由数字孪生驱动的智能风力发电机开发

风电行业面临的挑战

风力发电是世界上增长极为快速的可再生能源之一。然而，在过去十年的快速发展之后，风电行业面临着巨大的工程挑战，其经济效益也深受质疑。平准化度电成本 (LCOE) 是业界认可的一种新能效衡量标准，该标准力图以一致的基础来比较不同的发电方法。LCOE 成本的计算方法是，用生命周期内发电资产的建设和运营成本除以生命周期内的电力产出。为降低此成本，风力发电机制造商必须努力地持续创新，开发更大、更轻、更智能的风力发电机。其目标是降低生产、运营和维护成本以及提高单位发电量。

风电场是风电行业面临的另一项挑战。在过去 20 年中，人们使用的传统高速风电场资源已达到了极限。因此，行业迫切需要勘探最小风速约为每秒 5 至 5.5 米的低速风电场资源。

风电行业已经进入了新的低速时代。企业必须在开发新产品时考虑这些因素并解决它们带来的众多工程挑战。

工程挑战

风力发电机是受随机瞬态气动激励影响的大型柔性结构。它的核心组件包括叶片、塔筒、直驱电机和齿轮箱。受复杂动态载荷的影响，组件有时会发生故障，而故障率是影响生命周期成本的重要因素。可靠性始终是风力发电机设计过程中的一项重要要求。

传统的风力发电机开发过程彼此单独进行，对这些机器的可靠性造成了负面影响。一方面，在设计过程中，风荷载分析与结构设计彼此脱节，工程师不得不做出许多假设，而这些假设有时并不恰当。另一方面，控制程序设计过程与结构设计过程也彼此脱节。控制程序设计人员必须根据给定载荷对结构响应做出假设。受技术资源的限制，结构设计师往往无法快速确定真实的结构响应。

这个问题在低速风电市场尤为严重，因为涡轮叶片要长得多，塔筒可能高达 120 至 140 米，导致涡轮机对动态载荷更加敏感。精确预测风力发电机的动态响应是产品开发的关键。创建高精度的整机数字仿真模型是预测机器动态响应的基本任务。

大型风力发电机的结构非常复杂，具有许多零件和复杂的表面。无论是在建模效率方面还是计算效率方面，传统的有限元仿真都无法满足快速开发的要求。因此，必须参数化和简化模型以便为完整的机器动态性能仿真做好准备。

除了在设计单台风力发电机时遇到的挑战外，制造商还必须考虑如何对使用多台发电机的风电场进行整体控制。降低 LCOE 的一个重要方法是使用传感器技术实时监测风力和风向，然后使用优化算法调整风电场中的所有发电机，从而实现理想的发电效率和安全运行。数字孪生是一种可对物理产品的真实属性和性能进行准确复制和仿真的智能虚拟模型。通过使用数字孪生，可以对物理系统进行合适的仿真和智能控制。

三一重能的选择

自 2016 年以来，三一重能的产品开发团队一直在开发用于预测动态载荷的新方法以及面向产品平台的数字化设计方法，并通过优化现有产品的机械性能和控制策略为运维提供支持。

团队建立了完整、成熟、高效的数字仿真流程，并利用软件进行外部风荷载计算和后续的零件结构强度分析。在此过程中，关键的一步是预测整机的动态响应。为此，三一重能比较了市面上的几种技术解决方案，并决定实施 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter™ 解决方案，包括用于数字仿真建模的 Simcenter Samcef™ Wind Turbines 软件和用于预测整机动态响应的 Simcenter Samcef 求解器。

Simcenter Samcef Wind Turbines 是用于开发风力发电机系统的专业解决方案。三一重能使用该软件创建高精度仿真模型，而且这些模型可以支持整个开发周期（包括概念设计、详细设计、原型或修改后的模型开发、认证、故障排除和其他任务），从而使传统上孤立的设计流程协调一致。

高精度的整机模型提供了重要的价值。首先，它通过在环仿真支持来提高仿真质量。三一重能可以快速、精确地导入实际的风电场负荷并计算动态响应，为优化风力发电机结构和控制系统提供帮助。此外，模型还可以由控制系统命令驱动，并通过调整相关参数来快速获得控制响应。

非线性是风力发电机仿真的另一项复杂因素。对于风力发电机等大型柔性机构，较大的旋转和变形会导致仿真不准确。三一重能使用 Simcenter Samcef 求解器的非线性多体仿真功能来更精确地计算动态载荷。

Simcenter Samcef Wind Turbines 的一项关键功能是涡轮机的参数化建模。借助参数化模型，设计人员能够轻松比较和验证不同的设计或修改现有设计，无需执行复杂而又费时的模型重建工作。因此，他们缩短了开发周期并降低了成本。该软件还包含了可简化风力发电机认证的工具，使三一重能可以快速执行监管机构要求的成套标准计算和报告。

数字孪生和智能风力发电机

三一重能还对风力发电机的运行和维护流程实施了智能控制。当天气状况恶化或远程监控系统发送实时消息时，三一重能的运维团队可以快速预测状态并制定理想的控制策略或维护计划，从而提高整体风电场效率，在避免风力发电机发生故障的同时延长发电时间。这种智能运行和维护显著降低了 LCOE。

三一重能利用 Simcenter 解决方案取得了积极的成果。借助从前沿仿真中获得的见解，该公司能够将风力发电机和风电场的效率提高 50%，并将预计的 LCOE 降低 10% 以上。

三一重能的 CAE 仿真经理吴胜飞说，“在瞬息万变、巨型企业众多的风电行业，三一重能取得成功的关键是充分利用数字孪生等智能技术提高开发效率和产品可靠性，从而降低 LCOE 并为我们的超低风速产品战略提供支持。”“Siemens Digital Industries Software 提供的 Simcenter 3D 在此过程中发挥了关键作用。”