全寿期控制技术的开发与应用实践

2021年10月17日-20日，2021北京国际风能大会暨展览会（CWP 2021）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题，历时四天，包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在19日上午召开的风电机组技术创新论坛上，新疆金风科技股份有限公司研发中心算法主任工程师刘磊发表了《全寿期控制技术的开发与应用实践》的主题发言。

以下为发言全文：

刘磊：各位风电行业的领导和同仁，大家上午好，我叫刘磊，来自金风科技的研发中心，下面由我来分享一下金风科技的全寿期控制技术。

我们在行业内的都知道“30·60”碳达峰、碳中和这样一个大的政策背景，在整个大的背景下新能源其实从替代能源逐步走向一个主力能源，那么在这个过程中我们有新的机遇，同时我们也面临一些新的挑战。

具体来说第一个问题，考虑到风电场设计完成之后，在整个风电项目运行过程当中，由于风资源的不确定性，运行环境的偏差，以及风电场的限电等因素的影响，风电机组的整个发电潜力是不是被充分的释放，这是机组实际运行过程中寿命的使用潜力问题。

第二个问题是随着碳中和时代的到来，整个电力市场从固定电价逐步变为浮动电价，在浮动电价的场景下，如何让风电机组通过更灵活的发电策略实现风电场收益最优。这里面临一个观念的转变，从发电量最优转变到发电收益最优。

第三个问题是我们现在有很多的机组已经接近或者是已经运行到20年这样一个现状，我们的一些老旧机组、老旧风电厂在进行改造，或者一些风电资产在进行转让的时候，如何快速精准的评估现在机组主要部件的使用寿命，从而为投资提供一个精准的决策。

那么围绕上述这几个问题其实金风科技一直在思考，在这个过程中我们投入大量资源进行了很多的基础研究，从而产出了这样一套全寿期控制的方案。这个技术方案是以我们的风机和高性能感知系统为基础，以高精度的数字孪生引擎为核心突破，在这个过程中我们有寿命监测系统，有健康度诊断预警系统，并且同时我们会结合金风天机电力交易辅助决策平台，最终汇总到一个全寿期的智能决策，在智能决策的基础上整个风电项目的收益进行一个提升。

那么在这个整个系统中，智能决策系统其实发挥了一个非常重要的作用，我们深刻地理解，业主其实最关注两方面，一方面是整个项目的安全运行，另一方面是整个项目的收益情况。整个的全寿期这样一个闭环控制和智能决策系统，它可以实现整个风电场在安全稳定运行的情况下，达到最优的收益。

我们接下来看一下全寿期控制技术在项目不同阶段的特性和价值。在风电场的设计阶段，我们会综合考虑风资源的特征，电价的政策，以及一些环境的制约因素，进行一个多学科的优化，以及电场的定制，使风电场的资源发挥到极致。

在风电场的运行阶段，我们会实时的闭环对机组的寿命消耗和可用剩余寿命进行实时监测，在这个过程中会自动的动态调整机组的运行策略，使它始终运行在最优模式。

在风电场的退役阶段，我们会结合机组实际的寿命消耗，以及机组健康度状态进行最优的退役策略设计，提供科学的依据。

下面我们来深入一个层次看一下全寿期控制的一些关键技术要素。和智能汽车一样，类似于智能驾驶，其实智能风机最关键、基础的一个要素是高性能的感知系统，金风科技在感知这一块其实一直在投入大量的精力做研发、集成。我们持续多年开发了很多高性能、低成本的传感器，使我们风机对外部环境以及对机组自身的状态感知的更加精准。

第二个关键要素是一个高精度的数字孪生引擎，金风科技从基础研究做起，独立自主开发了一套全新的风电机组气弹动力学数字孪生引擎GOLDFLEX，GOLDFLEX具备非常好的保真度、实时性和扩展性，它既可以用来进行超大型机组非线性气动结构动力学的设计，也可以用于边缘侧，进行高精度数字孪生虚拟实体的运行，它和物理实体实现双向的，高速的映射。

