倍福經(jīng)典案例選（九）——PC控制應(yīng)用于海上風(fēng)電場

Multibrid GmbH 從不會(huì)為陸上風(fēng)電場而費(fèi)心：5 MW 的 M5000 風(fēng)力機(jī)從一開始就是專為海上風(fēng)電應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。Multibrid 通過與 Beckhoff 緊密合作，為批量化生產(chǎn) M5000 提供了一個(gè)集成平臺(tái)的控制方案。
早在 2004 年，Multibrid 就開發(fā)了樣機(jī)，雖然在三年之后才正式投入了批量生產(chǎn)。2007 年中旬，Multibrid 開始在位于德國不來梅港的工廠安裝風(fēng)輪直徑為 16 米、輪轂高 90 米的 Multibrid M5000。
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)電場運(yùn)行做好準(zhǔn)備。
通過對(duì)風(fēng)力機(jī)所承受各種環(huán)境影響的模擬仿真實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的試驗(yàn)，包括各種可能的故障和故障場景。“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 說道。“我們能夠進(jìn)行深度開發(fā)來提升系統(tǒng)性能。” 開發(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。Alpha Ventus 是德國首座海上風(fēng)電場。它是一個(gè)具有開創(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。

M5000 規(guī)格
額定功率： 5 MW
風(fēng)輪直徑： 116 m
風(fēng)輪速度： 4.5 – 14.8 rpm
最大葉片速度： 90 m/s
海上輪轂高度： 90 m（樣機(jī) 102 m）
機(jī)頭重量/掃風(fēng)面積： < 30 kg/m2

低磨損技術(shù)降低系統(tǒng)故障
Multibrid 的設(shè)計(jì)顯示出出他們的雄心壯志。與其它大部分風(fēng)力機(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)電場運(yùn)行來說是個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)，在海上風(fēng)電場中，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)通過一個(gè)四象限逆變器連接至電網(wǎng)，通過該逆變器，可以實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。同時(shí)，它滿足電網(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，與其它同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)更加小巧、輕便。這樣可帶來很多優(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)易受損的控制元件受到侵蝕。

德國不來梅港的生產(chǎn)車間直接坐落于港口，方便船只運(yùn)輸集成的控制平臺(tái)使系統(tǒng)管理更加簡單
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)行簡化?？刂破鲾?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)。這在維修和維護(hù)時(shí)特別有好處：維修技師僅需熟悉一個(gè)運(yùn)行操作指導(dǎo)系統(tǒng)即可，這樣可大大減少培訓(xùn)和調(diào)試成本。為了減少可能的組件故障所帶來的影響，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)備可通過相應(yīng)接口輕松集成到系統(tǒng)中。系統(tǒng)的開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，簡化了操作指導(dǎo)工作，確保與常規(guī)的用戶界面兼容。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?？刂葡到y(tǒng)支持現(xiàn)場的安全訪問，而在控制中心也可由多名用戶同時(shí)進(jìn)行訪問。可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足具體的應(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)、無功功率、內(nèi)部能耗及運(yùn)行模式等數(shù)據(jù)。

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
–電力測量模塊
–繼電器模塊
– SSI 角度測量模塊
–增量編碼器接口模塊
–串口通訊模塊

Multibrid
Multibrid 成立于 2000 年。公司主要開發(fā)和建造 M5000 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。他們與供應(yīng)商合作，有一支專家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)不斷開發(fā)重要的系統(tǒng)組件，提升 Multibrid 技術(shù)。通過掛靠 ProkonNord 公司，Multibrid 能夠利用他們?cè)陲L(fēng)電場工程建設(shè)中長期積累的經(jīng)驗(yàn)。

工程規(guī)劃公司 Prokon Nord 很早前就已進(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，在后者中共安裝了 181 個(gè)風(fēng)力機(jī)，每個(gè)風(fēng)力機(jī)的功率為 5 MW。Prokon 的介入對(duì) Multibrid 的幫助很大：由于市場的巨大需求，新的開發(fā)項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上是可行的。法國能源公司 Areva 于 2007 年9月購買了 Multibrid 51％ 的股份，他們的介入為 Multibrid 提供了可靠的財(cái)力支持。公司能夠?qū)⒑玫睦砟顚?shí)施到良好的商務(wù)活動(dòng)中。同時(shí)，Multibrid 的生產(chǎn)正在進(jìn)行中。

