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PC 控制應用于海上風電場
發布時間：2009/8/5 11:14:01 修改時間：2009/8/5 11:08:17 瀏覽次數：3947

雖然在三年之后才正式投入了批量生產。2007 年中旬，Multibrid 開始在位于德國不來梅港的工廠安裝風輪直徑為 16 米、輪轂高 90 米的 Multibrid M5000。當項目經理 Bernd Zickert 于 2005 年加盟該公司時，他就發現了這樣一個很常見的技術現狀：用于風力機的控制和自動化系統并不是基于一個集成的平臺。硬件組件來自四個不同的制造商，這意味著 Multibrid 工程師必須熟悉不同的系統。組件和數據采集的協調也是個問題。

        對于 Multibrid 樣機，這種內部差異很有意義，因為它可以顯示出設計的彈性，并為最終決定批量生產奠定基礎。為此，公司必須試驗各種選件。兩年前，他們完成了 M5000 的首次現場試驗。試驗表明方案基本可行。Multibrid 所面臨的另一個挑戰是，必須為批量生產和海上風電場運行做好準備。
        通過對風力機所承受各種環境影響的模擬仿真實現樣機的試驗，包括各種可能的故障和故障場景。“針對仿真，我們為所有系統接口創建了一個精確的模型。”Bernd Zickert 說道。“我們能夠進行深度開發來提升系統性能。” 開發的重點主要集中在系統生產、安裝、運行及維修方面的可行性。2008 年，Multibrid 打算建造 13 個系統，其中 6 個計劃用于 Alpha Ventus 海上風電場。Alpha Ventus 是德國首座海上風電場。它是一個具有開創性意義的合作項目，E.ON Climate & Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 都有參與該項目。
        低磨損技術降低系統故障
        Multibrid 的設計顯示出出他們的雄心壯志。與其它大部分風力機制造商不同，Multibrid 使用的是永磁同步發電機。大部分的電力供應商使用的都是同步發電機，而風電行業更傾向于使用異步（感應）發電機。Multibrid 決定使用一個帶環設計的多極同步發電機，這表示，它以成熟的技術為基礎，同時還具有磨損極低的優點。這一點特別是對海上風電場運行來說是個極大的優點，在海上風電場中，服務、維護及維修比陸上更加困難，特別是在天氣很惡劣的時候。任何不容易出現故障的設備或性能特點都會讓風力機更為可靠。
        重量輕，便于建造和安裝
        為了便于運輸并確保安全和快速安裝，M5000 的一個重要設計要求是減少機艙和風輪的重量。Multibrid 在風輪和發電機之間放置了一個減速比為 10:1 的單級減速機。發電機通過一個四象限逆變器連接至電網，通過該逆變器，可以實現變速運行。同時，它滿足電網調度員為高級風力機所規定的要求。采用這一設計方案后，Multibrid 將風輪、輪轂和機艙的總重量減少到約 310 噸。

        盡管 Multibrid 風力機的額定功率較高，但其外形卻極為緊湊：機艙尺寸僅為 7 米高、10 米長，與其它同類產品相比，該系統更加小巧、輕便。這樣可帶來很多優點：用三角架基礎支撐的管狀鋼塔可給定不同的尺寸。機艙可在陸地上預裝配，然后在海上作為成套設備安裝。海上風電場運行的重要要求就是機艙的密封性：空氣處理系統從環境空氣中分離出鹽和水粒子，在機艙內生成正壓，避免具有侵蝕性的海洋大氣進入，保護易受損的控制元件受到侵蝕。
        集成的控制平臺使系統管理更加簡單
        自動控制系統的改造工作由 Bernd Zickert 實施，他們的團隊負責對系統進行簡化。控制器數量從 5 臺減少為 2 臺。除了塔筒中的主控計算機之外，還有一臺輪轂中的計算機，用于提供冗余功能，并防止通過滑環連接數據傳輸的丟失。

        整個硬件平臺都由 Beckhoff 組件替換，建立了一個集成的控制系統，提供協調、簡單的處理、連接和數據流。系統處理 500 多個數字量和模擬量信號。這在維修和維護時特別有好處：維修技師僅需熟悉一個運行操作指導系統即可，這樣可大大減少培訓和調試成本. 為了減少可能的組件故障所帶來的影響，傳感器、執行器和輔助系統均使用冗余設計。這特別適用于空氣處理、油品供應與液壓系統以及輪轂和冷卻系統的電池充電器。
        基于 PC 的控制技術可確保系統的開放性。Multibrid 工程師 Zickert 認為這是一個特別有意義的性能特點，因為它為自動化控制系統的深度開發提供了廣闊的空間。“畢竟，我們所處的是一個具有高度動態性的領域，科學技術的發展日新月異。” 第三方設備可通過相應接口輕松集成到系統中。系統的開放性還將能夠集成新功能的 I/O 模塊。基于 Windows 標準操作系統的 Beckhoff TwinCAT 控制軟件，簡化了操作指導工作，確保與常規的用戶界面兼容。這對由 SCADA 系統提供的數據流和信息的可視化也產生了積極影響。控制系統支持現場的安全訪問，而在控制中心也可由多名用戶同時進行訪問。可對參數進行修改，以滿足具體的應用要求。系統的故障分析能力得到很大提升。系統可通過因特網協議經由光纜實時監控。
        一個集成的 ORACLE 數據庫系統可以在離線狀態下（例如，在系統通訊出現故障時）將需要傳輸給控制中心的文件保存 50 天之久。存儲能力取決于所使用的閃存卡大小。系統存儲所有與風電場管理相關的數據，包括運行數據（10 分鐘均值、跟蹤、計數器）、錯誤日志分析、功率曲線、生產、無功功率、內部能耗及運行模式等數據。

        M5000 試驗臺主要用于減少功能試驗和調試時間，優化操作步驟和控制過程
        全面的仿真為質量提供保障
        由 Multibrid 團隊與 ISET（德國卡塞爾大學的太陽能供電研究院）密切合作開發的仿真軟件質量尤為重要。該軟件通過 TwinCAT 可實現系統狀態和數據交換的實時仿真。Beckhoff 負責提供相應的硬件，并參與到 SCADA 系統的開發工作中。
        試驗臺用于初步檢查理論假設、方案的合理性，也可用于員工和客戶培訓。此外，Multibrid 將其發展為一個高效的質量保證工具：所有的系統控制組件都映射在試驗臺上。系統能夠仿真所有的執行器和傳感器以及與風力機控制設備之間的通訊。這樣，控制系統與其它系統的功能能夠在安裝前完全得到檢驗。與其在惡劣的海上條件下還要安裝帶未經驗證功能的組件，不如在交付前就保證組件和子系統的質量。這對實施更新和改造措施也非常有益，不再需要像測試版那樣進行現場試驗，但可在安裝時進行大量的功能試驗。

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