房方，梁棟煬，劉亞娟，胡陽，劉吉臻

（1.華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）

0 引言

全面貫徹新發(fā)展理念，大力發(fā)展可再生能源，建設(shè)綠色低碳、安全高效的能源體系已成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的核心目標(biāo)。在電力領(lǐng)域，全面推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電大規(guī)模開發(fā)，提高電網(wǎng)對高比例可再生能源的消納和調(diào)控能力，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要支撐。

我國風(fēng)資源富集于三北以及沿海地區(qū)。隨著陸上風(fēng)電建設(shè)趨于飽和，東部沿海地區(qū)的海上風(fēng)電成為最具潛力的增量市場。海上風(fēng)資源豐富，風(fēng)切變較小，風(fēng)能質(zhì)量高；海上風(fēng)電靠近東部沿海地區(qū)的用電負(fù)荷中心，便于就近消納；海上風(fēng)場不受交通運輸、城鄉(xiāng)用地影響，適合大規(guī)模開發(fā)。因此，大力發(fā)展海上風(fēng)電對于緩解我國能源供需逆向分布矛盾，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加快新型電力系統(tǒng)建設(shè)意義重大[1]。

相較于丹麥、德國、英國等國家，我國海上風(fēng)電雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛。2021 年，江蘇如東新增海上風(fēng)電裝機容量300萬kW，總?cè)萘窟_(dá)到483 萬kW，成為亞洲最大海上風(fēng)電場群[2]。同年12月，我國首個百萬千瓦海上風(fēng)電項目——三峽陽江沙扒海上風(fēng)電場實現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電[3]。國家能源局最新數(shù)據(jù)顯示，截至2021年年底，我國海上風(fēng)電新增裝機容量1 690 萬kW，累計達(dá)到2 639 萬kW，海上風(fēng)電裝機規(guī)模超過英國，躍居世界第一[4]。根據(jù)彭博新能源、全球風(fēng)能理事會等機構(gòu)預(yù)測，未來幾十年，全球海上風(fēng)電仍將保持強勁的發(fā)展態(tài)勢。

相較于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境下，面臨著一系列新的技術(shù)難題[5-8]。同時，海上風(fēng)電前期的工程投資和后期的運維成本更高。特別是自2022年起新增并網(wǎng)海上風(fēng)電項目不再享受國家補貼，全面進(jìn)入平價時代后，迫切需要通過壓縮整體造價(整機、建設(shè)和運維等成本)和提高發(fā)電效率[9]來進(jìn)一步降低度電成本。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，依賴于關(guān)鍵技術(shù)突破和全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，其中，智能控制與運維技術(shù)創(chuàng)新將為海上風(fēng)電降本增效提供重要驅(qū)動力。

1 海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢

海上風(fēng)電機組按主軸方向可分為水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組，按照基礎(chǔ)類型可分為固定式和漂浮式風(fēng)電機組，本文主要關(guān)注主流的水平軸固定式和漂浮式海上風(fēng)電機組的發(fā)展。

1.1 大容量與規(guī)模化

使用大容量海上風(fēng)電機組可大幅度減少機位，降低基礎(chǔ)建設(shè)造價；海上風(fēng)場的大規(guī)模、集約化開發(fā)可降低海纜鋪設(shè)、換流站建設(shè)及后期運維成本，是攤薄海上風(fēng)電度電成本的關(guān)鍵措施。同時，大容量風(fēng)電機組具有更大的掃風(fēng)面積，通過搭載先進(jìn)的運行控制系統(tǒng)，發(fā)電效率也會更高。

當(dāng)前，國外大容量海上風(fēng)機的研究已從美國可再生能源實驗室的5 MW 機型[10]、丹麥科技大學(xué)的10 MW 機型[11]發(fā)展到國際能源署發(fā)布的15 MW 海上風(fēng)電機型[12]。我國5～8 MW 海上風(fēng)電機組已實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運行，8～10 MW海上風(fēng)電機組已實現(xiàn)批量應(yīng)用或示范運行[13]，10 MW 以上的更大容量機型也相繼發(fā)布。表1 匯總了國內(nèi)外整機制造商最新發(fā)布的部分大容量型號風(fēng)機，涵蓋固定式與漂浮式，涉及雙饋、永磁直驅(qū)和半直驅(qū)3種技術(shù)路線。