開放式系統(tǒng)理念便于深度開發(fā)M5000 試驗(yàn)臺(tái)主要用于減少功能試驗(yàn)和調(diào)試時(shí)間，優(yōu)化操作步驟和控制過程
全面的仿真為質(zhì)量提供保障
由 Multibrid 團(tuán)隊(duì)與 ISET（德國卡塞爾大學(xué)的太陽能供電研究院）密切合作開發(fā)的仿真軟件質(zhì)量尤為重要。該軟件通過 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，不再需要像測試版那樣進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，但可在安裝時(shí)進(jìn)行大量的功能試驗(yàn)。Alpha Ventus 主要數(shù)據(jù)
風(fēng)力機(jī)數(shù)量： 12 臺(tái)總功率： 60 MW
每年預(yù)計(jì)發(fā)電量：
約 220 GWh（= 可滿足 50,000 戶三口之家的電力消耗需求）
Alpha Ventus：德國首座海上風(fēng)電場
Alpha Ventus 海上風(fēng)電場是一個(gè)具有開創(chuàng)性意義的合作項(xiàng)目，E.ON Climate& Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 共同參與了該項(xiàng)目。該風(fēng)電場座落在北海（距波爾庫姆島（Borkum）北部 45 公里，水深 30 米
（98.4 英尺））。Alpha Ventus 是德國首座真正意義上的海上風(fēng)電場。Alpha Ventus 研發(fā)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和并網(wǎng)對(duì)未來海上風(fēng)電場的商業(yè)化運(yùn)營具有重大意義。在 2008 年的項(xiàng)目進(jìn)度規(guī)劃中，他們要為風(fēng)電場南部安裝六臺(tái) Multibrid M5000 風(fēng)力機(jī)，建造海上風(fēng)電站。風(fēng)電場有望于2008 年秋并網(wǎng)，并計(jì)劃于 2009 年夏在風(fēng)電場南部再安裝六臺(tái)不同型號(hào)的風(fēng)力機(jī)。
風(fēng)力機(jī)各組件機(jī)艙、風(fēng)輪葉片、塔筒組件及地基結(jié)構(gòu)等預(yù)先獨(dú)立在陸上安裝，最終在海上裝配成為一臺(tái)完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
12 臺(tái)風(fēng)力機(jī)分布在 4 平方公里的（1.5 平方英里）區(qū)域內(nèi)。這些風(fēng)力機(jī)組成一個(gè)矩形，分為四個(gè)平行的行，每行有三臺(tái)風(fēng)力機(jī)。在該網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)中，風(fēng)力機(jī)之間的距離約為 800 米（約 0.5 英里）。Multibrid M5000 風(fēng)力機(jī)使用三角架固定。此處的水深大約為 30 米（98.4 英尺）。安裝面積達(dá) 255 m2 的三角形支架需要 56 人。一臺(tái)風(fēng)力機(jī)重量約 1000 噸，相當(dāng)于200 頭成年大象或 22 節(jié)火車車廂的重量。掃風(fēng)面積約為一個(gè)半足球場的面積。在風(fēng)輪最大轉(zhuǎn)速下，葉尖以每小時(shí) 300 公里（186 mph）的速度劃過空氣。
該風(fēng)電場所處的位置平均風(fēng)速為 10 米 / 秒，相當(dāng)于蒲福風(fēng)力等級(jí) 5 級(jí)（19 – 24 mph 或 39 km/h）。設(shè)計(jì)人員預(yù)計(jì)風(fēng)電場每年能夠持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行 3800 小時(shí)。與陸上風(fēng)電場相比： 地理位置優(yōu)越的陸上風(fēng)電場：平均風(fēng)速約為 5 米 / 秒，電場每年能夠持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行約 2200-2500 小時(shí)。