中游的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備論述

風(fēng)電作為一種清潔能源，備受各國關(guān)注，近年來，在降低碳排放、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，風(fēng)電行業(yè)實現(xiàn)了快速的發(fā)展。

通常，可以將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈分解為上游的零組件，中游的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以及下游的風(fēng)電運營三大部分。

本文將圍繞中游的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備開展論述，綜合的看一看 MATLAB/Simulink 所提供的解決方案。

從風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的生命周期視角出發(fā)，我們首先介紹在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的研發(fā)中 MATLAB/Simulink 的使用，然后介紹風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運維階段的使用情況。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的研發(fā)

基于模型的設(shè)計 （Model-Based Design， MBD）

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，不僅要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，還需要實現(xiàn)并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，整體上確保機(jī)組運行過程的安全性和可靠性，以及滿足機(jī)組的運行效率和發(fā)電質(zhì)量要求。

基于模型的設(shè)計方法是進(jìn)行這種復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的有效手段，適用于前面提到了優(yōu)化控制、并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制等復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，已經(jīng)在風(fēng)電行業(yè)得到了比較廣泛的應(yīng)用。

先來看看用戶是怎么說的——

“With Simulink and Embedded Coder， we can show our customers and grid operators a simulation that incorporates the actual code that will run in our power plant controller. That’s what grid operators want， and it gives Vestas an advantage over competitors who still use conventional approaches.” Per Hagen Nielsen， Vestas

參考案例： Vestas 采用基于模型設(shè)計方法和持續(xù)集成平臺開發(fā)風(fēng)電場控制軟件［1］

簡單來說，基于模型的設(shè)計是以模型為工程語言開展的工程設(shè)計。

其核心是對系統(tǒng)進(jìn)行模型化描述——建模，通過仿真，在系統(tǒng)設(shè)計初期就開展系統(tǒng)的確認(rèn)和測試活動；進(jìn)一步，采用自動代碼生成技術(shù)，將系統(tǒng)實現(xiàn)以及后續(xù)的集成測試、交付測試進(jìn)行自動化。

基于模型設(shè)計的工作流程可參考上圖左半部分，按照需求-設(shè)計-實現(xiàn)-集成的順序開展，過程中貫穿了測試和確認(rèn)活動，同時，基于模型設(shè)計與 V 流程的對應(yīng)關(guān)系可以參考圖示右半部分。

MathWorks 官方網(wǎng)站上，專門有一個系列視頻對基于模型的設(shè)計在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的開發(fā)的應(yīng)用進(jìn)行了說明：Developing Wind Power Systems Using MATLAB and Simulink［2］

正如視頻中展示的那樣，基于模型的設(shè)計使團(tuán)隊能夠使用仿真來更全面地測試和驗證系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更健壯的設(shè)計。

同時也可以看到，在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，可以對包含風(fēng)模型、葉片、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)、控制系統(tǒng)等多領(lǐng)域組件、完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模。

與這個視頻相對應(yīng)的完整模型文件，可以訪問 Wind Turbine Model［3］ 獲取。

更多視頻還有：Simulink 平臺下變速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與仿真實現(xiàn)［4］， 基于 MATLAB/Simulink 平臺的電力系統(tǒng)建模及控制系統(tǒng)設(shè)計［5］， Optimizing a Wind Turbine Blade Pitch Control System［6］

當(dāng)風(fēng)機(jī)的負(fù)載模型是通過其它工具搭建的時候，比如 Bladed、FAST，在 Simulink 下開發(fā)的控制模型也可以很好的與之集成，從而構(gòu)建完整的系統(tǒng)模型，開展后續(xù)的控制系統(tǒng)軟件開發(fā)和驗證等工作。

Simulink 與 Bladed 軟件的集成：參考 Bladed 的使用手冊（User Manual），我們可以了解到，通過Bladed的控制模塊，可以將負(fù)載模型線性化，并將線性化的輸出轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型，這樣就可以在 Simulink 中使用這個狀態(tài)空間模型做為負(fù)載模型開展完整的控制系統(tǒng)建模。

