1、MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED大型化机组全寿命周期载荷评估和控制系统明阳智慧能源集团股份公司黄蓉 控制算法室 副主任2023.0401全寿命周期载荷预估02疲劳损伤在线预测03模型训练04健康度监测系统05动态优化控制系统MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED明阳使命:创新清洁能源，造福人类社会我国陆上风电已经全面进入平价时代，伴随着风机的大型化，风力发电机组在运行过程中存在振动或者外部自然环境的影响，所承受的载荷不确定，导致风力发电机组疲劳问题很复杂。风载是风电机组的外部载荷来源，由于风的随机性，风电机组的受载状态很复杂

2、，载荷交变特性明显，因此需要对在役机组关键部件进行疲劳损伤预测，为开发更有利于机组安全稳定运行的控制策略提供依据，具有重要的研究意义。课题背景明阳智能不仅在设计现代大型风力发电机组的部件过程中，深入分析疲劳载荷，采用先进高效的降载控制策略；而且采用先进可靠的载荷测量系统，对在役机组进行疲劳检测，开发基于载荷寿命预估的先进算法，并建立风电机组整机及子部件的健康监测模型，保证机组运行的稳定性，进行动态功率调度优化，实现全场发电量最优，攻破平价时代风电大基地开发建设经济性难题。01全寿命周期载荷预估MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED疲劳损伤是机械结构部件和零件的主

3、要失效形式，通常机械部件会受不同强度的周期性波动载荷，建立部件可靠的累积损伤模型，可以有效提高疲劳寿命的预测精度。风力发电机组的使用寿命主要取决于主要零部件的疲劳寿命，如叶片、塔筒、轮毂、偏航等；为了估算出各个部件的疲劳寿命，则需要获取其相应的载荷幅值，进而获得应力幅值分布，再结合疲劳寿命曲线进行寿命估算。疲劳损伤预估可根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则进行计算，当累积疲劳损伤值等于1时，部件发生疲劳破坏，即：，式中：为第i个载荷循环幅值区间内的循环个数，由雨流计数法得到；为对应的疲劳破坏循环次数，由S-N曲线得到。01 全寿命周期载荷预估MINGYANG SMART ENERG

4、Y GROUP LIMITED动态仿真不同风况时间序列改进的雨流计数法计算载荷循坏次数、平均应力和应力范围产生部件疲劳载荷谱NSSn1Sn2N2N1疲劳损伤计算1.0iiinNiniNMINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED01 全寿命周期载荷预估MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED01采 集 及 处 理 数 据每个风电场选择一台机组作为标杆机组标杆机组，在标杆机组的叶根、塔筒顶部、塔筒底部安装光纤载荷传感器，测量三个部件的弯矩载荷。每个风场的升压站安装一台高性能服务器高性能服务器，以采集、存储全场机组的运行数据，其中运行数据包括

5、发电机功率、发电机转速、三个叶片的桨距角、机舱前后加速度、机舱侧向加速。高性能服务器将全场机组的运行数据按照10分钟划分，统计每台机组运行数据的10分钟统计值，10分钟统计值包括最大值、最小值、变化范围（最大值减去最小值）、平均值、标准差。02在 线 计 算 疲 劳 损 伤 值标杆机组的主控PLC利用改进的雨流计数法，将实时测量得到的各个部件载荷数据按10分钟分段，转化成各个部件载荷的雨流计数结果，根据各个部件的材料对应的S-N曲线、各个部件载荷的雨流计数结果，计算得到10分钟内各个部件的疲劳损伤值。载荷采集设备运行状态与部件载荷损伤深度学习训练MINGYANG SMART ENERGY GR

6、OUP LIMITED01 全寿命周期载荷预估MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED采 集 及 处 理 数 据MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED02004006008000166005400Blade root 1 MyBlade root 2 MyBlade root 3 MyBlade root 1 MxBlade root 2 MxBlade root 3 MxTime s1E-131E-121E-111E-101E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-

7、30.01S_VsprBlade1MxAFDS_VsprBlade1MyAFDS_VsprBlade2MxAFDS_VsprBlade2MyAFDS_VsprBlade3MxAFDS_VsprBlade3MyAFDS_VsprHubMxAFDS_VsprHubMyAFDS_VsprTowerTopMxAFDS_VsprTowerTopMyAFD4680 S_VsprBlade1MxAFD S_VsprBlade1MyAFD S_VsprBlade2MxAFD S_VsprBlade2MyAFD S_VsprBlade3MxAFD S_VsprBlade3MyAFD S_V

8、sprHubMxAFD S_VsprHubMyAFD S_VsprTowerTopMxAFD S_VsprTowerTopMyAFDWind Speed m/s02疲劳损伤在线预测MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITEDMINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED02 疲劳损伤在线预测基于样机的大部件载荷，利用机器学习在线神经网络训练方式，衍生机器学习数字模型，建立样机载荷与机群的镜像关系，映射至其他机组，通过累积算法估算部件极限载荷和寿命，所有机组能够监测自身载荷评估与寿命预测，实现机群健康水平计算及寿命评估，有效将单机的控制系统升级为

9、智慧场群控制系统。MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED02 疲劳损伤在线预测基于标杆机组安装的载荷传感器获取准确的部件载荷，经过雨流计算得到各部件的疲劳损伤值。然后，以机组的运行数据作为输入，各部件的疲劳损伤值作为输出，训练优化神经网络模型，以此来预测非标杆机组的部件疲劳损伤。Input 10min内风速最大值 10min内风速变化范围 10min内功率平均值 10min内发电机转速最小值 10min内桨距角最大值 10min内桨距角变化范围 10min内塔架前后加速度标准差 10min内塔架侧向加速度标准差Output 叶根Mx损伤值 叶根My损伤 叶根摆振

