倍福经典案例选（九）——PC 控制应用于海上风电场_编码器_电机

倍福经典案例选（九）——PC 控制应用于海上风电场

2008/12/15 14:28:00

Multibrid GmbH 从不会为陆上风电场而费心：5 MW 的 M5000 风力机从一开始就是专为海上风电应用而设计的。Multibrid 通过与 Beckhoff 紧密合作，为批量化生产 M5000 提供了一个集成平台的控制方案。

早在 2004 年，Multibrid 就开发了样机，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。

M5000 规格
额定功率：      5 MW
风轮直径：      116 m
风轮速度：      4.5 – 14.8 rpm
最大叶片速度：    90 m/s
海上轮毂高度：    90 m（样机 102 m）
机头重量/扫风面积： < 30 kg/m2

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。

德国不来梅港的生产车间直接坐落于港口，方便船只运输

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 控制系统的控制结构
主控计算机：CX1020 嵌入式 PC，Windows XP 操作系统
轮毂计算机：CX9000 嵌入式 PC，Windows CE 操作系统
自动控制软件：TwinCAT PLC
HMI
|嵌入式控制面板 CP6832
I/O
总线系统：EtherCAT（PROFIBUS，带 EtherCAT 模块）
I/O 系统：总线模块 / EtherCAT 模块
I/O 模块：
          –各种数字量 / 模拟量 I/O
          –电力测量模块
          –继电器模块
          – SSI 角度测量模块
          –增量编码器接口模块
          –串口通讯模块

Multibrid
Multibrid 成立于 2000 年。公司主要开发和建造 M5000 海上风力发电机。他们与供应商合作，有一支专家团队负责不断开发重要的系统组件，提升 Multibrid 技术。通过挂靠 ProkonNord 公司，Multibrid 能够利用他们在风电场工程建设中长期积累的经验。

工程规划公司 Prokon Nord 很早前就已进军海上风力发电领域，在北海和诺曼底海岸设计了三个风电场，在后者中共安装了 181 个风力机，每个风力机的功率为 5 MW。Prokon 的介入对 Multibrid 的帮助很大：由于市场的巨大需求，新的开发项目在经济上是可行的。法国能源公司 Areva 于 2007 年9月购买了 Multibrid 51％的股份，他们的介入为 Multibrid 提供了可靠的财力支持。公司能够将好的理念实施到良好的商务活动中。同时，Multibrid 的生产正在进行中。