表1 國內(nèi)外整機廠商最新發(fā)布的大容量海上風(fēng)電機組Tab.1 The latest large megawatt offshore wind turbines released by domestic and foreign original equipment manufacturers

海上風(fēng)場發(fā)展中，江蘇如東已經(jīng)建成包含三峽、中廣核、國電投等投資的11個海上風(fēng)電場集群項目，成為亞洲最大海上風(fēng)電場群[2]；江蘇大豐國內(nèi)離岸最遠(yuǎn)海上風(fēng)電場實現(xiàn)并網(wǎng)運行；廣東陽江實現(xiàn)國內(nèi)首個百萬千瓦海上風(fēng)電全容量并網(wǎng)[3]。圖1為近年來我國海上風(fēng)電裝機容量的發(fā)展趨勢(數(shù)據(jù)來自國家能源局)。同時，在山東、江蘇和廣東等沿海省份相繼出臺的“十四五”規(guī)劃中均明確提出要打造千萬千瓦級海上風(fēng)電基地，加快推動海上風(fēng)電集中連片開發(fā)[14]。

圖1 我國海上風(fēng)電裝機容量Fig.1 Installed offshore wind power capacity of China

1.2 深遠(yuǎn)海與漂浮式

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，未來幾年內(nèi)我國近海(水深＜60 m)固定式海上風(fēng)電的可開發(fā)資源將趨于飽和。在水深大于60 m的海域，固定式海上風(fēng)電的基礎(chǔ)建設(shè)成本將呈指數(shù)增長，不再具備成本優(yōu)勢。國家氣候中心數(shù)據(jù)顯示，我國深海風(fēng)資源總量約10億kW，是近海風(fēng)資源的近2倍，發(fā)展?jié)摿薮骩15]。而大容量漂浮式風(fēng)機技術(shù)將成為海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海的突破口。

技術(shù)研究方面，為支持海上風(fēng)電工程的設(shè)計和分析，國際能源署已經(jīng)于2007—2019年先后完成海上代碼比較協(xié)作項目OC3[16]及延續(xù)項目OC4[17]和OC5[18]。其中，OC3(固定式和立柱漂浮式風(fēng)機)和OC4(半潛浮式風(fēng)機)主要通過海上風(fēng)電機組的模擬響應(yīng)來進(jìn)行仿真軟件代碼間的比較，以驗證不同耦合建模工具的準(zhǔn)確性；OC5項目(半潛式)則將工作擴展到通過對比模擬響應(yīng)與實際測量值來驗證建模工具，觀察建模工具與測量數(shù)據(jù)間的差異；2019—2023年進(jìn)行的OC6項目將更有針對性地進(jìn)行海上風(fēng)電系統(tǒng)工程級建模工具、高精度建模工具與實測數(shù)據(jù)三方之間的對比驗證，目前已經(jīng)完成前2個階段工作[19]。

實際工程中，2009 年，挪威首臺立柱(Spar式)漂浮式風(fēng)機的成功安裝開啟了漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展的序幕，在此之后葡萄牙、日本、英國、法國等國家相繼開展漂浮式海上風(fēng)電的示范項目[20]。我國的風(fēng)電制造企業(yè)，如金風(fēng)科技、三峽能源、龍源電力聯(lián)合明陽智能、中國海裝和上海電氣等，也開展了漂浮式風(fēng)機技術(shù)的相關(guān)研究。2021 年7月，全球首臺半潛式抗臺風(fēng)型漂浮式海上風(fēng)電機組“三峽引領(lǐng)號”在廣東陽江沙扒順利安裝[21]；同年12月，由海裝牽頭研發(fā)的“扶搖號”半潛式基礎(chǔ)平臺成功下線[22]。