10、损伤值 叶根挥舞损伤值 轮毂Mz损伤值 轮毂My损伤值 塔基Mx损伤值 塔基My损伤值 塔顶Mx损伤值 塔顶My损伤值03模型训练MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITEDMINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED03 模型训练选取某风场标杆机组采集的部件载荷数据和相关运行变量数据，采用神经网络算法建立疲劳损伤预测模型。叶片My轮毂Mz部件平均绝对百分比误差（MAPE）/%叶根1Mx5.3My0.83叶根2Mx3.87My0.65叶根3Mx4.37My1.75塔基Mx0.43My0.77轮毂Mz1.09My0.41塔顶Mx0.82My0.

11、6叶片Mx轮毂MyMINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED03 模型训练子部件数字模型是基于神经网络模型建立，即数据预处理，模型训练和模型测试。数据预处理阶段对数据进行筛选、统计量计算等；模型训练阶段采用神经网络训练方式获得模型结构和参数；模型测试阶段通过将现场数据输入模型中，测试模型误差风机系统齿轮箱齿轮箱前轴承齿轮箱主轴承齿轮箱后轴承发电机发电机前轴承发电机后轴承发电机绕组油泵系统A2口压力A3口压力A4口压力齿轮箱油温数据预处理模型训练模型测试04健康度监测系统MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITEDMINGYANG SMART

12、 ENERGY GROUP LIMITED04 健康度监测系统明阳智能利用载荷测量系统对在役机组进行疲劳检测，并开发了基于载荷寿命预估的先进算法，进行动态功率调度优化，保证机组运行的稳定性，提升全场发电量。通过对机组主要部件的模态分析计算，评估机组电气部件、机械部件的核心监测指标，从而建立风电机组整机及子部件的健康监测模型，根据风电机组子部件工作条件分析及实时状态监测进行机组子部件的健康度评估分析，通过机组主控系统、SCADA系统、集控系统三位一体对机组部件健康状态实时监测，建立整体的机组健康度监测系统。健康度监测系统，尽可能的提高机组的利用率，同时尽可能地将维护工作安排在小风天，减少维护发电

13、量损失，减少维护成本，降低维护人员无效工作时间，减少现场备件量，同时又能保证备件及时性，实时监测、评估风电机组部件的健康状态变得尤为重要，只有通过实时监测到风电机组部件的健康状态，才能为备件计划、人员调动安排等提供依据，减少风电场的运营维护成本。MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED04 健康度评估系统健康度评估系统示意图MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED04 健康度评估系统入口风场选择风场所有机组最新的运行模式及健康度健康度后三名机组风场近10日平均健康度变化趋势健康度分布情况风场近24小时平均健康度变化趋势MINGYANG

14、 SMART ENERGY GROUP LIMITED04 健康度评估系统通过实时互联数据平台，利用大量的监测数据定义合理的健康指标，深入挖掘对多个相关变量参数进行综合分析，并由此建立起各关键部件及风电机组整体健康度评估模型，实现风电机组在线健康度评估。在风力发电机组部件发生非致命性故障时，如温度传感器损坏等，机组不会立即停机导致电量损失，而是进入到机组亚健康模式运行以表明机组处于带病运行状态，同时在告警界面推送故障子部件信息；系统处于亚健康运行模式时将根据故障严重程度对机组运行做出相应功能限制以确保机组在安全状态下运行，亚健康运行模式只是为保障项目收益的一种过渡性运行状态，现场维护人员应在系

15、统处于亚健康运行模式时尽快确认故障信息并及时维修、更换相应故障部件以保证机组恢复到正常运行状态。亚健康模式下每个限制等级均有运行预设时间，待预设时间达到后系统将自动停机（定时器将发送冗余失效信号给故障检测系统）。05动态优化控制系统MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITEDMINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED05 动态优化控制系统风电场内机组设计采用的风资源参数通常是包络住最为恶劣的机组，即存在多数机组风资源较为温和的，其实际累计损伤较小，属于健壮群体健壮群体；现场实际运行中，机组面临的风资源与设计参数也会存在差异。因此，有效监测机

16、组的大部件，如叶片，轮毂，塔架的寿命，从而更为智慧指导机组动态调整发力。另外，部分电气部件的健康度水平状态监测，有助于提前预警。对于健康状态良好的机组，在确保机组可靠性和关键部件寿命安全的情况下，通过柔性功率动态控制实现寿命调度，充分挖掘其自身发电能力，保障风电场全生命周期的经济效益最优。对于亚健康的机组，则需要进行功率控制，降低机组载荷，保证机组的安全稳定性。MINGYANG SMART ENERGY GROUP LIMITED05 动态优化控制系统以明阳智能某南方试验风场为例，明阳智能部署了载荷寿命预估及功率调度系统，在部件载荷剩余寿命充足的情况下可以做到超发。载荷预估等级为A代表剩余寿命较长，可以适当超发；举例来说，如当前机组正常额定功率为3000kW，超发100kW，即额定功率可以达到3100kW。通过对部署系统前后各3个月的对比，装备此系统可以明显提升风电场提升风电场发电量发电量1 1.5 5%，且风电场可以通过功率调度配置智慧规划风机寿命，保证风机顺利服役20年。THANKS！