高原、三北地区的北部和沿海、云贵川、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西山区等等这些地区都拥有者丰富的风力资源。这种良好的基础环境，成就了我国风力发电产业发展所取得的好成绩，从小规模的探索期到大规模推广的成熟期，我国风电发展正迎来全面推广的大发展局面，风电装机容量、风电建设规模更是在全面过大，发展速度日新月异。

随着互联网信息科技的不断进步，我国在风电产业发展中正在不断积极的推动着数字化、智能化的产业发展，并出台了如《积极推进“互联网+”行动指导意见》、《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》等系列文件和政策。这些政策和文件的出台，对我国智能制造的未来发展指出了清晰的道路。在国家大力的政策支持下，如航空、高铁等行业发展已经逐渐改变的传统的产业发展模式，正在向着更高水平的数字化水平发展。与航空、高铁等产业相比，我国风电产业发展的数字化进程也在不断加快。当前，已经实现了技术人员置身于控制中心，便能够通过远程监控设备监测上百公里以外的风电场所发生的一切异常情况。而且，风电产业在很多环节上通过运用大数据技术，呈现了数字化发展趋势。如智能风机已经具备了自我学习的能力，可以进行自由升级，实现风机之间的相互关联;通过监测设备的反应出来的大数据信息，人们可以通过数字化设备实现客户电力需求量与发电量的实时配比，进而更加准确的判断电力需求等等。可以说，在目前国家大力发展风电产业的势头上，未来风电产业发展的劲头会越来越足。

2 风电产业发展数字化的创新应用

在风电产业与数字化相融合方面，一方面要看准风电产品的更新换代速度，从而构建以数字化为基础的风电机组产品开发平台;另一方面，搭建风电数字化产业链，降低风电产业成本;再一方面，运用数字化技术增强风电产品的使用可靠性。

2.1风电产业数字化开发平台。进入到新时代以来，国内有关风电整机的各类产品层出不穷，更新换代速度明显加快，例如2MW产品平台，从2013年以来，几乎每年在行业内都会有一款全新的产品诞生，最大风轮直径从过去110m，逐渐增大至131m，风电塔筒的高度从过去的80m已经上升为150m甚至更高的高度，与此同时，各风电场的特定差异化设计现在也已逐渐变成了业内发展的一种趋势。为了更好的适应行业内风电机组产品更新速度的快节奏，必须实现自主创新能力的有效提升，加强创新构建高效且高质量的风电机组产品开发平台，并实现风电机组产品研发的周期优化。因此，在这种大形势的发展环境中，选择走数字化道路，创新数字化研发体系是风电行业发展的必然选择。

对于传统的风电机组设计和数据分析而言，整个工作过程在每一个阶段的状态都存在碎片化的缺点。一种款式的风电机组产品从开发到使用需要经历很多环节。概念设计、计算负荷、控制设计、零部件校准、机样测试等等很多个环节层层相叠。从而导致设计制造周期十分漫长，有的长达一年以上，这样的产品生产节奏实在难以适应新时代对风电产业发展的需要。针对此，风电行业内必须实现数字化创新研发体系的构建，例如：可以构建数字化仿真平台，以虚拟仿真环境为基础，进行风电样机的制作、试验、设计等步骤和环节。并且，数字化仿真平台还可以实现多学科并行设计，多领域可以同时协作进行设计，从初期的方案设计到负荷计算分析，再到部件选型设计和结构优化的高效并行开发，实现各个设计化解更加模块化。这种数字化仿真平台可以实现产品和样机的快速制作，从而提高了风电机组产品的制造成功率，更提高了风电机组产品的制造效率。

当然，风电机组产品的研发不能只看重效率，更要保证产品使用的可靠性。根据相关研究，行业内为了实现风电机组产品的可靠性，在数字化创新研发体系中，可以考虑引入航天系统中双归零模型，这种技术是通过数字化仿真来真实的反应产品中所反复出现的各种问题并准确定位出问题位置，挖掘出故障原因并进行故障分析。这也是数字化技术应用的创新点之一。在实际运行当中，风电机组会反应出十分复杂的各种数据参数，而设备所安装的数据传感器十分有限，在某种程度上，无法保证机组的设计和运行状态完全相同。比如，风电机组的任一叶片在安装后出现了安装角错位，导致机组运行产生异常现象，而风电机组的实际反应的震动数据依然在保护值内，这种情况便无法通过常规的检测手段来加以判定，导致故障无法第一时间进行定位和排除，致使机组长期处于亚健康运营状态。因此，通过数字化信息技术的有效融合，当一些数值或数据的值出现波动时，通过数字化仿真，就可以迅速的定位哪一部位出现故障，并根据数据显示对故障进行分析，并于实际参数相对照，进行智能化自我修复，从而第一时间纠正偏差，调整机器至健康运行状态下工作。

2.2搭建风电产业数字化链条。风力发电受到各种因素的影响，虽然我国近年来在风电产业上的发展可谓是日新月异，但是，仍然存在很多优势风能资源地区没有得到有效利用的现象，现如今，风力发电平价上网现已经成为了一种不可逆转的趋势，所以，行业内需要不断创新改革，运用更新的技术手段不断降低风电的度电成本。实现风电产业数字化，可以更高效、更精准的解决这一问题，从而提升风电产业的行业竞争能力。我们所强调的风电产业链条是集风能资源、风电整机、风电机组部件、风电场、电网等于一体的各种因素的有效链接。必须从风电机组数字化扩展到整个产业的数字化，这就好比在一个饭店内，简单的使用电子菜单点菜并不能算是数字化的实现，而应该从最开始的前端资源到最后的信息评价反馈的整条链都实现了数字化才能被真正称之为数字化。所以，风电行业产业链需要从风电场的选址开始，一直到最后的运维生命周期内，都要融入数字化技术。

