風(fēng)電作為一種清潔能源，備受各國(guó)關(guān)注，近年來(lái)，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(shí)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(yùn)營(yíng)三大部分。

本文將圍繞中游的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備開(kāi)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(yùn)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(jì) （Model-Based Design， MBD）

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

基于模型的設(shè)計(jì)方法是進(jìn)行這種復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)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(lái)看看用戶(hù)是怎么說(shuō)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(jì)方法和持續(xù)集成平臺(tái)開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)控制軟件［1］

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基于模型的設(shè)計(jì)是以模型為工程語(yǔ)言開(kāi)展的工程設(shè)計(jì)。

其核心是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型化描述——建模，通過(guò)仿真，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就開(kāi)展系統(tǒng)的確認(rèn)和測(cè)試活動(dòng)；進(jìn)一步，采用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及后續(xù)的集成測(cè)試、交付測(cè)試進(jìn)行自動(dòng)化。

基于模型設(shè)計(jì)的工作流程可參考上圖左半部分，按照需求-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-集成的順序開(kāi)展，過(guò)程中貫穿了測(cè)試和確認(rèn)活動(dòng)，同時(shí)，基于模型設(shè)計(jì)與 V 流程的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以參考圖示右半部分。

MathWorks 官方網(wǎng)站上，專(zhuān)門(mén)有一個(gè)系列視頻對(duì)基于模型的設(shè)計(jì)在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的開(kāi)發(fā)的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)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(jì)使團(tuán)隊(duì)能夠使用仿真來(lái)更全面地測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更健壯的設(shè)計(jì)。

同時(shí)也可以看到，在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，可以對(duì)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(gè)視頻相對(duì)應(yīng)的完整模型文件，可以訪問(wèn) Wind Turbine Model［3］ 獲取。

更多視頻還有：Simulink 平臺(tái)下變速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與仿真實(shí)現(xiàn)［4］， 基于 MATLAB/Simulink 平臺(tái)的電力系統(tǒng)建模及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［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(guò)其它工具搭建的時(shí)候，比如 Bladed、FAST，在 Simulink 下開(kāi)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(kāi)展后續(xù)的控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證等工作。

Simulink 與 Bladed 軟件的集成：參考 Bladed 的使用手冊(cè)（User Manual），我們可以了解到，通過(guò)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(gè)狀態(tài)空間模型做為負(fù)載模型開(kāi)展完整的控制系統(tǒng)建模。

反之，當(dāng)我們?cè)?Simulink 中完成了控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)，也可以通過(guò) 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(duì)于在 FAST 開(kāi)展的外部控制器設(shè)計(jì)，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(kāi)展后續(xù)的控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

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

另外，當(dāng)開(kāi)展風(fēng)機(jī)并網(wǎng)、脫網(wǎng)系統(tǒng)建模時(shí)，PSCAD 也是一個(gè)常用的工具，通過(guò) MathWorks 提供的咨詢(xún)服務(wù)，可以將在 Simulink 下開(kāi)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(kāi)展確認(rèn)和驗(yàn)證。

說(shuō)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(gè)很好的解決方案。MATLAB/Simulink 通過(guò) Simulink Compiler［9］ 工具，提供了對(duì)該項(xiàng)功能的支持。

作為支撐基于模型設(shè)計(jì)的核心技術(shù)——自動(dòng)代碼生成，是保持詳細(xì)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（軟件）一致的一項(xiàng)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(kāi)發(fā)面向邊緣計(jì)算和云端的應(yīng)用，也有特定的工具提供支持。

在本公眾號(hào)下搜索“基于模型設(shè)計(jì)”， 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(jì)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(jì)（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(kāi)展工程研發(fā)的企業(yè)，它在建立 MBD 研發(fā)環(huán)境過(guò)程中獲取的經(jīng)驗(yàn)，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(hù)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(duì)多個(gè)行業(yè)部署 MBD 的觀察和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了十條最佳實(shí)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(duì)于小型團(tuán)隊(duì)，How Small Engineering Teams Adopt Model-Based Design［13］ 是一個(gè)很好的操作指南；而來(lái)自 MathWorks 咨詢(xún)團(tuán)隊(duì)的 Roger Aarenstrup 編寫(xiě)的 Managing Model-Based Design［14］ 一書(shū)，則可作為所有團(tuán)隊(duì)管理者的 MBD 參考手冊(cè)。