1.3 數(shù)字化與智能化

隨著海上風(fēng)電單機容量不斷增大，風(fēng)場向深遠(yuǎn)海不斷延伸，其運維難度、運維成本和風(fēng)險等級顯著提升。據(jù)測算，海上風(fēng)電后期運維成本占整個風(fēng)電場全生命周期度電成本的23%左右，而陸上風(fēng)電僅為5%左右[23]。通過引入數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)等降低整體運維成本、提升單機與場群的運行控制水平，是控制海上風(fēng)電度電成本的有效途徑。

在海上風(fēng)電智能化技術(shù)研究方面，基于機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的海上風(fēng)況、風(fēng)功率預(yù)測[24]，基于數(shù)字孿生的海上風(fēng)電機組實時狀態(tài)感知與智能診斷[25]等引起了廣泛關(guān)注。海上風(fēng)電的數(shù)智化產(chǎn)品也不斷取得新進(jìn)展：遠(yuǎn)景能源的“伽利略”超感知風(fēng)機利用海量實測數(shù)據(jù)，具備一定的學(xué)習(xí)、感知、判斷能力[26]；上海電氣的D2X 數(shù)據(jù)治理平臺、Park-Agent 智能監(jiān)控平臺，E-CMS Plus 智能診斷平臺、Prognostic-Agent 故障預(yù)測及健康管理平臺等產(chǎn)品，具備一定的保障風(fēng)機全生命周期高效高可靠運行的能力[27]；中國海裝的全生命周期管理PLM 系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)平臺[28]，搭配海上運維船，能夠為海上風(fēng)電運維提供保障。

2 海上風(fēng)電機組控制與運維難題

2.1 漂浮式風(fēng)機運行控制難題

與陸上風(fēng)機以及固定式海上風(fēng)機不同，漂浮式風(fēng)電機組是氣動-水動-伺服-彈性全耦合的非線性系統(tǒng)，由風(fēng)機、浮體、系泊三大部分組成，對其動態(tài)全耦合機理尚缺乏深入研究。目前，多采用附加質(zhì)量的方法實現(xiàn)強行耦合來進(jìn)行簡化研究，但該方法并不能準(zhǔn)確反映漂浮式風(fēng)機的非線性耦合機理，只能作為簡化替代方案。

固定式海上風(fēng)機由于底部始終固定于海底，其沒有底部基礎(chǔ)平臺運動響應(yīng)問題，故轉(zhuǎn)矩、變槳等控制策略與陸上風(fēng)機基本相同。而漂浮式風(fēng)機由浮式基礎(chǔ)支撐浮于海面，系泊錨鏈連接固定于海底，由此增加了縱蕩(Surge)、橫蕩(Sway)、垂蕩(Heave) 3 個平移自由度和橫搖(Roll)、縱搖(Pitch)、艏搖(Yaw)3 個旋轉(zhuǎn)自由度。同時，漂浮式風(fēng)機受到風(fēng)-浪-流載荷的聯(lián)合作用。圖2 顯示了漂浮式風(fēng)機增加的六自由度作用以及受到的外部載荷[9]。

圖2 海上漂浮式風(fēng)機Fig.2 Floating offshore wind turbine

漂浮式風(fēng)機下部的浮式基礎(chǔ)受浪-流激勵而產(chǎn)生的自由運動會直接影響到上部葉輪的掃風(fēng)面積，影響最佳風(fēng)能捕獲，而上部葉輪所受的風(fēng)載荷通過塔筒力矩的傳遞作用于浮式基礎(chǔ)，會使平臺產(chǎn)生自由運動。文獻(xiàn)[29]指出，在額定風(fēng)速以上，隨著風(fēng)速的增大，若使用傳統(tǒng)固定式風(fēng)機變槳距控制策略，風(fēng)輪氣動推力的降低將可能使漂浮式風(fēng)機產(chǎn)生負(fù)的氣動阻尼，這將導(dǎo)致浮式平臺的縱搖模態(tài)阻尼降低，引發(fā)浮式基礎(chǔ)產(chǎn)生更大的運動響應(yīng)。因此浮式風(fēng)機控制策略需要在固定式海上風(fēng)機控制策略基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的調(diào)整，其控制目標(biāo)不僅是功率和載荷，還應(yīng)當(dāng)最大程度抑制浮式平臺的運動，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。同時，由于浮式基礎(chǔ)(立柱式、半潛式、張力腿、駁船式等)不同，其結(jié)構(gòu)尺寸、吃水深度、固有頻率、水動力特性及對應(yīng)的運動響應(yīng)幅度也不盡相同，控制策略需要定制化設(shè)計。