在风电场的选址和开发阶段，通过大数据的精准分析，针对所要选址的风能资源、地貌地形特征进行详细的数据分析和研究，可以更准确地提高风能资源的评估精准度，从而帮助人们选择最适合最优质的风电机组机型和运营控制方案。同时，借助优化平台，可以实现微观选址的自主识别评优确优功能，并以风电场的地貌地形及风能资源的特性，建立更为优化的机组排列方案，从而实现大规模的定制化开发运营，最终在成本、时间、效率、集成度以及质量方面赢得最强优势。

此外，还可以通过数字化技术的融合来提高风电全生命周期。传统风电机组的设计使用周期寿命大约在20-25年，主要指的是陆上风电机组。这个理论值是以理想环境为基础而进行的初期设计评估而得到的，然而，在实际当中，风电机组在运行过程中所处于的自然环境是不断变化的，所以实际使用寿命未必能如理论值所述。针对此，数字化技术的渗透可以实现对反应数据的科学化评估，然后判定风电机组的周期寿命达到了什么样的程度，从而来进行方案调整，实现使用寿命的延长。在创新设计中，风电机组寿命预测数字化模型，可以载荷计算器为核心，在风电机组自运行数据的基础上，采用整机模型分析法及载荷传递机理，将二者之间建立起映射函数关系，做到对叶根、塔筒顶部荷载时序数据的实时获取，从而给变桨以及偏航系统承载提供基础的分析数据。此外，对于转动的零部件而言，有一点是明确的，那就是转速部件在风电机组设计寿命周期的转动次数，这一方面可以通过数据记录，对部件耗损度进行评估分析。在结构部件方面，实时记录和统计耗损数据，以评估和预测剩余周期寿命。最终提高整个风电机组系统的使用周期。

2.3创新数字化技术降成本。风电产业与小规模投资不同，其一旦投入建设、运营便涉及到建设工程费、安装费、人工费、机械成本费、运输费等等种类繁多的各类费用十分巨大。其中，设备及安装工程费、建设工程费、初期管理费用属于初始投资期间的费用，还不涉及到风电场的运营管理内容。而后期运营成本才是最大的支出和压力，所以，采用数字化风电产业运营方案可以更为有效的降低成本。一方面，数字化风电场可以将投资方的需求、目标、经验和设计院方面对风电场提出的约束条件以及设备上对风电机组等特性的十足把握等三方面的优势进行整合，并通过选址和定型，以高效的计算引擎为依托，以设计目标、模块生成为优势快速形成多套备选方案，从而更高效的注意设计目标，优化繁琐的设计工作变为对目标及约束条件的规划设计。

同时，对设备商来说，数字化的创新性融入能够激活整个风电制造产业的价值链整合，风电企业可以从产品设计、生产规划、运营管理、生产制造、运输销售等多个环节实现数字化，并进行无缝的数据平台建模。最终，形成以虚拟风电机组模型和现实风电机组镜像自动化为基础，经过对虛拟环境的仿真、优化及测验，进而实现整个设计流程或者企业流程的完美优化，打造一个高效的柔性生产产业链，实现了风电产品更新换代的快速且创新。与此同时，借助数字化技术的进步，设备商应根据现实需要加强自身的自主创新能力，进行品牌设计研究。第一，就成熟的风电产业链为依托，实现整机与发电机、齿轮箱、变流器等零部件的数字化联动设计;第二，还要懂得利用和整合社会中的多方资源，进行智能化设计、智能化制造和测试，实现核心的数字化风电产业的产业链。通过数字化技术的有效渗透，从设计、规划初期的成本考虑，到后期数字化管理运营，成本得到极大的节约是未来风电产业市场竞争的核心优势。

风电机组运行环境非常复杂，所以，机组产品运营的可靠性有着高标准的要求，从而来保证风电机组在整个运行周期内的安全性。在维修方面，传统风电机组发生某些故障，导致机组停止工作以后，需要工作人员付出巨大努力对风电机组进行故障的排查、诊断、调试和维修，而且还需要承担巨大的电量损失。而对于设备的运行维修来说，能够预判出机械故障，从而减少维修工作，是数字化技术融入以来的创新发展的重要环节。通过创新性的数字化风电机组邢影系统，可以在数字的世界里搭建一个风电机组运行模型，从而来实现传感器与实际风电机组状态的同步运行，实现了设备每运行一段时间，就可以传输出相应的历史数据，然后进行评估分析是否需要进行维护。当设备即将出现故障，第一时间进行短时间的介入，来减少维修时间，降低相应耗损，实现成本的有效控制。

3 结语

通过探讨数字化技术在风电产业中的有效应用，可以说，数字化技术在提高风电场发电量、降低风电成本方面大有可为，并通过该项技术的发展与渗透应用，可以帮助风电在未来的社会发展中及市场竞争中占据主动地位。而最重要的就是无论是风电企业、运营商、设备商等等都应该提高对数字化自主创新的重视程度，提高自己自主创新能力，以适应未来产品更新换代的快节奏步伐。

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