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PC 控制应用于海上风电场
发布时间：2009/8/5 11:14:01 修改时间：2009/8/5 11:08:17 浏览次数：3682

虽然在三年之后才正式投入了批量生产。2007 年中旬，Multibrid 开始在位于德国不来梅港的工厂安装风轮直径为 16 米、轮毂高 90 米的 Multibrid M5000。当项目经理 Bernd Zickert 于 2005 年加盟该公司时，他就发现了这样一个很常见的技术现状：用于风力机的控制和自动化系统并不是基于一个集成的平台。硬件组件来自四个不同的制造商，这意味着 Multibrid 工程师必须熟悉不同的系统。组件和数据采集的协调也是个问题。

        对于 Multibrid 样机，这种内部差异很有意义，因为它可以显示出设计的弹性，并为最终决定批量生产奠定基础。为此，公司必须试验各种选件。两年前，他们完成了 M5000 的首次现场试验。试验表明方案基本可行。Multibrid 所面临的另一个挑战是，必须为批量生产和海上风电场运行做好准备。
        通过对风力机所承受各种环境影响的模拟仿真实现样机的试验，包括各种可能的故障和故障场景。“针对仿真，我们为所有系统接口创建了一个精确的模型。”Bernd Zickert 说道。“我们能够进行深度开发来提升系统性能。” 开发的重点主要集中在系统生产、安装、运行及维修方面的可行性。2008 年，Multibrid 打算建造 13 个系统，其中 6 个计划用于 Alpha Ventus 海上风电场。Alpha Ventus 是德国首座海上风电场。它是一个具有开创性意义的合作项目，E.ON Climate & Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 都有参与该项目。
        低磨损技术降低系统故障
        Multibrid 的设计显示出出他们的雄心壮志。与其它大部分风力机制造商不同，Multibrid 使用的是永磁同步发电机。大部分的电力供应商使用的都是同步发电机，而风电行业更倾向于使用异步（感应）发电机。Multibrid 决定使用一个带环设计的多极同步发电机，这表示，它以成熟的技术为基础，同时还具有磨损极低的优点。这一点特别是对海上风电场运行来说是个极大的优点，在海上风电场中，服务、维护及维修比陆上更加困难，特别是在天气很恶劣的时候。任何不容易出现故障的设备或性能特点都会让风力机更为可靠。
        重量轻，便于建造和安装
        为了便于运输并确保安全和快速安装，M5000 的一个重要设计要求是减少机舱和风轮的重量。Multibrid 在风轮和发电机之间放置了一个减速比为 10:1 的单级减速机。发电机通过一个四象限逆变器连接至电网，通过该逆变器，可以实现变速运行。同时，它满足电网调度员为高级风力机所规定的要求。采用这一设计方案后，Multibrid 将风轮、轮毂和机舱的总重量减少到约 310 吨。

        尽管 Multibrid 风力机的额定功率较高，但其外形却极为紧凑：机舱尺寸仅为 7 米高、10 米长，与其它同类产品相比，该系统更加小巧、轻便。这样可带来很多优点：用三角架基础支撑的管状钢塔可给定不同的尺寸。机舱可在陆地上预装配，然后在海上作为成套设备安装。海上风电场运行的重要要求就是机舱的密封性：空气处理系统从环境空气中分离出盐和水粒子，在机舱内生成正压，避免具有侵蚀性的海洋大气进入，保护易受损的控制元件受到侵蚀。
        集成的控制平台使系统管理更加简单
        自动控制系统的改造工作由 Bernd Zickert 实施，他们的团队负责对系统进行简化。控制器数量从 5 台减少为 2 台。除了塔筒中的主控计算机之外，还有一台轮毂中的计算机，用于提供冗余功能，并防止通过滑环连接数据传输的丢失。

        整个硬件平台都由 Beckhoff 组件替换，建立了一个集成的控制系统，提供协调、简单的处理、连接和数据流。系统处理 500 多个数字量和模拟量信号。这在维修和维护时特别有好处：维修技师仅需熟悉一个运行操作指导系统即可，这样可大大减少培训和调试成本. 为了减少可能的组件故障所带来的影响，传感器、执行器和辅助系统均使用冗余设计。这特别适用于空气处理、油品供应与液压系统以及轮毂和冷却系统的电池充电器。
        基于 PC 的控制技术可确保系统的开放性。Multibrid 工程师 Zickert 认为这是一个特别有意义的性能特点，因为它为自动化控制系统的深度开发提供了广阔的空间。“毕竟，我们所处的是一个具有高度动态性的领域，科学技术的发展日新月异。” 第三方设备可通过相应接口轻松集成到系统中。系统的开放性还将能够集成新功能的 I/O 模块。基于 Windows 标准操作系统的 Beckhoff TwinCAT 控制软件，简化了操作指导工作，确保与常规的用户界面兼容。这对由 SCADA 系统提供的数据流和信息的可视化也产生了积极影响。控制系统支持现场的安全访问，而在控制中心也可由多名用户同时进行访问。可对参数进行修改，以满足具体的应用要求。系统的故障分析能力得到很大提升。系统可通过因特网协议经由光缆实时监控。
        一个集成的 ORACLE 数据库系统可以在离线状态下（例如，在系统通讯出现故障时）将需要传输给控制中心的文件保存 50 天之久。存储能力取决于所使用的闪存卡大小。系统存储所有与风电场管理相关的数据，包括运行数据（10 分钟均值、跟踪、计数器）、错误日志分析、功率曲线、生产、无功功率、内部能耗及运行模式等数据。

        M5000 试验台主要用于减少功能试验和调试时间，优化操作步骤和控制过程
        全面的仿真为质量提供保障
        由 Multibrid 团队与 ISET（德国卡塞尔大学的太阳能供电研究院）密切合作开发的仿真软件质量尤为重要。该软件通过 TwinCAT 可实现系统状态和数据交换的实时仿真。Beckhoff 负责提供相应的硬件，并参与到 SCADA 系统的开发工作中。
        试验台用于初步检查理论假设、方案的合理性，也可用于员工和客户培训。此外，Multibrid 将其发展为一个高效的质量保证工具：所有的系统控制组件都映射在试验台上。系统能够仿真所有的执行器和传感器以及与风力机控制设备之间的通讯。这样，控制系统与其它系统的功能能够在安装前完全得到检验。与其在恶劣的海上条件下还要安装带未经验证功能的组件，不如在交付前就保证组件和子系统的质量。这对实施更新和改造措施也非常有益，不再需要像测试版那样进行现场试验，但可在安装时进行大量的功能试验。

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　　德国倍福自动化有限公司的总部位于德国威尔市。公司在世界各地设有分支机构，加上全球的合作伙伴，目前公司业务已遍及60多个国家。倍福始终以基于PC的自动化新技术作为公司的发展理念，所生产的工业电脑、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT… 更多>>

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