摘要：德國(guó)Multibrid公司專(zhuān)為海上風(fēng)電設(shè)計(jì)的M5000風(fēng)機(jī)，已成功應(yīng)用于德國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)。從樣機(jī)到批量生產(chǎn)，Multibrid 通過(guò)與 Beckhoff 緊密合作，為M5000打造了一個(gè)集成平臺(tái)控制方案，使系統(tǒng)管理更簡(jiǎn)單，而且其開(kāi)放性便于未來(lái)的深度開(kāi)發(fā)。
德國(guó)Multibrid 公司成立于2000年，主要開(kāi)發(fā)和建造M5000海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。他們與供應(yīng)商合作，有一支專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)不斷開(kāi)發(fā)重要的系統(tǒng)組件。同時(shí)，通過(guò)掛靠Prokon Nord公司，Multibrid能夠利用他們?cè)陲L(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)中長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)。工程規(guī)劃公司Prokon Nord很早就已進(jìn)軍海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，在北海和諾曼底海岸設(shè)計(jì)了三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，在后者共安裝了181個(gè)風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)機(jī)的功率為5MW。
早在 2004年，Multibrid公司就開(kāi)發(fā)了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)，但三年之后才正式投入批量生產(chǎn)。2007年中旬，Multibrid開(kāi)始在位于德國(guó)不來(lái)梅港的工廠安裝風(fēng)輪直徑為 16米、輪轂高90米的Multibrid M5000風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
從樣機(jī)到批量生產(chǎn)
當(dāng)項(xiàng)目經(jīng)理Bernd Zickert于2005年加盟該公司時(shí)，他就發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)很常見(jiàn)的技術(shù)現(xiàn)狀：用于風(fēng)力機(jī)的控制和自動(dòng)化系統(tǒng)并不是基于一個(gè)集成的平臺(tái)，硬件組件來(lái)自四個(gè)不同的制造商，這意味著Multibrid工程師必須熟悉不同的系統(tǒng)，組件和數(shù)據(jù)采集的協(xié)調(diào)也是個(gè)問(wèn)題。
對(duì)于 Multibrid樣機(jī)，這種內(nèi)部差異很有意義，因?yàn)樗梢燥@示出設(shè)計(jì)的彈性，并為最終決定批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。為此，公司必須試驗(yàn)各種選件。兩年前，他們完成了M5000的首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明方案基本可行。Multibrid所面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，必須為批量生產(chǎn)和海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行做好準(zhǔn)備。
通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)所承受各種環(huán)境影響的模擬仿真，Multibrid實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的試驗(yàn)，包括各種可能的故障和故障場(chǎng)景。“針對(duì)仿真，我們?yōu)樗邢到y(tǒng)接口創(chuàng)建了一個(gè)精確的模型，”Bernd Zickert 說(shuō)道，“我們能夠進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)來(lái)提升系統(tǒng)性能。開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)主要集中在系統(tǒng)生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行及維修方面的可行性。2008年，Multibrid打算建造13個(gè)系統(tǒng)，其中6個(gè)計(jì)劃用于 Alpha Ventus海上風(fēng)電場(chǎng)。Alpha Ventus是德國(guó)首座海上風(fēng)電場(chǎng)。它是一個(gè)具有開(kāi)創(chuàng)性意義的合作項(xiàng)目，E.ON Climate & Renewables、EWE和Vattenfall Europe New Energy都有參與該項(xiàng)目。
