案例 | 船舶电力和能源系统的数字孪生体

数字孪生体在船舶中的应用非常广泛，美国海军研究办公室一直在资助相关研究，最近它宣布给南卡罗来纳大学罗杰·杜格尔教授团队提供了1000万美元的合同，项目名称为“海军电力和能源系统的数字孪生体”。

这个项目将利用数字孪生技术快速、自动地“前瞻”来预测系统组件之间的相互作用以及替代控制行动的后果，以提高从计划外事件或中断中恢复的速度和能力，并在期间改进组件之间的协调。

工业4.0研究院分析，这实际上就是所谓电网的弹性。为此，整理了相关资料，发布在数字孪生体联盟公众号，供成员参考学习。

杜格尔认为，“多年来，我们团队一直在开发用于模拟和设计先进电力系统的工具，数字孪生体是超越模拟模型的合乎逻辑的下一步。你可以将数字孪生体视为相对于真实系统实时更新的模拟模型。”

数字孪生体是真实系统的虚拟复制品，这些系统经历了与真实系统相同的操作条件。

美国海军研究办公室的项目要求，杜格尔教授团队需要研发一个类似船舶的电网测试平台，用于开发和评估组件和系统级数字孪生体。这是多年来在先进电力电子系统建模和仿真工具方面开发的专业知识的自然进步。

据杜格尔教授透露，早在1996年美国海军研究办公室就开始资助电动船舶模拟工具研究，目前工具和技术已经有较大发展，采用数字孪生技术，将实现该领域的领先地位。

预测维护需求以提高系统的可用性（“上行时间”）和可靠性是当今工业中数字孪生体的主要用途，杜格尔教授说，下一个有趣的用例是通过实时管理电力和能源的输送来提高系统的性能。

杜格尔教授说：“这涉及回答两个问题。鉴于一套特定的设备，我们如何以最佳效果操作它，有时以极端的方式？而且，如果我们有可以预测操作极限的数字孪生体，那么如果不越过边缘，我们就能离边界有多近？”

电力和能源系统的数字孪生体项目涉及各种形式的电力和能源管理，这包括将能源从一种形式转换为另一种形式，在需要时和地点向设备输送电力，以及管理相关的废热。今天的深度集成的能源系统受益于通过数字孪生体进行管理。

“从机械推进的船舶到电动船舶的转变有点像从燃气动力汽车到电动汽车的转变。在旧车里，如果你的刹车有问题，其他部件可能仍然有效。但是，如果电动汽车的电池不工作，它实际上会影响制动系统。一切都取决于电力和能源系统，一个领域的一个问题可能会影响整个汽车。”杜格尔教授谈到。

电动船的好处可以与电动汽车相媲美。电动船可以简单地在推进和任务系统（如雷达）之间来回移动电力，而不是用于不同功能的单独电源。使用数字孪生体可以改善系统之间共享电力的方式，以提高其性能并最大限度地减少系统之间的竞争。

杜格尔说：“我们的一部分目的是构建工具，以展望未来，并在配置系统电力和能源组件的方式上做出明智的选择，以满足所有任务要求。”

杜格尔和其他研究电力船系统多年的研究人员开发了设计概念，这些概念将在数字孪生体的现场小规模电力和能源测试台上复制。他将使用测试台来评估数字孪生体的表现，以及数字孪生体在多大程度上有助于改善电力和能源输送的管理。

杜格尔表示，“我们将配置我们的电力和能源测试台，使其与其中一些船舶系统相似，但规模较小。我们的试验台将更像100千瓦，而不是一艘真正的船只的100兆瓦。但这足以涉及有趣的电力和热问题，这些问题代表了船舶系统的物理和复杂性，而实际上并没有在更高的功率水平上运行。”

根据杜格尔的说法，一艘海军舰艇可以消耗与小城市一样多的电力，并产生大量的废热，这些废热必须去除才能维持系统的运行。如果负责冷却电源转换器的流体泵发生故障，推进电机等功能无法实现全功率，或者雷达系统将无法运行。

数字孪生体可用于了解系统在受损状态下的操作限制，然后将系统运行到接近当前极限。

“这与旧的操作方式不同。过去，如果一个部件过热，它只需要关闭。你没有任何办法知道你还能对这个问题做些什么，”杜格尔说，“但有了新的可重新配置的电力系统，以及使用数字孪生体来了解什么是可能的，将有机会以较低的能力运行，并在故障地区周围布线电力，并仍然执行一项成功的任务。”

数字孪生体的发展将是渐进的，一些好处会很快实现，另一些好处会持续多年。这个过程将类似于消费电子产品和应用程序的不断改进。将有很多升级机会，因为海军舰艇通常会服役30或40年。

近期，工业4.0研究院正在开展相关研究工作，已经获得了一些进展。欢迎有兴趣的单位洽谈合作。