針對美國新興風力發電市場的新方案

風力發電    時間:2014-03-13 00:08:54
針對美國新興風力發電市場的新方案簡介
    德國風力發電機組製造商 DeWind 憑藉其具有革命性的創新設計再度成為新聞焦點。新型 DeWind D8.2 主要針對的是美國市場。Beckhoff ……
針對美國新興風力發電市場的新方案正文

 

德國風力發電機組製造商 DeWind 憑藉其具有革命性的創新設計再度成為新聞焦點。新型 DeWind D8.2 主要針對的是美國市場。Beckhoff 是自動化控制系統開發的主要合作夥伴。

 2007 年 1 月 7 日是 DeWind D8.2 風力機在德國 Cuxhaven 試運行的日子,DeWind 為此好好慶祝了一番。這不僅表明這家來自呂貝克的風力機生產商在該行業的積極回歸,同時也展示出他們對其旗艦型風力機實現了完全的革新。

從外觀上看,DeWind D8 並沒有什麼改變,只有機艙頂部的窗戶比過去看的更清楚了。除此之外,還保留了精巧的保時捷設計:與所有大型風力機相似,系統也是變槳控制的。輪轂高度(80 和 100 米)及風輪直徑(80 米)與以前的型號相同。額定功率為 2 MW,功率仍保持不變。


然而,內部的一切幾乎都經過改變。原因是,DeWind 在將公司賣給一家英美投資商之後,重新定位了其風力機的客戶方向,即主要針對美國市場。因此,必須考慮到美國能源供應系統的特殊性。首先,美國電網頻率為 60 Hz,而歐洲則為 50 Hz。此外,美國供應商通用電氣擁有風力機磁場定向轉換器系統的專利權,這給他們進入美國市場製造了障礙。

另闢蹊徑
DeWind 決定採用全新的設計,打破其自身的傳統技術。DeWind 自 1995年創立時起就開始使用變速系統。在該系統中,通過一個雙饋感應發電機和變流器確保穩定電壓和高質量電流。風輪側風速的強烈變化必須在電網側轉換為恆定頻率。這種設計使得 DeWind 建造的系統能夠經濟地在風速相對較低的陸上區域使用。這種類型的系統在歐洲備受青睞。

安裝在阿根廷安第斯山脈的海拔 4300 米處(超過14,100 英尺)

這項成熟的技術已在風電領域應用數十年,特別是對操作可靠性、精確動態控制和低操作與維護耗費要求較高的應用場合。

若要進軍美國市場,公司就必須找到一種新的解決方案。這些努力使得 Dewind 的系統設計開創了風電領域的先河。新設計的核心部分是一個變速液壓齒輪箱。原先針對歐洲市場的 DeWind D8 使用的三級直齒行星齒輪減速機由兩級齒輪減速機取代。第三級由一個 Voith Turbo 高動態機電一體化驅動系統WinDrive? 裝置取代。

藉助 WinDrive?,DeWind D8.2 將風輪的變速轉換為恆定速度,用於與電網直接相連的同步發電機。因而,在雙饋感應發電機中處理該任務的變流器將不再需要。這表示,精密的電子元器件由一個低磨損的傳動系統取代,無需任何功率電子設備。這樣,DeWind 所展現的技術與通用電氣專利技術有很大不同,從而能夠在美國市場自由銷售其系統,無需額外費用。同時,DeWind 能夠完全 - 比競爭對手更有效地 - 滿足電網連接的當前的最新規定。在德國,2007 年風力發電機組為國家電網饋入了約 400 億度電,相當於德國總需求的 7% 還要多。成功的同時,也要面對新的挑戰:風力機必須整合到電網管理規劃中,這在出現故障、電壓跌落或短路等狀況時特別關鍵。帶同步發電機的系統比帶其他發電機的系統更適合用於該環境。超過 95% 的電力是由同步發電機產生的,這就是為什麼專門為其固有故障特性設計了傳輸和保護系統。儘管有了精心打造的解決方案,但仍然很難讓變流器系統達到同步電機的電源諧波質量。