反之，當(dāng)我們在 Simulink 中完成了控制系統(tǒng)的算法設(shè)計，也可以通過 MATLAB/Simulink 提供的編譯工具，將控制算法模型生成可被 Bladed 調(diào)用的 dll。

同樣，對于在 FAST 開展的外部控制器設(shè)計，也可以在 Simulink 中完成。即將 FAST 的負(fù)載模型生成可在 Simulink 中使用的 S-Function，開展后續(xù)的控制系統(tǒng)的算法設(shè)計和實現(xiàn)。

NREL（National Renewable Energy Laboratory，美國可再生能源國家實驗室）發(fā)布的“Advanced Control Design for Wind Turbines ”［7］ 以及 FAST 的使用手冊［8］提供了更豐富的 Simulink 與 FAST 聯(lián)合開展風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的信息。

另外，當(dāng)開展風(fēng)機(jī)并網(wǎng)、脫網(wǎng)系統(tǒng)建模時，PSCAD 也是一個常用的工具，通過 MathWorks 提供的咨詢服務(wù)，可以將在 Simulink 下開發(fā)的復(fù)雜控制模型編譯成（Build）可在 PACAD 中直接使用的仿真組件，從而在 PSCAD 中開展確認(rèn)和驗證。

說到 MATLAB/Simulink 與其它工具的聯(lián)合使用，采用 FMI/FMU 的模型交換機(jī)制，是一個很好的解決方案。MATLAB/Simulink 通過 Simulink Compiler［9］ 工具，提供了對該項功能的支持。

作為支撐基于模型設(shè)計的核心技術(shù)——自動代碼生成，是保持詳細(xì)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)（軟件）一致的一項關(guān)鍵技術(shù)。

MathWorks 提供的代碼生成相關(guān)工具和軟件部署工具已經(jīng)非常豐富，支持面向 CPU/MCU/DSP 等的 C、C++ 的代碼生成，也有支持面向 GPU、PLC 的代碼生成工具，而面向可編程邏輯 FPGA 的 HDL 代碼生成工具也非常成熟。當(dāng)然，如果開發(fā)面向邊緣計算和云端的應(yīng)用，也有特定的工具提供支持。

在本公眾號下搜索“基于模型設(shè)計”， 您將獲取更豐富的有關(guān) MBD［10］ 的詳細(xì)內(nèi)容。

構(gòu)建基于模型設(shè)計的研發(fā)環(huán)境

從方法論的角度，我們比較容易把握基于模型設(shè)計（MBD）的基本原理和核心內(nèi)容，但將MBD完整地融進(jìn)企業(yè)的研發(fā)體系中，仍然存在很大的挑戰(zhàn)。

Vestas 作為風(fēng)電行業(yè)比較早使用 MATLAB/Simulink 開展工程研發(fā)的企業(yè)，它在建立 MBD 研發(fā)環(huán)境過程中獲取的經(jīng)驗，也許能為行業(yè)內(nèi)想要部署 MBD 的企業(yè)提供參考—— A Journey with Model Based Design ［11］

為了幫助用戶構(gòu)建MBD研發(fā)環(huán)境，MathWorks 在 2007 年就發(fā)布了題為 Establishing a Model-Based Design Culture ［12］ 的文章，在對多個行業(yè)部署 MBD 的觀察和經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了十條最佳實踐，可以作為企業(yè)構(gòu)建 MBD 研發(fā)環(huán)境的策略指導(dǎo)：

#1 - Identify the problem you are trying to solve

#2： “Rule of Two”

