10 MVA 风力发电机试验台的自动化

　　德国能源行业目前主要关注以下两大问题：风力发电机组中电力电子器件的使用寿命如何？哪些环境和负荷因素会影响这些器件的寿命？不来梅大学电气驱动、电力电子设备学院（IALB）的科研人员正在与弗劳恩霍夫风能及能源系统技术研究院 （IWES）密切合作，共同寻找这些问题的答案。该项目使用的数据集由一个配备了倍福基于 PC 的自动化技术的巨型试验台提供。

　　电力电子器件故障是造成风力发电机组故障的主要原因之一。环境应力和电气运行负荷相结合，会对电力电子器件的使用寿命产生很大影响，因此也会影响整个风力发电机组的使用寿命。因此，预测这些多模式负载的影响对避免现场故障，确保产品长期运行具有重要意义。

　　通信接口必须易于适应不断变化的测试样机。IALB 认为，在这一点上，EtherCAT 热连接和 EtherCAT POF 接口模块 EK1561 提供了一个完美的解决方案。

　　为了确定故障原因，不来梅大学建造了一个最大功率为 10.8 MVA（由四个 2.7 MV 变频器产生）的全尺寸试验台，它隶属于由德国联邦经济事务和气候行动部（BMWK）共同资助的“风力发电机组大功率电力电子器件的多维负荷（HiPE-Wind）”项目。该项目在真实的气候条件下（陆上和海上）和不同的电荷下测试完整的风力发电机组动力柜，以期找到以下重要问题的答案：

　　变流器系统长期处于待机状态并在此期间积聚水汽后，启动时的表现如何？

　　是否会出现冷凝现象？

　　变流器通过自身热损耗进行干燥的速度如何？

　　变流器控制柜中的哪些部件或区域特别关键？

　　“我们想要更好地了解影响电力电子器件使用寿命的因素。”不来梅大学电气驱动、电力电子设备学院的 Bernd Orlik 教授解释道。无论是过去还是现在，我们的目标都是研究优化电力电子器件稳定性的方案，尤其是针对海上风力发电机组的方案，然后通过实验进行测试。“但到目前为止，人们对电力电子器件所处的特殊环境条件和运行条件如何影响其使用寿命知之甚少。”Nando Kaminski 教授（来自 IALB）补充道：“我们的初步研究结果表明，水汽含量对功率半导体器件来说尤为关键。腐蚀等电化学反应会迅速导致器件失效。”

　　“电力电子器件是风力发电机的核心部件，用于控制风力发电机的电能流动，承受着来自不断变化的风况和电网负荷的巨大压力。”来自弗劳恩霍夫 IWES 的 Jan Wenske 教授解释道。此外还有各种环境影响。归根结底，各自系统中的荷载组合始终是影响电力电子器件可靠性和使用寿命的决定性因素。“变流器有时需要在非常寒冷的条件下工作，有时又需要在高温高湿度环境中工作。”Bernd Orlik 说道。同时，研究人员也会根据需求仿真“正常”的电力负荷以及故障和系统的相互作用。同样，科研人员可以在人工气候室中复制现场真实的环境条件，并具体研究这些条件下组件的行为。这样可以提前测试变流器的结构和配置变化的影响，这样做的好处是可以把这些缺陷和潜在问题消灭在开发阶段。

　　不来梅大学 IALB 研究所主任 Wilfried Holzke解释说道：“我们若想出具可靠的使用寿命报告，最重要的就是要高精度、同步记录测试样机、人工气候室和负载换相变流器的所有测量值和设定值。”

　　用人工气候箱再现海上环境条件

　　任何一个站在 10 MW 风力发电机组面前的人都会对其所使用的电力电子器件的尺寸有一个清晰的概念。人工气候室体积也非常大，超过 170 立方米，准确地说，是 7.5 x 5.3 x 4.3 米。科研人员将电力电子器件与控制柜组装在一起，并将其连接到负载换相变流器和配备基于 PC 的控制技术的第三方控制装置。然后才能在所有已知和可以想象的气候条件开始实际测试：可能是 -40 到 +120°C 的干冷或干热或者 +10 到 +95°C 的温度范围内相对湿度在 10-95% 之间的湿冷或湿热条件。动态、可重复的电力负荷曲线使得电力电子器件在相应的气候条件下加速老化。