低磨損技術(shù)降低系統(tǒng)故障
Multibrid的設(shè)計(jì)顯示出他們的雄心壯志。與其它大部分風(fēng)機(jī)制造商不同，Multibrid使用的是永磁同步發(fā)電機(jī)。大部分的電力供應(yīng)商使用的都是同步發(fā)電機(jī)，而風(fēng)電行業(yè)更傾向于使用異步（感應(yīng)）發(fā)電機(jī)。Multibrid決定使用一個(gè)帶環(huán)設(shè)計(jì)的多極同步發(fā)電機(jī)，這表示，它以成熟的技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)還具有磨損極低的優(yōu)點(diǎn)。這一點(diǎn)特別是對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行來(lái)說(shuō)是個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)，在海上風(fēng)電場(chǎng)中，服務(wù)、維護(hù)及維修比陸上更加困難，特別是在天氣很惡劣的時(shí)候。任何不容易出現(xiàn)故障的設(shè)備或性能特點(diǎn)都會(huì)讓風(fēng)力機(jī)更為可靠。
重量輕 便于建造和安裝
為了便于運(yùn)輸并確保安全和快速安裝，M5000的一個(gè)重要設(shè)計(jì)要求是減少機(jī)艙和風(fēng)輪的重量。Multibrid在風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間放置了一個(gè)減速比為10:1的單級(jí)減速機(jī)。發(fā)電機(jī)通過(guò)一個(gè)四象限逆變器連接至電網(wǎng)，通過(guò)該逆變器，可以實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。同時(shí)，它滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度員為高級(jí)風(fēng)力機(jī)所規(guī)定的要求。采用這一設(shè)計(jì)方案后，Multibrid將風(fēng)輪、輪轂和機(jī)艙的總重量減少到約310噸。
盡管Multibrid風(fēng)力機(jī)的額定功率較高，但其外形卻極為緊湊：機(jī)艙尺寸僅為7米高、10米長(zhǎng)，與其它同類(lèi)產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)更加小巧、輕便。這樣可帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn)：用三角架基礎(chǔ)支撐的管狀鋼塔可給定不同的尺寸。機(jī)艙可在陸地上預(yù)裝配，然后在海上作為成套設(shè)備安裝。
海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的重要要求就是機(jī)艙的密封性：空氣處理系統(tǒng)從環(huán)境空氣中分離出鹽和水粒子，在機(jī)艙內(nèi)生成正壓，避免具有侵蝕性的海洋大氣進(jìn)入，保護(hù)易受損的控制元件免受侵蝕。
集成控制平臺(tái)使系統(tǒng)管理更簡(jiǎn)單
自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造工作由Bernd Zickert實(shí)施，他們的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。控制器數(shù)量從5臺(tái)減少為2臺(tái)。除了塔筒中的主控計(jì)算機(jī)之外，還有一臺(tái)輪轂中的計(jì)算機(jī)，用于提供冗余功能，并防止通過(guò)滑環(huán)連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失。
整個(gè)硬件平臺(tái)都由Beckhoff組件替換，建立了一個(gè)集成的控制系統(tǒng)，提供協(xié)調(diào)、簡(jiǎn)單的處理、連接和數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)處理500多個(gè)數(shù)字量和模擬量信號(hào)。這使維修和維護(hù)更簡(jiǎn)單：維修技師僅需熟悉一個(gè)運(yùn)行操作指導(dǎo)系統(tǒng)即可，大大減少培訓(xùn)和調(diào)試成本。
開(kāi)放式系統(tǒng)理念便于深度開(kāi)發(fā)
為了減少可能的組件故障所帶來(lái)的影響，傳感器、執(zhí)行器和輔助系統(tǒng)均使用冗余設(shè)計(jì)。這特別適用于空氣處理、油品供應(yīng)與液壓系統(tǒng)以及輪轂和冷卻系統(tǒng)的電池充電器。