2.2 海上風(fēng)場尾流管理難題

由于海平面粗糙度低，經(jīng)過前排風(fēng)機后的尾流衰減小，海上風(fēng)機單機尾流拖尾較長，尾流疊加效應(yīng)更大。對于包含幾十臺甚至上百臺風(fēng)機的大型海上風(fēng)電場來說，如果機組排布不合理且只采用常規(guī)的單機發(fā)電量最大化控制策略，尾流影響將會非常明顯。圖3 為拍攝于2008 年的丹麥海上風(fēng)電場Horns Rev 一期的尾流效應(yīng)照片[30]。經(jīng)過上游風(fēng)機后，風(fēng)的能量會大幅降低，且湍流強度變大，因此尾流作用將會導(dǎo)致下游風(fēng)機捕獲的能量大大減少，降低整場發(fā)電量，不僅影響海上風(fēng)場的經(jīng)濟性，同時還會增加機組的疲勞載荷，降低機組的壽命。因此，必須對海上風(fēng)電場進(jìn)行尾流管理，最大化降低尾流損失，提升整個風(fēng)電場發(fā)電效益。但尾流管理涉及前期的風(fēng)場微觀選址、風(fēng)機布局，后期的風(fēng)電場群尾流建模、偏航控制策略優(yōu)化等，復(fù)雜度高，已成為海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展的重點和難點。

圖3 海上風(fēng)電場尾流效應(yīng)Fig.3 Wake effect of offshore wind farm

2.3 海上風(fēng)電自主運維難題

隨著海上風(fēng)電發(fā)展從潮間帶進(jìn)入近海、最終走向深遠(yuǎn)海，風(fēng)機離岸距離越來越遠(yuǎn)，其對長時間自主運行的可靠性以及運維管理的智能化水平要求越來越高。首先，在環(huán)境層面，高風(fēng)速、極端浪高和鹽霧侵蝕等海上惡劣環(huán)境會導(dǎo)致海上風(fēng)電機組的故障率升高；海上運維交通條件受海況影響大，被動維修窗口期不定，使得故障停機維修時間長，發(fā)電量損失較大。其次，在技術(shù)層面，海上風(fēng)電機組大型化造成柔性部件增多，使機組產(chǎn)生更大運動響應(yīng)和結(jié)構(gòu)振動；海上高速、高安全通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大，風(fēng)電信息化、智能化技術(shù)應(yīng)用受制約，難以充分滿足決策調(diào)度與智能運維的需要。最后，在管理層面，由于我國海上風(fēng)電起步較晚，機組復(fù)雜度高，尚缺乏成熟的運維管理經(jīng)驗、先進(jìn)的運維裝備和高水平的運維隊伍。

3 海上風(fēng)電智能控制與運維關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能控制

3.1.1 極端工況載荷安全控制技術(shù)

臺風(fēng)是海上風(fēng)電可能遇到的典型極端工況。由于強臺風(fēng)影響，海上風(fēng)電機組葉根應(yīng)力和塔基彎矩過大，易造成風(fēng)機葉片損毀和塔筒折斷等結(jié)構(gòu)性破壞，造成重大經(jīng)濟損失。除了加強海上風(fēng)電機組葉片、塔筒材料及結(jié)構(gòu)性的設(shè)計，還應(yīng)改進(jìn)控制策略，全力保障海上風(fēng)機載荷安全。海上風(fēng)電機組抗臺風(fēng)控制策略在充分了解臺風(fēng)的極端風(fēng)速、湍流強度和風(fēng)向突變特性[31]基礎(chǔ)上，建立臺風(fēng)過境全過程的風(fēng)力機葉片、塔架等關(guān)鍵部件的風(fēng)載荷分析模型[32]，在收到臺風(fēng)預(yù)警信號后，啟動備用電源，進(jìn)行變槳操作，調(diào)整葉片處于順槳狀態(tài)，松開剎車保持空轉(zhuǎn)，通過偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)機葉輪盡可能正對風(fēng)向，減少側(cè)向?qū)︼L(fēng)，最小化變風(fēng)向的風(fēng)載荷[33]。同時，要確保臺風(fēng)期間風(fēng)場通信信號暢通，實時監(jiān)控臺風(fēng)、風(fēng)電機組與電網(wǎng)狀況[34]，通過大量的數(shù)據(jù)在線分析，結(jié)合智能化多工況適應(yīng)性控制策略，使臺風(fēng)造成的影響最小，保證海上風(fēng)電機組的安全。