　　要实现这一切，首先要做大量工作：试验台由带四个变频器的负载系统、带相应制冷/空调和安全技术的气候室以及与功率相匹配的配电系统构成。最后，研究人员以高达 9000 A（4 x 2250 A）和 0 至 1000 V 之间的电压进行动态负载仿真。“必须同时控制所有组件，以保证测试结果的准确性和可重复性。”不来梅大学 HiPE-LAB 研究室主任 Wilfried Holzke 博士在解释一开始遇到的自动化挑战时说道。这是因为各种组件必须通过不同的总线系统（Ethernet、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP 和 CANopen）和不同的协议进行控制。安全系统必须易于集成到整个系统中。只有灵活、高性能的自动化系统才能实现这一切。“倍福基于 PC 的控制技术为此提供了许多优势，比如支持各种总线系统和协议，以及可轻松集成 HMI 和数据库。”Wilfried Holzke 博士指出。这让我们可以轻松选择先前创建的电气负荷和气候负荷顺序，并通过 PLC 将它们传输给负载系统、气候室和测试样机。

　　试验台通过第三方测量技术以高达 2 MS/s 的速度采集超过 72 个电压和电流通道的数据。气候室中的温度、湿度和空气流量（总共 64 个通道）以高达 20 kS/s 的速度采集。通过 EtherCAT 的分布式时钟功能能够高精度和同步采集所有通道数据。EtherCAT 端子模块（IEEE 1588/PTP 同步）EL6688 将这一功能进一步扩展到位于试验台上的所有测量系统中，并在所有应用中建立统一的时基。

　　在如此高的电压和电流情况下，安全是重中之重：系统通过 TwinSAFE 端子模块检测 620 多个安全相关的通道。

　　集中控制气候室、

　　测试样机和负载换相变流器

　　测试流程代码在 TwinCAT 3 中开发。测试样机通过一台控制器（CX5130 嵌入式控制器）连接，并通过一个 EL669x EtherCAT 桥接端子模块控制。Wilfried Holzke 博士说道：“这样做的好处是，程序可以单独适应测试样机，而无需修改主控制器（C5102 19 英寸机架安装式工业 PC）。由于测试样机不断变化，通信端子模块也必须随之变化。”他指出了 EtherCAT 和基于 PC 的控制技术的另一个优势。由于 EtherCAT 组件种类丰富，因此可以采用 POV/多模光纤完成大部分的布线工作。光纤可以抵抗高电流和高频率下不可避免的电磁干扰。

　　整个测试设施，包括预试验台和测试工站，共使用了 10 台控制器。除了三台 C5102 19 英寸机架安装式工业 PC（主控系统、预测试平台和测试工站），还有六台用于测试样机的 CX5130 嵌入式控制器，以及一台 CX7080 嵌入式控制器。一台适合控制柜安装的 CP2916 多点触控控制面板被集成在一个通用演示装置中，用于控制变流器。安装了几乎所有种类的 EtherCAT 端子模块，包括数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块及编码器模块。设施的安全运行通过 EL1904 和 EL2904 等 TwinSAFE 端子模块监控，总共有 620 多个安全通道。10 个 TwinSAFE 逻辑端子模块 EL6910 用于控制整个系统内的 TwinSAFE 项目。

　　EtherCAT 热连接允许在系统启动前或运行期间从数据流中移除或添加预配置部分。这为在测试样机附近有危险的情况下部分关闭或修改带来了进一步的优势。EtherCAT 的分布式时钟功能在这里也提供了巨大的发展潜力。“这将能够实现从主控制到脉冲模式发生器的完整和连续的同步。”Wilfried Holzke 博士在概述项目的下一步发展目标时透露道。

　　关于德国倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家专注于自动化新技术的德资企业，创立于 1980 年，总部位于德国威尔市。作为全球自动化技术的驱动者，倍福定义了自动化领域的许多标准，是国际标准的制定者和推动者。公司所生产的工业 PC、现场总线模块、驱动产品和 TwinCAT 自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。经过 40 年的发展和努力，倍福已在世界各地设立 30 多家分支机构，加上全球的合作伙伴，业务遍及 70 多个国家和地区。

　　倍福于 1997 年进入中国市场，中国区总部落户于上海市北高新产业园区，现有员工 300 人，办事处遍及国内 30 座大中城市。创新产品和解决方案广泛应用于风力发电、半导体、光伏太阳能、电子制造、金属加工、包装机械、印刷机械、塑料加工、轮胎加工、木材加工、玻璃机械、物流输送以及楼宇自动化等众多领域。

　　公司倾力推广的 EtherCAT 实时工业以太网于 2014 年成为中国国家推荐性标准，并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。作为一家技术驱动型公司，倍福一直注重在技术上寻求突破创新，在业内享有“创新引擎”的美誉。倍福基于 PC 的控制技术具有良好的开放性，它支持所有主流的工业通信协议，将 IT 技术、互联网和自动化技术完美融合在一起，为实现工业 4.0 和智能制造奠定了坚实的技术基础。

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