#3： Use models to generate production code

#4： Models are the sole source of truth

#5： Use the transition as a learning opportunity

#6： Focus on design instead of coding

#7： Integrate the development process

#8： Designate a champion who has influence and budgetary control

#9： Have a long-term vision

#10： Partner with tools suppliers

對于小型團(tuán)隊，How Small Engineering Teams Adopt Model-Based Design［13］ 是一個很好的操作指南；而來自 MathWorks 咨詢團(tuán)隊的 Roger Aarenstrup 編寫的 Managing Model-Based Design［14］ 一書，則可作為所有團(tuán)隊管理者的 MBD 參考手冊。

MBD 的方法和當(dāng)前研發(fā)團(tuán)隊采用的敏捷開發(fā)理念或流程也可以很好的融合——利用基于模型設(shè)計實現(xiàn)敏捷系統(tǒng)開發(fā)［15］。

MBD 可以將敏捷原則延伸到包括物理組件和軟件在內(nèi)的系統(tǒng)開發(fā)工作，與 Jenkins、Git 這樣的工具進(jìn)行集成，在 Simulink Project 項目管理工具的支持下，構(gòu)建出支持 CI/CD 開發(fā)實踐的、高度自動化的工具鏈/平臺。

持續(xù)集成（CI）用于 Simulink 模型驗證［16］這篇文章詳細(xì)闡述了相關(guān)的功能組件和 CI/CD 環(huán)境構(gòu)建過程。

MBD研發(fā)環(huán)境的構(gòu)建，不僅涉及工具層面的定制、研發(fā)流程方面的重新定義，也涉及跨團(tuán)隊/專業(yè)方面的協(xié)作機(jī)制制定（Team-Based Collaboration in Model-Based Design［17］），還會有改變研發(fā)方式所帶來的工程人員技能提升方面的工作。

可以說，MBD 研發(fā)環(huán)境構(gòu)建，是一項復(fù)雜的、涉及多種因素的系統(tǒng)工程，我們推薦采用分步實施的方式，逐層遞進(jìn)式的在團(tuán)隊內(nèi)部開展 MBD 的實施 —— Phased Approach to Model-Based Design Adoption［18］。

當(dāng)然，在構(gòu)建MBD研發(fā)環(huán)境方面，MathWorks 也提供咨詢服務(wù)幫助用戶快速完成研發(fā)轉(zhuǎn)型 —— Model-Based Design Process Establishment［19］。

再提系統(tǒng)仿真

實施 MBD 的一個基礎(chǔ)是需要有系統(tǒng)模型，而系統(tǒng)模型一方面可以用于開展基于 MBD 的嵌入式軟件開發(fā)，另外還有一個很重要的應(yīng)用就是構(gòu)建數(shù)字孿生模型，開展更為豐富的系統(tǒng)分析和確認(rèn)工作，包括設(shè)計優(yōu)化、系統(tǒng)參數(shù)估計、系統(tǒng)辨識等。

魁北克水電公司 （Hydro-Québec） ［20］建立風(fēng)機(jī)模型和并網(wǎng)模型，同時使用代碼生成進(jìn)行仿真加速（實時），與其它工具聯(lián)合，進(jìn)行并網(wǎng)方案的評估和確認(rèn)，其中的實時仿真讓大規(guī)模風(fēng)機(jī)并網(wǎng)仿真可以進(jìn)行。

西班牙能源集團(tuán)（Naturgy Energy Group S.A.，原西班牙天然氣公司）［21］， 利用系統(tǒng)仿真，在綜合考慮電力生產(chǎn)和電力消費背后的影響因素后，通過優(yōu)化電力生產(chǎn)和分配策略，獲取最大收益。

Senvion ［22］利用系統(tǒng)仿真開展模型的確認(rèn)活動，支持展示風(fēng)力發(fā)電廠對標(biāo)準(zhǔn)的符合性，如 IEC 61400-27。

談及風(fēng)電系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模仿真，往往涉及多個物理域：機(jī)械、電子/電氣、軟件…，也將會涉及到連續(xù)、離散、狀態(tài)機(jī)、消息、異步事件等仿真機(jī)制問題，我們推薦您使用 Simulink 來構(gòu)建系統(tǒng)模型。