3.1.2 功率-載荷-運動多目標(biāo)控制技術(shù)

大容量海上風(fēng)機的整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，柔性增強，在風(fēng)-浪-流等多重外部載荷激勵下，易產(chǎn)生更大的結(jié)構(gòu)振動和平臺運動(漂浮式)，因此大容量海上風(fēng)電機組的整機控制策略已經(jīng)不僅僅局限于功率控制。針對大容量海上風(fēng)機(固定式和漂浮式)的控制策略，首先，可基于多體動力學(xué)理論建立風(fēng)-浪-流多重載荷輸入下的固定式海上風(fēng)機轉(zhuǎn)子-機艙-塔架耦合模型和漂浮式風(fēng)機的風(fēng)機-浮體-系泊一體化載荷分析模型；然后通過基于激光雷達(dá)的風(fēng)況測量[35]或基于機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的短期風(fēng)、浪預(yù)測[36-37]，能夠使海上風(fēng)電機組控制系統(tǒng)提前感知來流風(fēng)-浪信息。與基于線性二次型調(diào)節(jié)器[38]、模型預(yù)測控制[39-40]、魯棒H∞[41]等先進(jìn)控制算法的轉(zhuǎn)矩控制、統(tǒng)一變槳和獨立變槳控制相結(jié)合，及時進(jìn)行控制動作的調(diào)整，在調(diào)節(jié)功率穩(wěn)定輸出的同時增加氣動阻尼，抑制傳動鏈轉(zhuǎn)矩振蕩、塔頂和葉尖的振動，實現(xiàn)降載荷。對于漂浮式風(fēng)機，最優(yōu)化變槳距控制除了實現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)和降載荷作用，其所改善的機組氣動力矩通過塔筒的傳遞還能夠降低浮式平臺的自由運動響應(yīng)，限制平臺運動范圍，實現(xiàn)平臺的運動控制和位置控制[42-43]。而對于變槳漂浮式風(fēng)機易產(chǎn)生的平臺縱搖負(fù)阻尼問題，可以通過增加塔頂加速度反饋回路來實現(xiàn)葉輪前后向加阻，減小變槳控制器增益來降低縱搖運動響應(yīng)，采用轉(zhuǎn)矩-變槳聯(lián)合或獨立變槳距的多入多出控制策略來增強轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和平臺縱搖阻尼等，通過多種策略實現(xiàn)漂浮式風(fēng)機平臺縱搖運動加阻。

此外，針對功率-載荷-運動多目標(biāo)優(yōu)化控制需求，還可以進(jìn)一步安裝機艙、塔基調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(tuned mass damper，TMD)，并采用基于TMD 的被動式[44]或主動式[45]結(jié)構(gòu)控制，提升機組結(jié)構(gòu)阻尼，大幅度降低柔性部件的振動。圖4 為本文針對海上風(fēng)電運行控制難題所提出的基于風(fēng)-浪-流預(yù)測的海上風(fēng)電機組一體化耦合建模與功率-載荷-運動多目標(biāo)控制技術(shù)架構(gòu)圖。

圖4 基于風(fēng)-浪-流預(yù)測的海上風(fēng)電機組功率-載荷-運動多目標(biāo)控制技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Power-load-motion multi-objective control technology architecture based on wind-wave-current prediction for offshore wind turbines

3.1.3 風(fēng)電場尾流協(xié)同控制技術(shù)