EtherCAT 和 TwinSAFE 為風力機控制帶來新的技術亮點
若要重新設計風力機系統,還需要重新設計自動化控制系統。DeWind與 Beckhoff 通力合作,為 D8 研發了一種控制系統。該系統基於 Beckhoff工業 PC 和 TwinCAT 自動化軟體。應用軟體由 DeWind 自行開發。控制系統分析約 350 個 I/O。實時系統要求在 10 ms 或 1 ms 的固定周期時間範圍內實現電網饋電或監控。DeWind D8 已經使用快閃記憶體驅動用於海量存儲,特別是在考慮到惡劣的操作環境時。Beckhoff 開放式控制系統可以通過所有商用 PC 介面進行連接。


EtherCAT 被選擇作為通訊系統:DeWind D8.2 配備了兩個獨立的高速EtherCAT 通訊線路,用於系統和風電場聯網。通訊通過光纖實現。系 統安全性和可靠性通過冗餘配置得到保障。風能應用場合中通常使用 硬連線的安全鏈,則通過Beckhoff 的安全解決方案 TwinSAFE 一起集成 在自動化系統中。Beckhoff 通過先進的擴展和匹配選項使得安全系統 更具靈活性,在出現緊急情況時不會降低系統可靠性。


推動 DeWind 快速發展
 DeWind 和 WinDrive? 驅動系統的供應商 Voith Turbo 之間的啟動會議於 2005 年 10 月舉行。僅 12 個月後,也即 2006 年 10 月,在德國的 Cuxhaven 建造了一個樣機,並於 2007 年 1 月投入試運行。DeWind對此非常滿意:從決定使用 Voith 的 WinDrive? 解決方案到系統試運 行,僅僅花了一年的時間。如果沒有一個能力超凡、勇於開拓、大膽 創新的團隊,這些都不可能實現。與此同時,DeWind 建造了這種類型的兩個附加系統,其中一個安裝在阿根廷安第斯山脈海拔 4300 米處。第三個系統(60 Hz 型)於 2008 年 3 月在德克薩斯州斯威特沃特(Sweetwater)建造。

第三個系統由 DeWind 的戰略合作夥伴 TECO Westinghouse 在德克薩斯州的 Round Rock 合作建造。TecoWestinghouse 目前正在興建一條新的生產線,預計每周 5 套系統的生產量。公司預期 2008 年在美國建造和安裝80 套系統。

EtherCAT 除了具有高性能和低系統成本的優勢外,它所具備的靈活性拓撲結構特點也讓它成為同行業產品里的佼佼者。若採用標準乙太網電纜(100BASE-TX),兩個站點之間的最大距離可達 100 m(328 英尺)。通過新型的光纖模塊可以大大擴展聯網距離,最遠可達 2 km(1.24 英里)(100BASE-FX)

WinDrive,一種 Voith Turbo高動態機電一體化傳動系統,取代了 IGBT 變流器。這樣,DeWind 所展現的技術與通用電氣專利技術有很大不同,從而能夠在美國市場自由銷售其系統,無需額外費用,同時還能夠完全滿足電網連接的當前和最新規定

 DeWind D8.2:一個成熟的解決方案,採用實時檢測環境
為了在如此短的時間內完成 D8.2 項目,DeWind 決定走出  一條新的發展之路。風力機和傳動系統的物理元器件在  最先進的計算機平台上進行模擬、檢測和適配。這樣,  在風力機並電網之前,風力機已在模擬環境下運行了數百個小時,掌控所有可能的運行情況。作為此次開發過  程的一部分,WinDrive? 配備了一個獨立的 Beckhoff 控制 系統,在整個試驗階段,直接從模擬中下裝程序到該控 制系統。在檢測階段結束后,WinDrive? 控制系統被集成 到風力機控制系統中。

 在Beckhoff的支持下,開發團隊還設計了一個實時檢測環 境,用於模擬風力機的受力狀態和風力機真實的響應:  D8.x 實時檢測環境(RTSim)。RTSim 的兩側由Beckhoff 組件構成,正如真實的風力機一樣,與風力機控制端子模塊相連。有了 RTSim 后,在安裝和調試之前,即可實現動態系統特性的模擬模擬。選擇在任何一點“解剖”模型的選項,以便檢測硬體迴路中的各個元器件和設備,這是一個巨大優點。模擬不僅取代了實際的試驗操作,它還能夠在開始新的研發過程之前,將現有的風力機運行經驗考慮進去,從而能夠檢測系統特性,優化設計。如此,實驗性生產就會變的比以前更加可靠了。

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