在数字孪生引擎的基础上我们继续开发了一系列风电机组关键部件在线损伤模型，涵盖了主要的结构部件，包括叶片、变桨，轴系、轴承以及塔架和螺栓等关键部件，通过寿命的模型我们对机组的关键部件可用寿命进行一个高精度监测。经过验证，我们整个寿命模型的精度可以达到95%以上。

这个高精度寿命评估结果会汇总到全寿期智能决策系统，智能决策系统会结合项目的剩余运行年限，以及电价政策、电价数据，还有电网和环境等约束条件，根据我们需求的经济指标来综合的做一个决策，使项目达到最优的经济指标。

整个智能决策系统它也是一个多目标的，业主可以定制优化目标，可以设置优化的经济目标是全生命周期总的收益最优，也可以是整个项目投资回收期最短，我们的业主可以定制优化目标，并且约束条件也是可以定制的。比如我们想让这个风电场尽快消耗寿命来达到最快的收益回收，可以把老旧风电厂在以后的三年到五年内快速消耗寿命，达到老旧机组的充分利用。

接下来我们来看一下全寿期控制典型的决策场景。第一种场景是我们的剩余寿命相对于剩余运行年限存在富余的情况。在这种情况下如果电价固定，我们的机组会进行一个主动的超发或者主动的延寿，如果这种情况下电价是浮动的，这个时候全寿期控制会在电价比较高的情况下超发，使寿命用在收益最好的地方。

另外一种情形是我们的寿命相对于剩余的运行年限存在不足的情况，这种不足可能是多方面原因引起的，一种原因可能是我们在设计过程中二十年风资源的订正是根据历史的二十年来进行的，但是实际未来的风不一定是这样的，假如项目运行周期实际的风参发生了变化，这个时候实际寿命和预期寿命其实发生了偏差，这个时候会主动调整寿命消耗频率，使风电场仍然能够安全稳定运行到设计寿命。

第二种寿命不足的情形可能是主动有意的造成，比如我们现在有些项目尤其国外一些项目它的电价其实整体趋势是向下的，这个时候我们的客户想尽快的收回投资收益，这种情况下会在项目初始阶段，进行一个略微激进的发电策略，这个时候让收益快速回收，在运行若干年达到收益目标之后，我们可以，切换一种运行模式，仍然使整个项目能够达成预期寿命。

下面我们来看两个具体的案例第一个是在我们澳洲的一个风电场，在设计阶段如果我们用传统的设计方式用单一的运行模式让机组去运行，在适应性分析阶段我们发现有37台机组是没有通过适应性，总的年发电量3144GWh，我们如果把风电场的风资源、机组载荷模型，机组设计包络约束以及多功率模式的约束边界输入到优化决策系统之后，最终我们达到的一个优化方案，所有机组都通过了适应性，并且产能达到3204GWh，在整个过程中保证机组适应性前提下产能提升了1.9%，这个风电场一共是两期，第一级已经并网稳定运行，第二级正在建设的过程当中。

第二个案例是在运行阶段的综合案例，在山西的一个项目，我们通过天机电力交易平台进行电价的预测，并且结合全寿期控制系统进行一个最优化的决策控制，这个项目达成的目标是整个发电量提升了10%，全年综合收益达成13%，收益增幅大于发电量，其实这个过程中结合电价变化达到了一个更好的收益。

值得一提的是，我们风电场全寿期控制属于金风智能风机“风至”平台的一个子项，我们“风至”平台包含六大功能模块，量厂定制，产能增效、柔性并网、安全控制，用户友好以及环境友好，并且在不停的进化，持续的演化过程中，未来会有更多的创新技术加入智能风机“风至”平台。

最后用一句话总结一下，未来虽远，目光更远，金风科技将与您携手踏上零碳新征程，驶向星辰大海，我的分享结束，谢谢大家。

 

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）