使用基于模型的設(shè)計來開發(fā)風(fēng)力渦輪機

　　風(fēng)力渦輪機不僅僅是一整套高效率運行的集成化系統(tǒng)。它們還必須能夠正確識別各種環(huán)境條件并作出相應(yīng)的反應(yīng)，因為發(fā)生故障后，診斷和修復(fù)這些系統(tǒng)的成本非常高。這就使得測試階段成為系統(tǒng)開發(fā)極其重要的一個方面，另外由于系統(tǒng)大小和成本的原因，測試不能完全使用樣機來完成。上述這些難題可以在開發(fā)過程中采用基于模型的設(shè)計的手段加以解決仿真可以部分替代樣機測試或使之更為有效，并且使集成化系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。

　　目前，在德國運行的風(fēng)力渦輪機超過了20，000 臺，這些風(fēng)力渦輪機能夠生產(chǎn)近 24，000 MW 的電力，約為德國當(dāng)前用電量的 7%。之所以能夠取得如此發(fā)展，不僅是因為風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大和大型風(fēng)力渦輪機的架設(shè)使用，更是得益于實際風(fēng)力渦輪機技術(shù)的不斷進(jìn)步。更好的轉(zhuǎn)子葉片空氣動力性能、更高效的發(fā)電機以及優(yōu)化的監(jiān)控系統(tǒng)，使當(dāng)今的風(fēng)力渦輪機擁有前所未有的高效率。

　　然而，這一技術(shù)進(jìn)步給工程師們帶來了一些新的挑戰(zhàn)。風(fēng)力渦輪機是高度復(fù)雜的系統(tǒng)，其中的各個子系統(tǒng)需要盡可能高效地協(xié)同工作。這些子系統(tǒng)包括各種機械系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)子葉片和變速箱、液壓或電力驅(qū)動裝置（用于設(shè)置轉(zhuǎn)子葉片型面的俯仰角），以及電力偏航驅(qū)動和電氣系統(tǒng)（如發(fā)電機）。另外，所有這些系統(tǒng)都由一個復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控，并且必須對不同的環(huán)境條件（尤其是不斷變化的風(fēng)速）作出具體的響應(yīng)。

　　獨立式開發(fā)使得集成難上加難

　　風(fēng)力渦輪機的各個子系統(tǒng)通常由不同的團(tuán)隊甚至不同的公司開發(fā)。在傳統(tǒng)的開發(fā)流程中，設(shè)計可能在獨立的軟件和仿真環(huán)境中完成，并且單獨使用某種方法來滿足各種需求。這會導(dǎo)致許多問題。由于這些需求尚未整合到開發(fā)流程中，因此很難將設(shè)計與這些需求和規(guī)格進(jìn)行對比。工程師們無法確定在開發(fā)迭代過程中所做的更改是否仍然能夠使系統(tǒng)滿足需求。最糟糕的是，如果需求不正確或不完整，要等到在開發(fā)的最后階段完成系統(tǒng)集成后才能檢測到該錯誤，此時要修復(fù)這些錯誤的話，成本將非常高，或者甚至無法修復(fù)。

　　在開發(fā)流程的早期如果無法集成不同的設(shè)計，也會導(dǎo)致設(shè)計問題。例如，如果開發(fā)發(fā)電機和開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的團(tuán)隊是獨立的進(jìn)行開發(fā)工作，那么就很難預(yù)測出開發(fā)后期各個子系統(tǒng)集成時將發(fā)生的情況。在不同軟件工具和仿真環(huán)境中工作的工程師可能沒有對仿真集成設(shè)計進(jìn)行測試的權(quán)利或條件。結(jié)果是，只有在生產(chǎn)出硬件樣機后，才能集合各個子系統(tǒng)進(jìn)行測試。由于不同的天氣條件和故障分析禁止對硬件樣機進(jìn)行窮舉測試（出于成本、安全和可行性等方面的考慮），因此必須對部件和系統(tǒng)進(jìn)行過度設(shè)計（也因此降低了效率），從而確保風(fēng)力渦輪機不會發(fā)生故障。

　　相互矛盾的目標(biāo)

　　具有各自目標(biāo)（有時一個目標(biāo)與另一個目標(biāo)截然相反）的不同控制系統(tǒng)需要在風(fēng)力渦輪機的整個系統(tǒng)內(nèi)相互作用。這包括系統(tǒng)的整體控制以及控制俯仰角和偏航的系統(tǒng)。

　　整個風(fēng)力渦輪機的監(jiān)控系統(tǒng)必須確保風(fēng)力渦輪機可以盡量不停地發(fā)電，從而實現(xiàn)運行的經(jīng)濟(jì)性。。與此同時，它必須盡量避免每個部件發(fā)生任何不必要的磨損和破裂。它還必須對風(fēng)力

　　渦輪機中任何即將發(fā)生的電源故障作出反應(yīng)，以防止風(fēng)力渦輪機運行不穩(wěn)定以及因此造成的

　　損壞。正常情況下，只有當(dāng)風(fēng)速達(dá)到 2 到 4 米/秒時，發(fā)電機才會啟動；風(fēng)速太小，將無法產(chǎn)生足夠的電力，并且會導(dǎo)致渦輪機部件產(chǎn)生不必要的磨損。在大風(fēng)的天氣，發(fā)電機也會關(guān)機，