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PC控制应用于海上风电场

www.cechina.cn2011.12.24阅读 2482

  德国Multibrid 公司成立于2000年,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。同时,通过挂靠Prokon Nord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,在后者共安装了181个风机,每个风机的功率为5MW。
  早在 2004年,Multibrid公司就开发了海上风力发电机组样机,但三年之后才正式投入批量生产。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风力发电机。
  从样机到批量生产
  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。
  通过对风机所承受各种环境影响的模拟仿真,Multibrid实现了样机的试验,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的设计显示出他们的雄心壮志。与其它大部分风机制造商不同,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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免受侵蚀。
  集成控制平台使系统管理更简单
  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控制工程网版权所有,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组件替换控制工程网版权所有,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。这使维修和维护更简单:维修技师仅需熟悉一个运行操作指导系统即可,大大减少培训和调试成本。
  开放式系统理念便于深度开发
  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。“毕竟控制工程网版权所有,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。
  全面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。
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