王旭，廖佩诗

青岛赛普克有限元科技发展有限公司

摘要：风电行业在近年来在技术革新和国家政策的驱动下实现了跨越式发展，进入了大规模开发建设阶段，这对工程建设的质量和效率提出了很高的要求。风电工程复杂度高，建设条件复杂，运行维护困难。近年来数字化智慧风场的建设成为业内的一个热点， 围 绕数字孪生技术做了很多研究工作。介绍了数字孪生技术在风电领域的应用方向，通过数字化和信息化等手段，推动风电工程高质量高效率发展。

1. 数字孪生技术及CAE技术介绍

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，来模拟其在现实环境中的行为。

计算机辅助工程（CAE）指工程设计中采用计算机辅助分析复杂工程和产品的性能。CAE软件可以对设备的结构应力、流场、电磁场等问题进行仿真以优化设备性能。CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术，除了各个求解器本身的算法和模型之外，还包括计算机图形技术、空间离散技术、数据交换技术和工程数据管理技术。

在数字孪生应用中，CAE作为重要的仿真工具，可以起到“先知”的作用。CAE基于第一性原理或称为基于物理机理的方法来预测物理世界的未来状态，这使得人们可以在数字孪生体中提前查看产品的运行是否正常、预知故障何时发生以及故障发生的后果。根据数字孪生体反映出的问题，调整产品设计方案或运行策略，直到对预测的结果满意之后再操作物理实体。这种虚拟先行、实体后动的方法，会减少事故发生、降低设计和运行成本、加快产品迭代进程，提高产品质量和可靠性。

图1 基于CAE技术的数字孪生体系

2. 基于CAE的数字孪生技术在风电领域应用

CAE技术是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就可以基本正确地反映物理世界的特性和参数。如果说建模是模型化我们对物理世界或问题的理解，那么CAE技术就是验证和确认这种理解的正确性和有效性。所以，CAE技术是创建和运行数字孪生模型、保证数字孪生模型准确的核心技术。

基于CAE的数字孪生技术，能够对产品各个细节进行刻画，利用多物理场仿真方法模拟产品设计和运行的各种情景，将不可见的物理场信息呈现出来，基于CAE的数字孪生技术实现了不仅形似而且神似，是一种更彻底的数字孪生技术。

图2 风机数字孪生CAE模型

风电场环境工况复杂，运维成本高，对风机等关键部件（叶片、发电机、齿轮箱）实现预测性运维，可降低设备维护成本。目前风电设备监测SCADA系统，可对电流、电压、并网情况等进行检测，但缺乏针对关键零部件的振动监测与故障监测功能，无法进行设备健康状态评估及风险预测。利用基于CAE的数字孪生技术可以进行风电机组的健康监测、健康管理和状态预测，基于机器学习算法的快速仿真解决方案，可实现秒级仿真，使基于CAE的实时健康监测成为可能。通过数据采集获取设备状态数据，驱动仿真模型和机器学习模型运行，生成状态结果数据，完成设备健康管理及决策生成。

图3 风电机组结构健康检测体系框架

图4 风电场数字孪生平台架构

3. 结语

基于CAE的数字孪生技术基于“全生命周期管理”的核心思想和快速仿真技术， 突出“创新、优质、智慧、绿色”理念，为用户提供技术先进、管理创新的数字孪生一体化解决方案。数字孪生技术，覆盖风电设备各项运行参数和健康状态，助力风电工程实现降本增效。

参考文献：

[1] 金飞, 叶晓冬, 马斐,等. 海上风电工程全生命周期数字孪生解决方案[J]. 水利规划与设计, 2021(10):5.

[2] 卢晓光, 李凤格. 基于数字孪生的风机实时载荷预估研究[J]. 机械与电子, 2021, 39(6):6.

[3] 吴智泉, 王政霞. 智慧风电体系架构研究[J]. 分布式能源, 2019(2):8.

作者简介：王旭(1991--)，男，青岛赛普克有限元科技发展有限公司，研究方向为风电场数字孪生技术，山东省青岛市崂山区宁夏路306号、266073、wangxu@cepc-global.com、17554250490