由于海上風(fēng)電場尾流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用機理呈現(xiàn)高度非線性，直接采用基于高精度的計算流體力學(xué)尾流模型進(jìn)行優(yōu)化控制往往求解困難，響應(yīng)緩慢。可行的替代方式是采用面向控制的中等精度穩(wěn)態(tài)尾流機理模型[46]或基于歷史風(fēng)況的數(shù)據(jù)驅(qū)動穩(wěn)態(tài)尾流模型[47]。在尾流模型基礎(chǔ)上計算海上風(fēng)電場發(fā)電量，量化尾流對機組載荷影響，采用模型驅(qū)動[48]或者數(shù)據(jù)驅(qū)動[49]的預(yù)測控制算法構(gòu)建閉環(huán)動態(tài)場級控制器?；诎踩W(wǎng)絡(luò)通信，采用場級控制器實時感知每臺機組運行狀態(tài)和環(huán)境條件，通過優(yōu)化問題的求解，輸出機組最佳偏航角度，以此進(jìn)行尾流重定向，降低尾流影響?；谝陨戏治觯疚奶岢隽嘶跀?shù)據(jù)-知識聯(lián)合驅(qū)動的海上風(fēng)電場尾流模型與協(xié)同控制技術(shù)架構(gòu)，如圖5所示。基于數(shù)據(jù)-知識的尾流聯(lián)合驅(qū)動模型，結(jié)合尾流的主要動態(tài)機理模型和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可彌補單一的面向控制的尾流模型精度問題，并解決單一數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的穩(wěn)定性和可解釋性問題，搭載基于模型-數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型預(yù)測場級控制器，可實現(xiàn)尾流作用下海上風(fēng)電場功率-載荷的智能協(xié)同控制，提高海上風(fēng)電場尾流智能管理水平，最大化海上風(fēng)場效益。

圖5 基于數(shù)據(jù)-知識聯(lián)合驅(qū)動的海上風(fēng)電場尾流協(xié)同控制技術(shù)架構(gòu)Fig.5 Data-knowledge joint driven collaborative control technology architecture of wake flow for offshore wind farm

3.2 智能運維

3.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化運維策略

海上風(fēng)電場全生命周期運維流程復(fù)雜且不確定性強。運維策略的選擇影響海上風(fēng)電場的整體效率、利潤率、安全性和可持續(xù)性；對于海上風(fēng)電，在選擇維護(hù)策略后，還將考慮進(jìn)度計劃，這是一個優(yōu)化問題；現(xiàn)場運維涉及復(fù)雜的海上作業(yè)，其效率和安全取決于海況等實際因素；此外，海上運維造成的負(fù)面環(huán)境影響也是需要關(guān)注的問題[50]。有效的運維作業(yè)以海上風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷技術(shù)和資源運籌調(diào)度技術(shù)為基礎(chǔ)，通過預(yù)測性維護(hù)策略判別和定位潛在故障位置，提前有針對性地判斷需要進(jìn)行維護(hù)的風(fēng)機部件，結(jié)合海上天氣狀況，統(tǒng)一決策調(diào)度運維船只和人員等資源，預(yù)留足夠的維修窗口期，科學(xué)規(guī)劃最佳運維時間和路線，達(dá)成機組故障、運維成本、資源損耗和生產(chǎn)效益之間的最佳平衡[51]。

3.2.2 智能監(jiān)測與診斷技術(shù)

