pcc.indd

26 风 力 发 电 从 样 机 到 批 量 生 产 :Multibrid M5000 海 上 风 力 发 电 机 组 PC 控 制 应 用 于 海 上 风 电 场 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

27 风 力 发 电 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/m 2 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 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

28 风 力 发 电 德 国 不 来 梅 港 的 生 产 车 间 直 接 坐 落 于 港 口, 方 便 船 只 运 输 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

29 风 力 发 电 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 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 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 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

30 风 力 发 电 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 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, 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 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 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 Multibrid GmbH www.multibrid.com

31 风 力 发 电 Alpha Ventus: 德 国 首 座 海 上 风 电 场 Alpha Ventus 海 上 风 电 场 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 共 同 参 与 了 该 项 目 该 风 电 场 座 落 在 北 海 ( 距 波 尔 库 姆 岛 (Borkum) 北 部 45 公 里, 水 深 30 米 (98.4 英 尺 )) Alpha Ventus 是 德 国 首 座 真 正 意 义 上 的 海 上 风 电 场 Alpha Ventus 研 发 项 目 的 设 计 建 造 运 行 和 并 网 对 未 来 海 上 风 电 场 的 商 业 化 运 营 具 有 重 大 意 义 在 2008 年 的 项 目 进 度 规 划 中, 他 们 要 为 风 电 场 南 部 安 装 六 台 Multibrid M5000 风 力 机, 建 造 海 上 风 电 站 风 电 场 有 望 于 2008 年 秋 并 网, 并 计 划 于 2009 年 夏 在 风 电 场 南 部 再 安 装 六 台 不 同 型 号 的 风 力 机 风 力 机 各 组 件 机 舱 风 轮 叶 片 塔 筒 组 件 及 地 基 结 构 等 预 先 独 立 在 陆 上 安 装, 最 终 在 海 上 装 配 成 为 一 台 完 整 的 风 力 发 电 机 组 12 台 风 力 机 分 布 在 4 平 方 公 里 的 (1.5 平 方 英 里 ) 区 域 内 这 些 风 力 机 组 成 一 个 矩 形, 分 为 四 个 平 行 的 行, 每 行 有 三 台 风 力 机 在 该 网 格 状 结 构 中, 风 力 机 之 间 的 距 离 约 为 800 米 ( 约 0.5 英 里 ) Multibrid M5000 风 力 机 使 用 三 角 架 固 定 此 处 的 水 深 大 约 为 30 米 (98.4 英 尺 ) 安 装 面 积 达 255 m 2 的 三 角 形 支 架 需 要 56 人 一 台 风 力 机 重 量 约 1000 吨, 相 当 于 200 头 成 年 大 象 或 22 节 火 车 车 厢 的 重 量 扫 风 面 积 约 为 一 个 半 足 球 场 的 面 积 在 风 轮 最 大 转 速 下, 叶 尖 以 每 小 时 300 公 里 (186 mph) 的 速 度 划 过 空 气 该 风 电 场 所 处 的 位 置 平 均 风 速 为 10 米 / 秒, 相 当 于 蒲 福 风 力 等 级 5 级 (19 24 mph 或 39 km/h) 设 计 人 员 预 计 风 电 场 每 年 能 够 持 续 满 负 荷 运 行 3800 小 时 与 陆 上 风 电 场 相 比 : 地 理 位 置 优 越 的 陆 上 风 电 场 : 平 均 风 速 约 为 5 米 / 秒, 电 场 每 年 能 够 持 续 满 负 荷 运 行 约 2200-2500 小 时 Alpha Ventus 主 要 数 据 风 力 机 数 量 : 12 台 总 功 率 : 60 MW 每 年 预 计 发 电 量 : 约 220 GWh(= 可 满 足 50,000 户 三 口 之 家 的 电 力 消 耗 需 求 ) www.alpha-ventus.de