Simulink 是支持復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的集成環(huán)境，不僅能夠覆蓋多個物理域、多種仿真機(jī)制，也提供了豐富的垂直應(yīng)用的模型庫，方便用戶快速構(gòu)建系統(tǒng)模型，同時，它也具有豐富的對外接口，可以將很多其它工具的已有成果，納入到 Simulink 的仿真框架里面來協(xié)同工作。

一般來說，復(fù)雜系統(tǒng)的建模和仿真往往涉及多個團(tuán)隊或多個不同領(lǐng)域工程師的協(xié)作，以及仿真效能問題。

Simulink 有很多特性和功能可以幫助使用者，在仿真性能、模塊化開發(fā)、團(tuán)隊協(xié)作以及知識共享方面提供支持，比如提供并行計算工具支持仿真加速，提供 Model Referencing［23］這樣的機(jī)制幫助實現(xiàn)模塊化開發(fā)，以及 Simulink Projects［24］，促進(jìn)不同領(lǐng)域或團(tuán)隊之間模型和數(shù)據(jù)的協(xié)同。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運維

隨著傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)據(jù)開展的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)已得到廣泛認(rèn)可。

相比以往的響應(yīng)式維護(hù)（Reactive Maintenance）和預(yù)防式維護(hù)（Preventive Maintenance）， 預(yù)測性維護(hù)（Predictive Maintenance）利用傳感數(shù)據(jù)追蹤設(shè)備狀態(tài)，實時采集、計算各類數(shù)據(jù)指標(biāo)，使設(shè)備故障在早期階段就能被發(fā)現(xiàn)，有效避免突發(fā)故障引起的各類維護(hù)成本。

韓國能源研究所（Korea Institute of Energy Research，KIER）［25］利用海上風(fēng)機(jī)有限數(shù)量傳感器的數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法，對風(fēng)機(jī)組件狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并進(jìn)行剩余壽命預(yù)測。

隨 MATLAB 發(fā)布的示例——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承的剩余壽命預(yù)測（RUL）［26］，比較完整的展示了從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提?。ㄊ褂昧嗣嫦蛐D(zhuǎn)機(jī)械常用的特征——譜峭度 kurtosis）、特征融合和降維，到RUL建模的全過程，感興趣的讀者也可以直接在 MATLAB 命令行下輸入 web（fullfile（docroot， ‘predmaint/ug/wind-turbine-high-speed-bearing-prognosis.html’）） 打開該示例獲取完整的操作程序和說明。

概括來說，MATLAB 在數(shù)據(jù)分析［27］方面，提供了面向數(shù)據(jù)應(yīng)用的完整工具鏈，覆蓋數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、建模以及部署。

對于預(yù)測性維護(hù)這樣的應(yīng)用，MATLAB 從 R2018a 版本開始提供專門的工具幫助用戶開發(fā)相關(guān)應(yīng)用 —— Predictive Maintenance Toolbox［28］。

“工欲善其事必先利其器”，高效便捷地開展數(shù)據(jù)分析離不開好的工具，MATLAB 豐富的 App 體系以及 Live editor task 這樣的功能，支持在不編寫代碼的情況下就開展各類數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)分析的效率，并大大降低開展數(shù)據(jù)分析的編碼工作量。

探索更多內(nèi)容

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）［29］、人工智能（AI）［30］、數(shù)字孿生（Digtial Twin）［31］、工業(yè)4.0（Industry 4.0） ［32］等這些與數(shù)字轉(zhuǎn)型相關(guān)的技術(shù)和概念也在深刻的影響著風(fēng)電行業(yè)，MathWorks在這些領(lǐng)域也在進(jìn)行著持續(xù)的投入，歡迎您與我們?nèi)〉寐?lián)系，深入探討相關(guān)話題，向您分享我們與眾多客戶深入?yún)f(xié)作所收獲的實踐經(jīng)驗，并提供我們的解決方案。

責(zé)任編輯：haq