由于長期處于無人值守狀態(tài)，海上風(fēng)電的監(jiān)測與診斷應(yīng)具有更強的感知能力、預(yù)測能力和自主決策能力。采用數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)海上風(fēng)機物理與孿生模型的實時映射與交互，透明化風(fēng)電機組的全生命周期生產(chǎn)過程，實現(xiàn)海上風(fēng)電機組的智能監(jiān)測和診斷[52]。數(shù)字孿生是建模與仿真技術(shù)的巔峰應(yīng)用，仿真模型是實現(xiàn)數(shù)字孿生體和物理實體實時交互的基礎(chǔ)，貫穿于系統(tǒng)全生命周期各個階段.基于多模型數(shù)字線程交互技術(shù)和高效數(shù)據(jù)通信技術(shù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可實現(xiàn)信息空間和物理空間的無縫集成與實時映射。數(shù)字孿生系統(tǒng)通過對全生命周期的推演，可實現(xiàn)對整個價值鏈的虛擬洞察與反饋，進(jìn)而支撐對真實生產(chǎn)和運維過程的持續(xù)優(yōu)化[53]。機理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的風(fēng)機(風(fēng)場)孿生模型作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心，提供實際對象的精準(zhǔn)映射，數(shù)據(jù)采集與感知系統(tǒng)為孿生體提供多源狀態(tài)數(shù)據(jù)，邊緣設(shè)備提供分布式數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘與分析等數(shù)據(jù)治理能力，實時安全網(wǎng)絡(luò)搭建孿生系統(tǒng)中的信息交互橋梁。孿生平臺結(jié)合運維的需求，采用知識庫、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)機故障預(yù)警、健康管理、壽命預(yù)測等功能。配套的3D圖形引擎則可提供風(fēng)機內(nèi)部模型、運行狀態(tài)和故障診斷預(yù)警的可視化呈現(xiàn)。海上風(fēng)電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)整體架構(gòu)[52]如圖6所示。

圖6 海上風(fēng)電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Digital twin system for offshore wind turbines

3.2.3 智能運維裝備

復(fù)雜的海上作業(yè)環(huán)境給海上風(fēng)電運維帶來諸多挑戰(zhàn)。為提高海上風(fēng)電運維效率、降低安全風(fēng)險，運維船、水下機器人和無人機等智能設(shè)備成為海上風(fēng)電智能運維的關(guān)鍵組成部分。新型海上運維船[54]抗風(fēng)浪能力強，具備更大尺寸和更高安全性，配備海區(qū)無線電等，可同時滿足多種海況運維環(huán)境，能夠安全高效地向海上風(fēng)場運送裝備和運維人員。多自由度水下機器人通過自主定位與路徑導(dǎo)航在水流中保持穩(wěn)定并避開水下障礙物，利用高精度攝像頭近距離拍攝海上風(fēng)機水下支撐基礎(chǔ)和系泊錨鏈(漂浮式)高清圖片，然后借助數(shù)字化手段對圖片進(jìn)行深層挖掘，可實現(xiàn)海上風(fēng)機支撐基礎(chǔ)和系泊子系統(tǒng)的健康監(jiān)測[55]。構(gòu)建基于云-邊-端協(xié)同的海上風(fēng)機無人機智能巡檢系統(tǒng)，可實現(xiàn)無人機航線自主規(guī)劃、多機協(xié)同作業(yè)[56]。無人機實時拍攝的海上風(fēng)機葉片圖像上傳至移動設(shè)備平臺進(jìn)行高速邊緣計算，初步識別葉片缺陷；對于疑似缺陷的圖片，通過場區(qū)無線專網(wǎng)上傳至海上風(fēng)場中央服務(wù)器，基于深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行驗證判斷和缺陷位置標(biāo)注[57]。在終端設(shè)備上，運維人員可查看葉片缺陷標(biāo)注情況并導(dǎo)出缺陷診斷報告。圖7 為海上風(fēng)電機組無人機葉片巡檢過程及標(biāo)注結(jié)果示意圖。

圖7 海上風(fēng)電機組無人機葉片巡檢Fig.7 Unmanned aerial vehicle blade inspection of offshore wind turbines

4 結(jié)論

2021 年我國海上風(fēng)電經(jīng)歷了“搶裝潮”，2022 年將全面步入海上風(fēng)電的平價時代。在“雙碳”目標(biāo)下，作為規(guī)?；稍偕茉吹闹攸c發(fā)展領(lǐng)域，海上風(fēng)電仍將保持快速穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢。

隨著海上風(fēng)電向著大容量、規(guī)?；?、深遠(yuǎn)海方向快速推進(jìn)，新一代信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用將發(fā)揮越來越重要的作用。其中，智能控制與運維關(guān)鍵技術(shù)針對海上風(fēng)電特有結(jié)構(gòu)和運行特性，可實現(xiàn)全工況下機組/場群的高性能運行和全生命周期運維管理，從而有效提升海上風(fēng)電的社會經(jīng)濟效益，助力海上風(fēng)電健康、有序、高質(zhì)量發(fā)展。