MBD 的方法和當(dāng)前研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用的敏捷開(kāi)發(fā)理念或流程也可以很好的融合——利用基于模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)敏捷系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)工作，與 Jenkins、Git 這樣的工具進(jìn)行集成，在 Simulink Project 項(xiàng)目管理工具的支持下，構(gòu)建出支持 CI/CD 開(kāi)發(fā)實(shí)踐的、高度自動(dòng)化的工具鏈/平臺(tái)。

持續(xù)集成（CI）用于 Simulink 模型驗(yàn)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(guò)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(duì)/專(zhuān)業(yè)方面的協(xié)作機(jī)制制定（Team-Based Collaboration in Model-Based Design［17］），還會(huì)有改變研發(fā)方式所帶來(lái)的工程人員技能提升方面的工作。

可以說(shuō)，MBD 研發(fā)環(huán)境構(gòu)建，是一項(xiàng)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(shí)施的方式，逐層遞進(jìn)式的在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部開(kāi)展 MBD 的實(shí)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(xún)服務(wù)幫助用戶(hù)快速完成研發(fā)轉(zhuǎn)型 —— Model-Based Design Process Establishment［19］。

再提系統(tǒng)仿真

實(shí)施 MBD 的一個(gè)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(kāi)展基于 MBD 的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，另外還有一個(gè)很重要的應(yīng)用就是構(gòu)建數(shù)字孿生模型，開(kāi)展更為豐富的系統(tǒng)分析和確認(rèn)工作，包括設(shè)計(jì)優(yōu)化、系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)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(shí)使用代碼生成進(jìn)行仿真加速（實(shí)時(shí)），與其它工具聯(lián)合，進(jìn)行并網(wǎng)方案的評(píng)估和確認(rèn)，其中的實(shí)時(shí)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(fèi)背后的影響因素后，通過(guò)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(kāi)展模型的確認(rèn)活動(dòng)，支持展示風(fēng)力發(fā)電廠對(duì)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(jí)建模仿真，往往涉及多個(gè)物理域：機(jī)械、電子/電氣、軟件…，也將會(huì)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(wèn)題，我們推薦您使用 Simulink 來(lái)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(gè)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(kù)，方便用戶(hù)快速構(gòu)建系統(tǒng)模型，同時(shí)，它也具有豐富的對(duì)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(lái)協(xié)同工作。

一般來(lái)說(shuō)，復(fù)雜系統(tǒng)的建模和仿真往往涉及多個(gè)團(tuán)隊(duì)或多個(gè)不同領(lǐng)域工程師的協(xié)作，以及仿真效能問(wèn)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(kāi)發(fā)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及知識(shí)共享方面提供支持，比如提供并行計(jì)算工具支持仿真加速，提供 Model Referencing［23］這樣的機(jī)制幫助實(shí)現(xiàn)模塊化開(kāi)發(fā)，以及 Simulink Projects［24］，促進(jìn)不同領(lǐng)域或團(tuán)隊(duì)之間模型和數(shù)據(jù)的協(xié)同。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)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(kāi)展的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的預(yù)測(cè)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(cè)性維護(hù)（Predictive Maintenance）利用傳感數(shù)據(jù)追蹤設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集、計(jì)算各類(lèi)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(lèi)維護(hù)成本。

韓國(guó)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(duì)風(fēng)機(jī)組件狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)。

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(cè)（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(guò)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(kāi)該示例獲取完整的操作程序和說(shuō)明。

概括來(lái)說(shuō)，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(duì)于預(yù)測(cè)性維護(hù)這樣的應(yīng)用，MATLAB 從 R2018a 版本開(kāi)始提供專(zhuān)門(mén)的工具幫助用戶(hù)開(kāi)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(kāi)展數(shù)據(jù)分析離不開(kāi)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(xiě)代碼的情況下就開(kāi)展各類(lèi)數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)分析的效率，并大大降低開(kāi)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(hù)深入?yún)f(xié)作所收獲的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并提供我們的解決方案。

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