基于PC的控制技術(shù)可確保系統(tǒng)的開(kāi)放性。Multibrid工程師Zickert認(rèn)為這是一個(gè)特別有意義的性能特點(diǎn)，因?yàn)樗鼮樽詣?dòng)化控制系統(tǒng)的深度開(kāi)發(fā)提供了廣闊的空間。“畢竟，我們所處的是一個(gè)具有高度動(dòng)態(tài)性的領(lǐng)域，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異。” 第三方設(shè)備可通過(guò)相應(yīng)接口輕松集成到系統(tǒng)中。系統(tǒng)的開(kāi)放性還將能夠集成新功能的I/O模塊。
基于Windows標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的Beckhoff TwinCAT控制軟件，簡(jiǎn)化了操作指導(dǎo)工作，確保與常規(guī)的用戶(hù)界面兼容。這對(duì)由SCADA系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)流和信息的可視化也產(chǎn)生了積極影響。控制系統(tǒng)支持現(xiàn)場(chǎng)的安全訪問(wèn)，而在控制中心也可由多名用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)。可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足具體的應(yīng)用要求。系統(tǒng)的故障分析能力得到很大提升。系統(tǒng)可通過(guò)因特網(wǎng)協(xié)議經(jīng)由光纜實(shí)時(shí)監(jiān)控。
一個(gè)集成的ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以在離線狀態(tài)下（例如，在系統(tǒng)通訊出現(xiàn)故障時(shí)）將需要傳輸給控制中心的文件保存50天之久。存儲(chǔ)能力取決于所使用的閃存卡大小。系統(tǒng)存儲(chǔ)所有與風(fēng)電場(chǎng)管理相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括運(yùn)行數(shù)據(jù)（10分鐘均值、跟蹤、計(jì)數(shù)器）、錯(cuò)誤日志分析、功率曲線、生產(chǎn)、無(wú)功功率、內(nèi)部能耗及運(yùn)行模式等數(shù)據(jù)。
全面仿真為質(zhì)量提供保障
由Multibrid團(tuán)隊(duì)與 ISET（德國(guó)卡塞爾大學(xué)的太陽(yáng)能供電研究院）密切合作開(kāi)發(fā)的仿真軟件質(zhì)量尤為重要。該軟件通過(guò)TwinCAT可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)仿真。Beckhoff負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的硬件，并參與到SCADA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作中。試驗(yàn)臺(tái)用于初步檢查理論假設(shè)、方案的合理性，也可用于員工和客戶(hù)培訓(xùn)。此外，Multibrid將其發(fā)展為一個(gè)高效的質(zhì)量保證工具：所有的系統(tǒng)控制組件都映射在試驗(yàn)臺(tái)上。系統(tǒng)能夠仿真所有的執(zhí)行器和傳感器以及與風(fēng)力機(jī)控制設(shè)備之間的通訊。這樣，控制系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的功能能夠在安裝前完全得到檢驗(yàn)。與其在惡劣的海上條件下還要安裝帶未經(jīng)驗(yàn)證功能的組件，不如在交付前就保證組件和子系統(tǒng)的質(zhì)量。這對(duì)實(shí)施更新和改造措施也非常有益，不再需要像測(cè)試版那樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但可在安裝時(shí)進(jìn)行大量的功能試驗(yàn)。
德國(guó)不萊梅港的生產(chǎn)車(chē)間直接坐落于港口，方便船只運(yùn)輸。
M5000 控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
| 主控計(jì)算機(jī)：CX1020 嵌入式 PC，Windows XP 操作系統(tǒng)
| 輪轂計(jì)算機(jī)：CX9000 嵌入式 PC，Windows CE 操作系統(tǒng)
| 自動(dòng)控制軟件：TwinCAT PLC
HMI
| 嵌入式控制面板 CP6832
I/O
| 總線系統(tǒng)：EtherCAT（PROFIBUS，帶 EtherCAT 模塊）
| I/O 系統(tǒng)：總線模塊 / EtherCAT 模塊
| I/O 模塊：
– 各種數(shù)字量 / 模擬量 I/O
– 電力測(cè)量模塊
– 繼電器模塊
– SSI 角度測(cè)量模塊
– 增量編碼器接口模塊
– 串口通訊模塊
全文詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)《工控觀察》200904期
http://magazine.gongkong.com/e_magazine/2009/0904/index.htm
